計算機(jī)輔助設(shè)計在綠色建筑設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用綜述

張睿智

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

1 概述

隨著工業(yè)的繁榮與城市的發(fā)展，人類利用自然和改造自然的進(jìn)程加大，在社會進(jìn)步的同時也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境危機(jī)，溫室效應(yīng)、資源短缺以及土地沙化都是亟待解決的難題。而房屋建設(shè)作為城市化進(jìn)程的主角之一，越來越為人們所期待成為轉(zhuǎn)型的主力軍，因此“綠色建筑”的理念產(chǎn)生了。同時，計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入成熟階段，其在綠色建筑設(shè)計過程、評估、模擬和實現(xiàn)中所體現(xiàn)出的優(yōu)勢使得CAD最終成為綠色建筑設(shè)計不可或缺的工具之一。介于“CAD在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用”這一議題日益為人們所關(guān)注，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也層出不窮，這其中宏微兼具，乏善可陳，本文主要將對2001年～2013年國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)做出綜合論述，羅列重要觀點、觀點的相關(guān)性、可靠性以及重要實例并做出相應(yīng)的評價與建議，以達(dá)到為廣大同僚奠定理論基礎(chǔ)、提供延伸契機(jī)的目的。這一時期內(nèi)，文獻(xiàn)整體呈現(xiàn)出從微觀走向宏觀、國內(nèi)國際步調(diào)不一致的特點，本綜述將采用從觀點的宏觀性到微觀性的組織次序，見圖1。

圖1 綜述思維導(dǎo)圖

2 CAD在綠色建筑設(shè)計領(lǐng)域綜述

2.1 三個主要的歷史發(fā)展階段

計算機(jī)輔助設(shè)計誕生于20世紀(jì)60年代的美國，1973年，致力于滿足建筑設(shè)計師需求的CAD(計算機(jī)輔助建筑設(shè)計)作為其分支應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)70年代～90年代之間，計算機(jī)在建筑設(shè)計方面的使用日趨合理化、實用化，特別是在建筑設(shè)計的進(jìn)程中得到相當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)。一個重要的應(yīng)用是CAD繪圖技術(shù)，它幫助建筑設(shè)計師從繁雜的工作當(dāng)中解放出來，例如計算機(jī)繪制建筑草圖和透視圖的應(yīng)用。21世紀(jì)以來，計算機(jī)數(shù)字圖像信息處理和仿真模擬技術(shù)日趨成熟，特別是其模擬功能在對象成形和處理以及虛實同步上顯示出的優(yōu)越性使得CAD越來越體現(xiàn)出其重要性。與此同時，綠色建筑理念、生態(tài)建設(shè)以及建筑環(huán)境一體化也逐漸進(jìn)入人們的視線。計算機(jī)輔助模擬仿真因此被應(yīng)用到綠色建筑設(shè)計領(lǐng)域，并在促進(jìn)生態(tài)建筑的實踐和研究方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

從近3年中文文獻(xiàn)中可知，宏觀上來看，綠色建筑設(shè)計的過程反復(fù)多變的特點決定了計算機(jī)在其輔助設(shè)計中顯現(xiàn)出階段——整體性和循環(huán)性，每一階段有明確目標(biāo)和方法論，階段間有層次關(guān)系，將不同階段結(jié)合成為整體;而階段本身需要不斷修改和完善又是其循環(huán)性的體現(xiàn)［3］。另一方面，節(jié)能減排應(yīng)為設(shè)計過程中貫徹始終的主要目的，也正是仿真模擬應(yīng)用的主要平臺［1］。我國最早涉足此領(lǐng)域在2006年，根據(jù)GB/T 50378-2006綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)參照CASBEE(Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency，日本研制的綠色建筑評價系統(tǒng))為2008奧運(yùn)會開發(fā)的《綠色奧運(yùn)建筑評估體系》，在此之前國際上已有諸多較為成熟的評價系統(tǒng)如 LEEDTM，NABER，GBC等［2］。計算機(jī)輔助的綠色評價系統(tǒng)實則為宏觀循環(huán)性提供了切實可行的手段，是綠色建筑設(shè)計反復(fù)修正的根據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。就國際上的形勢來看，目前較為先進(jìn)的評估體系主要運(yùn)用在房屋采光和供暖上，如TRNSYS(動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件)即被應(yīng)用在評估水平遮陽板的設(shè)計當(dāng)中［4］。為計算機(jī)評估綠色建筑設(shè)計體系提供有力支撐的當(dāng)屬計算機(jī)輔助設(shè)計的模擬仿真技術(shù)，全方位的BIM(建筑信息建模)、首創(chuàng)的精確定量以及具有極大參考價值的知識庫體系共同完善和升級了計算機(jī)輔助設(shè)計的模擬功能。

