■金 倩 Jin Qian

0 引言

隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，圍護結(jié)構(gòu)在不同時期扮演著不同的角色。從最初的能量阻隔者(energy barriers)，到后來的能量傳遞者(energy movers)，再到如今的能量回收利用者(energy harvester)（圖1、2）。這樣一個轉(zhuǎn)變過程，主要源自于人類對于圍護結(jié)構(gòu)通透性的追求，以及對削減室內(nèi)跟室外之間的界限以獲得更多陽光和新鮮空氣的渴望，當然前提是保持較高的室內(nèi)舒適度[1]。

最早對建筑圍護結(jié)構(gòu)性能提出具體要求的是1961年丹麥的（DEN）BR 1961《建筑條例》。如今，建筑圍護結(jié)構(gòu)作為室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境的分界面，設(shè)計師力求采取最有效的措施使其對熱量、聲音、光等環(huán)境條件進行有選擇性的傳遞、過濾或阻隔，從而達到提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、降低建筑整體能耗的目的。為了這些目的，不可避免地會導致在設(shè)計過程中遇到一些矛盾與沖突。例如，提高窗墻比可以與外界環(huán)境建立更多聯(lián)系，同時減少對人工照明的需求，但在炎熱的夏天常常會導致太陽輻射過多地進入室內(nèi)，降低室內(nèi)熱環(huán)境舒適度或引起制冷能耗的增加。而且，室外的天氣條件和室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量需求也在不斷變化，這使得建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計變得更加復雜。例如，夜晚建筑能量的散失對于制冷期是有益的，但對于供暖期來說卻是不利的。因此，我們需要一個可以同時考慮建筑圍護結(jié)構(gòu)多種性能和設(shè)計目標的評價體系和設(shè)計方法，進而在建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計中給出比較綜合的、系統(tǒng)化的最優(yōu)解決方案。

1 針對圍護結(jié)構(gòu)的評價方法

當前的圍護結(jié)構(gòu)評價方法大多只適用于某些比較單一的方面。例如，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189—2015）中提供了針對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的權(quán)衡判斷方法；Komerska和Radhi等采用了全生命周期法對圍護結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響進行分析評估[4][5]; Ghazali等對多種太陽能光伏圍護結(jié)構(gòu)進行了經(jīng)濟性和節(jié)能性分析[6]。 Iwaro等提出了整體性能模型用以評估住宅圍護結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性[7]。Singhaputtangkul等開發(fā)了一個基于智庫的決策支持體系，可對高層住宅圍護結(jié)構(gòu)的各組成材料以及整體結(jié)構(gòu)的環(huán)保性以及可建性進行評價[8]。經(jīng)大量文獻查閱，針對圍護結(jié)構(gòu)的綜合性分析評價方法有以下三個：

圖1 世界上第一座藻類驅(qū)動建筑:德國BIQ House[2]

圖2 美國建筑科技和生態(tài)研究中心開發(fā)的高性能太陽能圍護結(jié)構(gòu)體系[3]

（1）Hendriks &Hens曾提出一個建筑圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)列表（表1）和相應(yīng)的評價方法[9]。通過先對列表中每個參數(shù)采用打分（1～5分），再使用加權(quán)平均數(shù)來體現(xiàn)建筑圍護結(jié)構(gòu)的總體性能。這個方法的優(yōu)點在于，對于每個性能參數(shù)和建筑表皮的整體性能來說，都能得到一個量化的結(jié)果。但同時也存在兩個不足之處：首先，對不同類型參數(shù)的權(quán)重分配是主觀判斷的，由主觀因素存在差異而導致的權(quán)重因子的差別，會使得最終的總體性能指標差別很大。實際上，在后面的兩種方法中也存在同樣的問題。在樣本數(shù)量比較少的時候，此問題尤其突出。第二，在圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能方面考慮得比較少，除了“抗物理撞擊性”外，忽略了結(jié)構(gòu)在其他狀態(tài)作用下（例如風荷載、溫度變化）的性能。

（2）Chen & Clements-Croome提出了包含37個關(guān)鍵性能指標的外墻系統(tǒng)評價體系（表2）[10]。與前一個評價體系相較，這個體系所包含的評價范圍更廣、各方面的性能指標分類更細。但是，這37個指標當中，有的是可量化的(例如“內(nèi)含能”“維護成本”等)，有的指標卻很難量化（例如“美學”），由此對評價結(jié)果產(chǎn)生更大的不確定性。另外，這個體系沒有對獨立參數(shù)和非獨立參數(shù)進行區(qū)分。例如，在“節(jié)能性”指標中，建筑朝向是獨立參數(shù)，其取值會影響建筑能耗等非獨立參數(shù)，也就是說，在評價建筑能耗時會再次計算建筑朝向的影響。因此，建筑朝向這個指標與建筑能耗指標的并列存在不甚合理。

