俸 瑜

(重慶大學(xué)B區(qū)建筑城規(guī)學(xué)院 重慶 400044)

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運用數(shù)字技術(shù)的適應(yīng)環(huán)境型建筑表皮設(shè)計初探

俸 瑜

(重慶大學(xué)B區(qū)建筑城規(guī)學(xué)院 重慶 400044)

建設(shè)綠色低碳節(jié)能的城市已是現(xiàn)在建筑設(shè)計的一大趨勢，讓表皮(遮陽、窗洞)實現(xiàn)對不同環(huán)境與變化的環(huán)境相適應(yīng)， 對于節(jié)能控制與空間造型塑造都有重要意義， 結(jié)合造型與節(jié)能技術(shù)進行設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計師可以利用數(shù)字技術(shù)的輔助，在不斷的反饋、優(yōu)化下設(shè)計與環(huán)境契合節(jié)能的理想造型，并且利用數(shù)字技術(shù)進行復(fù)雜建模與模擬建造，并在建筑運行時利用數(shù)字技術(shù)進行可變表皮的控制，同時進行信息反饋，進一步優(yōu)化以后的設(shè)計。

數(shù)字技術(shù);可變表皮;適應(yīng)環(huán)境;綠色節(jié)能

一、運用數(shù)字技術(shù)的適應(yīng)型建筑表皮設(shè)計的需求與趨勢

(一)建筑表皮設(shè)計巨大潛力

建設(shè)綠色低碳節(jié)能城市，用以應(yīng)對氣候的變化已經(jīng)成為國際社會的共識，在這樣的趨勢引導(dǎo)下，建筑的節(jié)能設(shè)計也已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。建筑的表皮包括開窗、遮陽，是實現(xiàn)建筑內(nèi)部空間與外部環(huán)境相互作用與影響的媒介，除了視覺作用與維護作用外，它應(yīng)該還具備良好的熱工性，從而降低建筑的能耗。而建筑的開窗處往往是維護體系熱工性能的薄弱環(huán)節(jié)， 其大小、位置以及用材、構(gòu)造等方面都需從生態(tài)優(yōu)化的角度進行思考定位與設(shè)計。表皮的氣候適應(yīng)性越強，建筑的能耗越低，反之則越高[1]

(二)適應(yīng)型表皮的需求

當(dāng)下不少設(shè)計師在建筑形體完成的基礎(chǔ)上不負責(zé)地任意附上表皮，也有部分設(shè)計師考慮到對遮陽或窗洞的設(shè)計，但是這些建筑的遮陽或表皮大多是采用靜態(tài)的遮陽板、遮陽蓬等，而面對的是動態(tài)的有差異性的因素，不同的地區(qū)的氣候因素，不同季節(jié)的氣候因素，一天不同時間的光照情況的差異，同一建筑界面的不同位置也可能存在光環(huán)境或風(fēng)環(huán)境的差異等等。面對這樣變化的問題與因素，表皮的可變和對環(huán)境的適應(yīng)在表皮的設(shè)計中越發(fā)重要?？烧{(diào)節(jié)節(jié)能構(gòu)件或表皮能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的變化，通過調(diào)節(jié)構(gòu)件的角度和開啟程度，保持建筑室內(nèi)的采光和溫度，為人們帶來舒適的環(huán)境[2]。

(三)數(shù)字技術(shù)運用于適應(yīng)型表皮設(shè)計的優(yōu)勢

1.及時交互式反饋與循環(huán)設(shè)計。綠色建筑的設(shè)計是在建筑設(shè)計與評測體系不斷作用、反饋、循環(huán)的過程，以求得在不斷地推導(dǎo)、演進與循環(huán)中優(yōu)化設(shè)計方案。在一般情況下，建筑設(shè)計與綠色技術(shù)的評估往往是兩個脫離的環(huán)節(jié)，二者的關(guān)系主要是操作上的先后。利用數(shù)字技術(shù)介入建筑設(shè)計的環(huán)節(jié)可以有效的環(huán)節(jié)評測分析的滯后性，能更有效地對設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)進行反饋與調(diào)控，大大節(jié)約循環(huán)的時間與人力成本。

