數字化技術推動下的綠色建筑發展探究

文／丁粵輝 南昌大學 碩士研究生

聶志勇 南昌大學 副教授（通訊作者）

引言

在過去的人類歷史中，人類對生態的認知先后經歷了兩個階段（無知生態和征服生態）。現在正經歷著第三階段——可持續發展生態。無知生態時期的人類對自然充滿著敬畏之心，人與自然的關系更多地表現為人類對自然生態消極地適應，在建筑上因為技術落后，而表現為利用被動的方式來抵抗自然條件中不利的因素，建筑因此具備了地方性特色。在征服生態時代，人類經過了工業革命，積累了大量的技術手段，人類改造自然的能力迅速增強。人類與自然的關系主要表現為人類相信利用技術可以對自然生態進行主動的、隨意的改造。在建筑領域，人們對建筑的功能需求逐漸復雜，建筑類型變得更加豐富。并且解決了照明、電力供應、供水等問題，居住環境得到了很大的改善。特別是暖通空調設備等技術的發明，使得建筑室內冷熱環境可以被人類自由地調控，建筑設計可以完全不考慮氣候因素，而用技術與自然界中的不利因素進行對抗。但是往后的歷史發展表明，這種用技術對抗自然的行為顯然讓人類付出了巨大的代價——環境的日益惡化使人類的生存環境受到威脅。經歷征服生態階段后，隨之而來的就是自然環境被破壞和能源枯竭等問題，面對人類自身生存環境遭到威脅，人類不得不作出應對。1992 年人類提出走可持續發展之路，全力維護人類賴以生存的地球環境[1]。在建筑領域為應對環境惡化問題，建筑先驅們開始探尋一條建筑適應氣候的道路，實現向無知生態階段的高級回歸。建筑業作為一個高能耗的行業，建筑在其全壽命周期中都向自然索取和交換著大量物質和能量。在可持續發展的大背景下，建筑業的相關從業人員應當擔負起相應的時代責任。可持續發展背景下，綠色是時代話題，綠色建筑是建筑業的時代話題。綠色建筑自提出以來，國內外已經有了較多成熟的研究成果，隨著社會的發展，綠色建筑的內涵也必將被不斷地豐富。

1 綠色建筑

1.1 綠色建筑的起源與定義

“生態建筑”自20 世紀60 年代提出后，生態與建筑融合的相關理論得到了建筑學界建筑先驅們的廣泛響應[2]，他們積極地投入到新的建筑領域的探索當中。十年后的能源危機造就了“節能建筑”[3]，而后逐漸發展成綠色建筑的概念。國內對綠色建筑（Green Building）的定義為：“在全壽命期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑。”[4]

1.2 綠色建筑設計

綠色建筑設計不僅強調在建筑設計過程中各方面的綠色決策的實施，更強調在全壽命周期中全面地貫徹綠色建筑理念以及被動適應氣候的設計策略[5]。在計算機輔助設計技術出現之前，綠色建筑設計與數字技術聯系并不緊密，通常是建筑設計師依照個人經驗和認識來針對建筑所處的氣候區域實施綠色建筑措施，這種設計方式往往在建筑節能方面無法進行精確的定量分析，例如楊經文的生態建筑設計理論[6]。

2 綠色建筑發展中的制約因素

2.1 建筑生產成本的增加

既往的研究成果表明，相較于傳統建筑，綠色建筑生產成本的增加主要在綠色建筑施工技術使用方面[7]。將“綠色建筑”關鍵詞在中國知網中文文獻庫進行檢索，使用VOSviewer 軟件對檢索數據進行數據可視化。從中文數據庫文獻聚類圖（圖1）可以看出對于綠色建筑而言，國內學者更多偏向于對綠色建筑理論的研究，并且在綠色節能材料方面也有比較成熟的研究成果，但是對相關建筑技術的研究一直以來都存在一定的缺失。國內綠色建筑生產需要獲取成熟的技術研究成果的成本因此而增加[8]。由于房地產開發的趨利性，開發者并不愿意看到建筑造價被提高，現行的法律法規也并沒有強制業主要增加前期的投入成本來換取建筑后期使用和報廢時節約成本的效益。這就使得相關單位對綠色建筑建設的積極性往往建立在相關的政府補貼政策上，當得到政府補貼政策時，其綠色建筑建設的積極性更高。此外，綠色建筑技術的盲目堆疊使用也是綠色建筑建造成本增加的一個原因。有的綠色建筑項目為了達到綠色建筑評估標準，在不考慮適用性的情況下將能夠采用的綠色建筑技術都應用到建筑項目中，技術的堆疊雖然能夠提升建筑的綠色性能，但建造的成本也隨之上升。

圖1 中文數據庫文獻聚類圖（圖片來源：作者自繪）

2.2 相關技術要求高

由于綠色建筑在我國的發展歷史相對較短，因此相較于傳統的建筑，綠色建筑的建造過程更加復雜，在建筑設計和施工階段都對相關人員的技術水平有更高的要求。尤其在綠色建筑生產的過程中，設計處于領導性的地位，建筑設計師需要控制整個設計過程，綜合考慮各種因素和要求來實施綠色策略。這個過程往往會涉及多個專業領域，這就使得綠色建筑設計要求建筑設計師有更加廣泛的業務能力，并且花費大量的時間進行跨領域協作。但是在實際實踐當中，由于全球化進程帶來的進一步分工細化，大部分建筑設計師無論是在學校接受專業教育或是在從事建筑設計的過程中都很少會與其他領域產生交集。導致在綠色建筑設計過程中，雖然對節能環保具有很強的意識，但是卻常常因為知識儲備不足而無法應對復雜的綠色建筑設計。