（3）孫林建立了夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)綜合評價指標體系（表3）[11]，從技術(shù)性能、經(jīng)濟效益和社會效益三方面給出比較簡便的評價和比較方法。該體系也基本適用于其他氣候條件。與前兩種體系相較，該體系在物理性能指標方面涵蓋面最廣。另外，施工工藝和成套技術(shù)的適應(yīng)性也被考慮在內(nèi)，這點對于新技術(shù)尤其重要，因為許多新技術(shù)在制造、施工等方面難度非常大，很有可能因達不到要求而對整體質(zhì)量造成影響。此體系同時也存在一些局限。例如，沒有考慮聲學性能，且對經(jīng)濟性的評價不夠全面，沒有對設(shè)計、拆除、再利用等成本的單項評估。

表1 建筑表皮各性能參數(shù)[9]

表2 關(guān)鍵性能指標[10]

2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計工具和軟件

圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計工具可分為概念設(shè)計軟件和深化設(shè)計軟件兩大類。概念設(shè)計軟件操作簡單，使用較方便，可以在較短時間內(nèi)提供比較粗略的計算結(jié)果來輔助初期的設(shè)計。例如，MIT Design Advisor[12]可同時對四種圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案下的建筑能耗、室內(nèi)光照、熱舒適度、以及全生命周期的花費進行對比計算（圖3）。其優(yōu)勢是用戶友好的界面和較短的計算耗時，但計算是基于一些簡化的假設(shè)，且無法模擬比較復雜的圍護結(jié)構(gòu)體系。另外一個計算工具是英國皇家屋宇設(shè)備工程師學會的玻璃圍護結(jié)構(gòu)環(huán)境性能工具[13]。這個工具內(nèi)包含了37種玻璃圍護結(jié)構(gòu)，設(shè)計師在簡單建模后只需輸入設(shè)計目標和設(shè)計限制條件，該工具就可給出滿足需求的圍護結(jié)構(gòu)類型。但此工具的局限也在于僅從既有的圍護結(jié)構(gòu)類型中進行選擇，且無法進行比較系統(tǒng)化的優(yōu)化設(shè)計。

表3 夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)綜合評價指標體系[11]

深化設(shè)計工具/軟件可通過動態(tài)的熱學、光學以及聲學模擬，對建筑圍護結(jié)構(gòu)進行更加精確的、系統(tǒng)化的評估和優(yōu)化設(shè)計。由于建筑圍護結(jié)構(gòu)會在外界環(huán)境條件和室內(nèi)條件變化的影響下，與建筑內(nèi)部的多種設(shè)計因素（例如人工照明、制冷供暖系統(tǒng)等）協(xié)同作用，當前比較通用的方法是以對建筑整體性能的需求為導向，以建筑整體為研究對象，將建筑性能模擬技術(shù)與系統(tǒng)化的優(yōu)化方法相結(jié)合，通過對圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計目標的優(yōu)化計算，最終確定最佳的圍護結(jié)構(gòu)解決方案（圖4）。Zemella等將建筑性能模擬軟件EnergyPlus與進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法（Evolutionary Neural Network Design）相結(jié)合[14]，對某典型辦公空間的外墻進行環(huán)保和節(jié)能分析和優(yōu)化設(shè)計，得出最佳外墻解決方案。Wang等以提高室內(nèi)舒適度為目的[15]，利用建筑性能模擬軟件TAS配合參數(shù)研究法，對新加坡自然通風的住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù)、朝向、窗墻比和遮陽寬度進行了具體設(shè)計。此類方法的優(yōu)勢在于可獲得比較精確的計算結(jié)果，但相對前一類軟件來說，建模操作比較復雜，需要更多專業(yè)知識才可操作，且模型程序運算時間較長。

圖3 MIT Design Advisor 應(yīng)用界面[12]

圖4 以需求為導向的建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價體系存在的問題

隨著圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)的飛速發(fā)展，圍護結(jié)構(gòu)的評價體系和設(shè)計方法也迎來了前所未有的挑戰(zhàn)。新材料和新技術(shù)（如適應(yīng)性表皮）的誕生，以及圍護結(jié)構(gòu)體系多功能化的發(fā)展趨勢，要求針對圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和評價體系不斷更新完善。具體包括：