2.合理模擬的科學(xué)性。在建筑的熱工、節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，建筑師常常會的畫一些通風(fēng)、采光的示意圖指導(dǎo)設(shè)計，但由于實際環(huán)境的復(fù)雜或是設(shè)計師知識儲備有限，很多時候這種圖紙是一個理想的狀態(tài)。適應(yīng)型的表皮由于會根據(jù)環(huán)境的變化相適應(yīng)同時還會進行變化，這樣的表皮在形態(tài)上、技術(shù)上、模擬上都會相當(dāng)復(fù)雜。利用數(shù)字技術(shù)介入設(shè)計， 可以對環(huán)境、設(shè)計、建造等進行模擬， 可以真實地了解到方案的情況和問題，使設(shè)計有據(jù)可依，解決適應(yīng)型表皮設(shè)計中的諸多問題。

3.對全生命周期的參與。綠色節(jié)能目標(biāo)下的建筑表皮數(shù)字化設(shè)計，建筑師需要縱觀全局、有始有終，其設(shè)計不應(yīng)只局限于從熱工性能和環(huán)境模擬方面進行生態(tài)建筑分析， 繼而需要通過參數(shù)建模、智能控制等方面進行優(yōu)化設(shè)計，從建筑設(shè)計的前期環(huán)境分析，到設(shè)計的模擬優(yōu)化，到后期實施后的智能控制，在建筑的全生命周期中我們都可以利用數(shù)字技術(shù)參與建筑的不斷優(yōu)化同時探尋更好的模式， 并在這種完整的過程中完善建筑表皮技術(shù)與建筑設(shè)計技術(shù)，從而實現(xiàn)表皮低碳設(shè)計的合理化、高效化、標(biāo)準化。

二、運用數(shù)字技術(shù)進行適應(yīng)環(huán)境型表皮設(shè)計要點

(一)方案設(shè)計的“可視分析”

通過相應(yīng)的分析軟件，可以將評測的數(shù)據(jù)結(jié)果進行整理處理成可視化的數(shù)據(jù)對方案進行反饋與評估，如常見的可以通過顏色的變化分辨遮陽構(gòu)件與室內(nèi)熱輻射的關(guān)系。并且如在Grasshopper等參數(shù)化的平臺軟件中可以通過插件使模擬的數(shù)據(jù)可視化，這樣的好處是可以統(tǒng)一平臺，參數(shù)化平臺下的可視化結(jié)果有利于更為直觀的認識與判斷。這樣可以使評測分析不再是一個設(shè)計方案后脫離的流程與評測結(jié)果，可以與模型相聯(lián)系成為一個動態(tài)、直觀反應(yīng)模型變化的可視化的評測體系。

(二)表皮設(shè)計的控制深化與數(shù)據(jù)反饋優(yōu)化

利用數(shù)字技術(shù)，對建筑與生態(tài)進行模擬得到的參數(shù)與模型可以有效的指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計。例如在方案初步整體平面與體量大致確定情況下，可以通過對不同方案體量表皮陽光輻射量調(diào)整建筑的開窗與遮陽的位置、大小與形式，可以更加有根據(jù)與效率地處理建筑的立面與細節(jié)部分。同時可以在參數(shù)化的關(guān)聯(lián)模型中設(shè)置優(yōu)化算法的模型，使數(shù)據(jù)趨于優(yōu)化方向，同時調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計部分，得到接近理想的滿足生態(tài)評測與設(shè)計效果的輸出結(jié)果[3]。