3 綠色建筑數字化設計

3.1 綠色建筑數字化設計

20 世紀計算機技術迅猛發展，計算機輔助設計逐漸出現在建筑師的視野，并在建筑行業掀起了一場技術革命。而如今計算機輔助設計與綠色建筑結合已經成為一個熱門話題。依靠計算機輔助設計，綠色建筑設計不再過分依賴建筑設計師個人的經驗和認識來實施綠色建筑措施，而是以數據為導向，可以將很多綠色措施定量化，提前預測建筑節能效果。其中數字生成設計與性能數值模擬技術相結合是綠色建筑數字化設計的重要領域。此類設計方法可以輔助建筑師快速有效地對建筑設計方案進行生成和演化，并且在后期方便建筑師對建筑方案進行深化性的定量調整[9]。近些年來，數字技術節能設計研究受到國內學者的關注，如以風環境為導向的建筑節能設計研究。此類實驗以建筑通防風設計為目標，制定一系列建筑自生成的規則。風環境模擬數據全部可以由實際測量得來，在計算機中驅動建筑形態的生成，得到一系列建筑設計解集。這類實驗對提高建筑被動式節能有極大的促進作用，比如建筑在夏季時可以有更多的自然通風，冬季時有更強的保溫和防風效果。并應用遺傳優化算法——在眾多的解空間中搜索相對最優的解集，根據解空間中不同節能設計方案體現出來的節能性能水平，不斷地進行疊加計算，保留有利因素至下一次計算中，如此周而復始地迭代使得建筑綠色性能不斷被提高，建筑師最終可以得到一個最優的綠色性能設計方案[10]。數字技術的應用使得綠色建筑設計過程中可以通過模擬實驗來對建筑性能進行定量的分析，進而不斷地改善節能措施以及加強建筑被動式節能設計，避免增加技術成本。此外，定量的性能分析還使得綠色建筑評價結果更加直觀，建筑師可以根據業主確定的綠色建筑等級來考慮具體的決策。

3.2 綠色建筑數字化設計協作平臺

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）對設計師在操作綠色建筑設計上有很大的幫助。建筑信息模型技術集成了從建筑設計方案到建筑施工再到建筑運行管理的所有建筑信息，有利于各個專業系統之間在建筑設計方案和優化過程中進行協同以及建筑信息的儲存、管理和交流，從而使建筑設計師與跨領域的從業人員聯系更加密切，解決建筑師花費大量精力在多個專業領域的問題，并且減少施工過程中因設計錯誤而發生反復協調導致工期延長，從而節約施工成本。BIM在建筑信息方面的完備性、協調性、互動性等特征，使其在建筑設計的實踐層面得到廣泛應用[11]。美國Inyim 博士等人開發了以時間、成本和環境影響三個標準為基礎的系統，并利用Revit 插件工具擴展建筑構件和材料信息，以此確定更好的建筑項目設計[12]。英國建筑學家Oti 等人試圖對建筑生命周期成本、碳排放和生態足跡三個指標進行研究和分析，以此來完成結構系統概念設計階段的決策過程[13]。

3.3 綠色建筑數字裝配助力全產業升級

產業化是發揮規模效應的有效手段，綠色建筑產業化是大力發展綠色建筑的最終結果。建筑產業化使得綠色建筑將屬性優勢充分發揮出來，逐漸形成綠色低碳的城市空間。數字裝配技術集合了數字設計工具和建筑生產機器人，使得設計和建造同時進行，在數字設計工具當中，每一個構建都可以進一步導出為機床或者是機器人可識別的生產加工語言。數字技術的應用豐富了建筑預制裝配的內涵，并且能夠拓寬傳統建筑預制裝配的范圍。傳統的建筑預制裝配往往是針對標準化的構建進行大批量生產，一定程度上難以滿足建筑差異性的要求，而借助數字裝配技術可以較好地解決此類矛盾。袁烽等人利用Grasshopper與Kukaprc、FURobot 進行模擬加工和測試生產，在虛擬的數字模型中提前設計了建筑機器人的預制生產流程，協助設計團隊理順方案的建造邏輯，并且利用模型來指導部分構建的現場裝配工作[14]。

結語

數字技術推動下的綠色建筑設計，改變以往依靠建筑設計師基于經驗認識來進行綠色建筑中的各項設計決策以及調整建筑的形態、形式和材料的設計思路。首先，數字技術使得綠色建筑可以從精準量化的角度出發，實施準確的、有效的綠色建筑決策；其次，數字技術可以為綠色建筑設計提供管理、交流的多領域協作平臺，加強建筑設計與其他各領域的交流合作，優化設計流程；最后，數字技術的數據流使綠色建筑的數字裝配成為可能，進一步促進綠色建筑產業化升級，全面提升綠色建筑的應用價值。