高 路 李嘉軍 林國誠

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(集團)有限公司，上海 200041)

1 研究背景

正如大家所知，傳統(tǒng)建筑設(shè)計的方法過程及主要特點是一種單向線性的建筑設(shè)計構(gòu)思，以圖示信息為主的傳統(tǒng)設(shè)計方式針對不同設(shè)計階段、不同的具體對象，存在著不同程度的抽象化。

如今，數(shù)字化技術(shù)發(fā)展如火如荼，憑借當前強大的數(shù)字建模技術(shù)、通用集成模型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作等手段，數(shù)字化技術(shù)為建筑師提供了新的起點。使用這項技術(shù)可以使設(shè)計真正回歸三維空間和整體性的信息模型之中，也只有在這個層次上，數(shù)字技術(shù)才能真正做到輔助設(shè)計而非輔助表現(xiàn)。

正如建筑大師弗蘭克·蓋里的設(shè)計方法，數(shù)字化技術(shù)不僅被采納到他們的設(shè)計過程中，而且正戲劇性地改變了它。在他們那里，以電腦圖示為表象的CAAD技術(shù)踏入了設(shè)計的核心地帶，建筑的空間形式有些已很難用傳統(tǒng)的平、立、剖面圖加以表現(xiàn)了。由此可見，數(shù)字化技術(shù)特別是新興的BIM技術(shù)在許多方面正以不可阻擋之勢改變著傳統(tǒng)的設(shè)計方法和過程，它將會給我們提供了更高的工作效率。

伴隨著數(shù)字化技術(shù)的快速化發(fā)展，城市建筑也正在以指數(shù)級增長般快速的建設(shè)著，然而代價卻是我們的生活環(huán)境沒有得到更好的改善。作為建筑師的我們，這一切一切的發(fā)生都值得我們認真的思考，要為改善生存環(huán)境，進行綠色低碳的建筑貢獻自己的一份力量。

這就需要建筑師一方面要熟悉建筑的低碳技術(shù)，進行低碳建筑的設(shè)計，另一方面，在數(shù)字化技術(shù)的繁榮背景下，似乎建筑師可以利用諸如BIM那樣先進的技術(shù)手段去推進低碳建筑的實施。

2 研究方法

首先，通過調(diào)研學習英國貝丁頓社區(qū)(世界第一個零能耗社區(qū))，大致得到低碳建筑設(shè)計手法有如下10種。

表1 低碳建筑設(shè)計手法

應(yīng)該說，以上的低碳建筑設(shè)計手法是頗具典型性的，那么數(shù)字化技術(shù)在中間又有何作為呢?通過比較發(fā)現(xiàn)，首先數(shù)字化手段的介入能讓建筑師更為理性的考慮其中的設(shè)計要素，如:通過數(shù)字化的手法，設(shè)計前期的調(diào)研信息可以更理性化，更有利于建筑展開對自然資源使用的思考。與此同時，似乎建筑師在進行低碳建筑設(shè)計的時候有了一套新的設(shè)計手法，以下圖表總結(jié)了在設(shè)計不同階段，建筑師傳統(tǒng)的設(shè)計手法和數(shù)字化設(shè)計手法的相同和不同之處。

通過以上這個表格，我想我們可以清楚的看到，有了這些數(shù)字化軟件，我們至少在建筑建成前已經(jīng)對建筑各種性能進行了模擬，同時我們利用BIM技術(shù)已經(jīng)在計算機中虛擬了真實建筑的各種情況，并提前對建筑的二氧化碳排放量進行模擬和估計。

所以可以看出，數(shù)字化輔助低碳建筑的最大作用就是構(gòu)建一個強大的“虛擬模型庫”和進行“性能模擬”。關(guān)于這兩大方面又可以總結(jié)為以下幾對范疇:

2.1 建筑裝配體系和數(shù)字化建筑構(gòu)件簇庫的創(chuàng)建

低碳建筑的裝配式體系采用以及合適的材料選擇可以減少大量的CO2，但“結(jié)構(gòu)合理化”應(yīng)該是宏觀上首先要考慮的，北京國家大劇院造價30億人民幣，平均每個座位造價近50萬人民幣。建筑設(shè)計在歌劇院、音樂廳和戲劇院三棟建筑之外再重復(fù)興建了一個超大結(jié)構(gòu)外殼，整個穹頂?shù)奈蓓斆娣e是上海大劇院的3倍，加上運營時的能耗，這帶來的整個CO2是相當龐大的。有了數(shù)字化技術(shù)，建筑方案出現(xiàn)的以上問題就可以通過信息化模型BIM虛擬的搭建出來，在信息化模型中查看結(jié)構(gòu)是否合理，這需要建筑師平時做項目的時候，積累裝配式構(gòu)件的虛擬模型庫，在Revit中就是“簇”，如果有了長時間的積累，不光可以使得虛擬建筑的搭建效率更高，而且這些“簇”經(jīng)過時間的考驗和跟現(xiàn)實生活中廠家的溝通，低碳建筑的各部分構(gòu)件也會更加可靠和成熟。