(三)可視化建模

在可視化建模的幫助下，建筑師可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)使數(shù)字模型不斷調(diào)整更新，支持建筑表皮形態(tài)更加精細靈動，同時通過可視化的建模使建筑表皮向著更加節(jié)能、生態(tài)的方向調(diào)節(jié)。運用腳本編程建模，將環(huán)境因素、建筑形體與數(shù)學(xué)編程相結(jié)合，從而影響表皮形態(tài)的設(shè)計結(jié)果，達到順應(yīng)氣候環(huán)境、低碳節(jié)能的目的。與此同時，經(jīng)過腳本編程之后的表皮形態(tài)更具動態(tài)變化，也可以為建筑帶來別具一格的藝術(shù)特色和視覺沖擊力。

三、運用數(shù)字技術(shù)的適應(yīng)型表皮設(shè)計

(一)在設(shè)計階段的應(yīng)用

在適應(yīng)型表皮設(shè)計階段，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用在對環(huán)境的模擬分析，形態(tài)的推敲與生成，可變模式的選取，材料的選取等。通過使用數(shù)字軟件如Ecotect分析、CFD模擬，在設(shè)計時了解建筑布局和體量所在環(huán)境的微氣候特點，設(shè)置合理的遮陽、窗洞口位置。結(jié)合設(shè)計師想要的空間效果與立面效果，對表皮的形態(tài)，角度，組合方式，構(gòu)成等等進行建模與評測。適應(yīng)型可變的表皮往往是相對于傳統(tǒng)普通表皮是比較精密且復(fù)雜的，可變式表皮中還有許多控制、供電電路，通過模擬建造過程可以解決后期施工的很多問題。

(二)在運行階段的應(yīng)用

可變化的表皮孔洞在充分考慮光線、溫濕度、通風(fēng)、遮陽等事宜后，結(jié)合電腦控制科技協(xié)同自動控制系統(tǒng)，可以改變孔洞的大小、形態(tài)、或者是百葉等構(gòu)件的方向，以達到理想的低碳化、生態(tài)化的功效。同時在很多建筑設(shè)計中運用了智能的日光偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，該技術(shù)利用光線的反射和散射，將照射到室內(nèi)的太陽光方向和強度進行選擇。建筑運用檢測系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運作，隨日光偏轉(zhuǎn)調(diào)整構(gòu)建的角度，改變表皮孔洞的模式，對使用者的需求做出及時反饋。表皮如玻璃幕墻和幕墻外部智能控制的水平金屬百葉，每片百葉可以根據(jù)太陽的方位自動調(diào)節(jié)開啟的角度，以改變透光表皮的孔洞模式。雖然在使用中需要運用電能進行探測和操控，但可以有效地降低夏日降溫能耗以及采光能耗，幫助完成建筑低碳目標(biāo)的實現(xiàn)。

小結(jié)

無論是從節(jié)能設(shè)計角度還是從建筑形態(tài)設(shè)計角度，對于建筑遮陽、窗體、表皮的設(shè)計都有重要的意義，但是也面對很多挑戰(zhàn)，數(shù)字技術(shù)給建筑師帶了很多可能性，彌補了傳統(tǒng)設(shè)計的不足。建筑的表皮的設(shè)計與它的熱工功能不再應(yīng)該是一個被動在建成之后觀察實驗的過程，而是應(yīng)該在建筑的全生命周期開始考慮，具體需求，以低碳可持續(xù)為目標(biāo)，運用數(shù)字技術(shù)的信息傳遞、數(shù)字編程、參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化建模等功能，系統(tǒng)地思考整個表皮設(shè)計過程，以促進建筑低碳化設(shè)計的發(fā)展和創(chuàng)新。

[1]李鋼,李保峰,龔斌.建筑表皮的生態(tài)意義[J].新建筑,2008,(02):14-19.

[2]劉娣.基于節(jié)能技術(shù)影響的建筑表皮構(gòu)成研究[D].北方工業(yè)大學(xué),2016.

[3]翟炳博,徐衛(wèi)國.數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑方案設(shè)計研究[J].城市建筑,2015,(31):114-117.

俸瑜(1993.06-)，男，漢族，四川人，重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院碩士研究生，研究方向：建筑歷史與理論。