1)BIM。高集成化的BIM融合了各種相關(guān)工程數(shù)據(jù)，可兼容多種相關(guān)建筑模型軟件如ECOTECT和GBS等，從而成為仿真模擬技術(shù)的中堅優(yōu)勢［1］。一方面，其可視化建筑模型在綠色建筑設(shè)計過程當(dāng)中不僅將建筑物本身的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)直觀體現(xiàn)，還將周邊環(huán)境的信息攝入處理，直接實現(xiàn)建筑環(huán)境一體虛擬成形，摒除了傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗論、不可重復(fù)的弊病。另一方面，由于BIM的專業(yè)化、集成化，大量的建筑設(shè)計及結(jié)構(gòu)信息的部分或整體模型大大減輕了建筑設(shè)計師的工作量，也一定程度上實現(xiàn)了建筑設(shè)計的模塊化。由于BIM乃計算機(jī)輔助設(shè)計模型，其開發(fā)維護(hù)也需要不斷更新完善。意大利研究者F.Gugliermetti和 F.Bisegna于2006年簡化完備了外部遮陽設(shè)備的算法，加快了運(yùn)行速度，極其注重節(jié)能隔熱效果更加體現(xiàn)環(huán)境友好的意義［5］。

2)精確定量。傳統(tǒng)建筑設(shè)計方法難于解決精確定量的問題，也就無從談起模擬技術(shù)。計算機(jī)輔助設(shè)計強(qiáng)大的計算能力和數(shù)據(jù)處理能力首先將人類社會環(huán)境數(shù)字化，如溫度、光照、濕度等，不僅記錄了歷史數(shù)據(jù)，而且生成均值、預(yù)測值、經(jīng)驗值直接模擬應(yīng)用進(jìn)入建筑設(shè)計場景。例如SUNTOOL模擬某年某日的光照在虛擬建筑物內(nèi)形成光照域并得出精確值反饋給設(shè)計者［5］。更加值得注意的是，定量模擬同時也實現(xiàn)了模擬的動態(tài)化，它可以根據(jù)錄入的時間軸和力學(xué)模型，直接改變對象角度或依據(jù)理論記錄對象運(yùn)動軌跡及其物理特征，得到綠色建筑物的最終使用效果。

3)知識庫體系。計算機(jī)輔助設(shè)計利用其驚人的存儲和調(diào)用能力，建立起具有巨大參考意義的知識庫體系，知識庫集結(jié)了除像BIM等模塊化工程數(shù)據(jù)外的又一大專家案例庫，從一定程度上實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化［2］。知識庫體系可以被直接運(yùn)用于兩大方式:等級化，這種方式體現(xiàn)了軟件友好型的特點，通過人機(jī)交互的方式，設(shè)計師根據(jù)自身要求自選等級，避免僵化;模板化，體現(xiàn)軟件智能的特點，易上手，根據(jù)已有的知識庫生成模板供設(shè)計師參考或直接使用，解放勞動力，利于批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語

計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的迅猛發(fā)展和其在建筑設(shè)計行業(yè)突出的革命性，使CAD以及配套軟件必將在綠色建筑設(shè)計舞臺上生輝。就目前國際趨勢來看，BIM和知識庫體系正在逐步走向簡化、標(biāo)準(zhǔn)化和環(huán)境友好化，為更高層次的模擬仿真奠定了堅實基礎(chǔ)。同時，由于計算機(jī)處理系統(tǒng)的升級不斷滿足數(shù)據(jù)量化的需求，綠色建筑設(shè)計評估體系也在向著動態(tài)評估的方向發(fā)展。CAD的全方位提升意味著此技術(shù)不但將會充分配合建筑設(shè)計的階段——整體性和循環(huán)性，還將突破現(xiàn)有認(rèn)識進(jìn)入到綠色建筑設(shè)計的調(diào)研勘測階段［6］，真正做到全面輔助行業(yè)發(fā)展。

［1］Lei Z，Weifang Y.BIM Technology of Computer Aided Architectural Design and Green Architecture［J］.IEEE Symposium on Robotics and Applications(ISRA)，2012(12)：91-93.

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［3］毛鴻霖.淺析計算機(jī)輔助建筑設(shè)計與綠色建筑設(shè)計結(jié)合［J］.科技傳播，2010(6)：9-11.

［4］Datta G.Effect of fixed horizontal louver shading devices on thermal perfomance of building by TRNSYS simulation［J］.Renewable Energy，2001(23)：25-27.

［5］Gugliermetti F，Bisegna F.Daylighting with external shading devices：design and simulation algorithms［J］.Building and Environment，2006(41)：78-80.

［6］Yuan C，Ng E.Practical application of CFD on environmentally sensitive architectural design at high density cities：A case study in Hong Kong［J］.Urban Climate，2013(12)：98-100.

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［8］袁春曉，于 軍.計算機(jī)輔助綠色建筑設(shè)計初探［J］.建筑科學(xué)，2010(22)：7-9.

［9］王鵬飛.淺談計算機(jī)輔助建筑設(shè)計與綠色建筑設(shè)計的結(jié)合［J］.智慧城市，2013(6)：53-54.