（1）現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究對象存在單一性，即所針對的圍護結(jié)構(gòu)材料和類型比較局限。大多數(shù)設(shè)計方法僅適用于某些特定的圍護結(jié)構(gòu)類型和材料，無法進行廣泛地應(yīng)用。尤其對于當今前沿的一些圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)，例如適應(yīng)性表皮，尚找不到一套廣泛適用的設(shè)計方法。另外，對既有圍護結(jié)構(gòu)材料體系的相關(guān)屬性、產(chǎn)品信息缺乏一個比較可靠的、覆蓋范圍比較廣的數(shù)據(jù)來源。例如許多材料構(gòu)件的內(nèi)含能無從獲得，這就使相應(yīng)的環(huán)境評估無法進行。因此，伴隨新技術(shù)的開發(fā)，需要將相應(yīng)的設(shè)計方法和評價體系盡快在現(xiàn)有體系上建立完善起來，以適應(yīng)工程設(shè)計的需求。

（2） 現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)的評價體系涉及范圍和標準存在局限性。大多數(shù)評價體系僅針對某些方面的性能指標評價（例如僅考慮節(jié)能性而忽略維護成本），無法對圍護結(jié)構(gòu)進行非常全面的、綜合的、可靠性強的評價。本文第一部分中提到的三個相對來說比較全面的評價方法，也存在性能指標選擇及量化方面的問題。

（3）評價體系和設(shè)計方法的可靠性有待提高。現(xiàn)有評價體系和設(shè)計方法很大程度上依賴于計算機輔助模擬，其可靠性也相應(yīng)地取決于計算機模擬的可靠度。因此，通過短期甚至長期的實驗監(jiān)測，對模擬結(jié)果進行部分或全部驗證，對尚存在誤差的模型進行修正，可以有效提高其可靠度和應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

本文以建筑圍護結(jié)構(gòu)為研究對象，對其評價體系和設(shè)計方法展開討論。通過文獻查閱，發(fā)現(xiàn)大部分評價體系涉及的范圍比較單一，于是挑選了相對來說綜合性更強的三種評價體系進行對比分析。同時也對相關(guān)的概念設(shè)計工具和深化設(shè)計工具的特點進行了討論。在此基礎(chǔ)之上，指出了目前圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計評價所面臨的具體問題和挑戰(zhàn)，并提出了具體可行的建議，為圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化、綜合化的設(shè)計評價方法建立提供了參考。

參考文獻：

[1]Fortmeyer R, Lin n C. Kinetic Architectu re: Designs for Active Envelopes[M]. Melbourne：Images Publishing Group, 2014.

[2]International Building Exhibition IBA Hamburg. S mart Material Houses- BIQ[EB/OL]. [2018-01-03].http://www.iba-hamburg.de/en/themes-projects/thebuilding -exhibition-within-the-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html ?

[3]Center for Architecture S cience and Ecol ogy. High Efficiency Solar Energy Systems[EB/OL]. [2018-01-03]http://www.case.rpi.edu/page/project.php?pageid=1.

[4]Komerska A, Kwiatkowski J, Ruciska J. Integrated evaluation of CO2eq emission and thermal dynamic simulation for different fa ?ade solutions for a typical office building[J]. Energy Procedia, 2015(78): 3216-3221.

[5]Radhi H, Sharples S. Global warming implications of facade parameters: A life cycle assessment of residential buildings in Bahrain[J].Environmental Impact Assessment Review,2013(38): 99-108.

[6]Ghazali A, Salleh E, Haw LC, et al. Performance and financial evaluation of various ph otovoltaic vertical facades on high-rise building in Malaysia[J]. Energy and Buildings,2017(134): 306-318.

[7]Iwaro J, Mwasha A, Williams R G, et al. An integrated approach for sustainable design and assessment of residential building envelope: part I [J]. International Journal of Low-Carbon Technologies,2015, 10(3): 268-274.

[8]Singhaputtangkul N, Low SP, Teo AL, et al. Knowledgebased Decision Support System Quality Function Deployment (KBDSS-QFD) tool for assessment of building envelopes[J].Automation in Construction, 2 013(35): 314-328.

[9]Hendriks L, Hens H. Bu ilding Envelopes in a holistic perspective [M]. Amsterdam, Netherlands: Laboratorium Bouwfysica.,2000.

[10]Chen G, Clements-Croome D J. The assessment of building fa?ade systems, IDCOP Scientific Report Series [M].University of Reading and University of Norwich. 2004.

[11]孫林，夏熱冬冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)綜合評價方法[J].江蘇建筑,2006(5): 48-50.

[12]MIT Design Advisor Team. 2 009. MIT Design Advisor[EB/OL]. [2018-01-03] http://designadvisor.mit.edu/design/.

[13]CIBSE (Chartered Institution of Building Services Engineers).TM35 Environmental Performance Toolkit for Glazed Facades [M]. London: CIBSE,2004.

[14]Zemella G, March D D, Borrotti M, et al. Optimised design of energy efficient buil ding fa?ades via Evolutionary Neural Networks[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(12):3297-3302.

[15]Wang L, Wong N H, Li S. Fa cade design optimization for naturally ventilated residential buildings in Singapore [J].Energy and Buildings, 2007, 39(8): 954-961.