2.2 低碳建筑材料和虛擬材料庫的創(chuàng)建

低碳建筑材料對于低碳建筑的重要性是不言而喻的，除了建筑主體結(jié)構(gòu)需要選好以外，圍護結(jié)構(gòu)也非常重要，因為這關(guān)系到建筑熱工性能的優(yōu)劣。參考綠色建材的定義，低碳材料大致可以分為四類:第一類:無匱乏危機的自然材料;第二類:低逸散性低污染的建材;第三類:循環(huán)利用的建材;第四類:廢棄物再生建材。當然筆者在本章中指的低碳建材，除了像綠色建材定義的那樣強調(diào)材料本身的環(huán)保特點、還需要知道材料的熱工參數(shù)、構(gòu)造做法等，這些信息的獲取才能讓建筑師對建筑方案進行建筑能耗的模擬。這里，筆者在平時會使用Design Builder這個軟件建立低碳建筑材料的虛擬材料庫，以數(shù)據(jù)庫形式積累起來，好處是方便能耗的計算，減少復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入的過程(如厚度、材料種類、傳熱系統(tǒng)等)。

2.3 建筑太陽輻射能利用和數(shù)字化太陽輻射分析

低碳建筑非常強調(diào)對太陽輻射跟建筑的關(guān)系，不光建筑屋頂上都能看到太陽能光伏板，連建筑本身的形體也是為了充分利用太陽能進行設(shè)計的，因此這些建筑都有一個類似的“坡屋頂”。但是這些“坡屋頂”的角度卻不一定是最佳的，很多時候是根據(jù)建筑師的草圖和經(jīng)驗判斷的。這時候 Ecotect就可以把這些最優(yōu)角度進行定量化。圖1所示的案例就是使用Ecotect對最佳遮陽角度的確定(旋轉(zhuǎn)角度以10°為變化)。

2.4 建筑碳排量計算和能耗模擬軟件

對于建筑“碳排放量”有兩重理解:一是建筑使用過程中的排放，主要就是建筑的能源利用;二是建筑全壽命周期的碳排放，包括了土地利用、材料選擇、能源系統(tǒng)配置等。在建筑物整個壽命周期中，使用過程的能耗與碳排放在各種損耗中所占比例最大，因此，建筑使用過程的節(jié)能對于實現(xiàn)低碳建筑是至關(guān)重要的。這里，能耗模擬軟件能夠做的就是可以模擬建筑方案在使用過程當中的CO2排放，也就解決了以上關(guān)于“碳排放量”理解中最重要的部分(圖2)。

3 研究小結(jié)

以上幾對低碳建筑與數(shù)字建筑相輔相成的范疇是筆者實踐后的一點小心得，處理好這些范疇對于使用數(shù)字化技術(shù)輔助低碳建筑設(shè)計比較關(guān)鍵。不過建筑師要完成一個低碳建筑設(shè)計的流程，除了需要掌握一定的軟件使用方法、還要充分做好大量的前期設(shè)計準備。本章開頭已經(jīng)介紹了建筑構(gòu)件庫(如:Revit的簇庫)、虛擬材料庫的作用。其實建筑師的準備工作還需要有一個相對完善的氣象數(shù)據(jù)庫(Ecotect中有部分數(shù)據(jù)，其他需要的氣象數(shù)據(jù)可以從美國能源部網(wǎng)站 http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data下載)，另外、建筑師需要經(jīng)常留意可持續(xù)方面最新的技術(shù)和產(chǎn)品，這樣這個庫可以為建筑設(shè)計低碳建筑提供不少思路和相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)。

數(shù)字化技術(shù)輔助低碳建筑設(shè)計的常用方法涉及到的技術(shù)點和軟件非常龐雜，所以筆者對利用數(shù)字化技術(shù)初步探索低碳建筑設(shè)計的系統(tǒng)性方法以流程圖的形式表達出來，更簡明的表達設(shè)計方法中的相互關(guān)系。(如圖3)特別需要說明的是，這個流程圖中標明的軟件只是筆者覺得最為常用的，建筑師在具體設(shè)計時可以根據(jù)軟件分類挑選習慣的就行(如建筑策略中的Sketchup也可以是體量推導(dǎo)軟件中的Rhino、Cinema4D 等)。

當然，這里本人總結(jié)的這個設(shè)計流程和方法一是基于對BEDZED的思考，二是對本人熟悉的一些數(shù)字化軟件的總結(jié)和思考，或許在今后由于社會方方面面的發(fā)展，如建筑產(chǎn)品的“簇”庫逐漸由建筑產(chǎn)品商完成;如虛擬材料庫逐漸由建筑材料商完善，整個相關(guān)低碳建筑的各行業(yè)形成一個跟數(shù)字化技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈的時候，同時建筑軟件的各功能整合度提高，我想這張低碳建筑設(shè)計流程圖會變得更為簡潔!

[1]熊焰.低碳之路.中國經(jīng)濟出版社，2010

[2]張神樹.高輝.德國低/零能耗建筑實例解析.中國建筑工業(yè)出版社，2007

[3]江億.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告，清華大學

[4]比爾·鄧斯特，陳碩等編著.建筑零能耗技術(shù).大連理工出版社

[5]趙昂.BIM技術(shù)在計算機輔助建筑設(shè)計中的應(yīng)用探討.重慶大學，[碩士論文]

[6]俞傳飛.布爾邏輯與數(shù)字化思維——論數(shù)字化條件下建筑設(shè)計思維特征的轉(zhuǎn)化.新建筑，2005年第3期

[7]Autodesk University China BIM網(wǎng)絡(luò)學校

[8]劉云勝.高技術(shù)生態(tài)建筑發(fā)展歷程.中國建筑工業(yè)出版社