參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑性能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/周書兵 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 重慶 400039

參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑性能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/周書兵 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 重慶 400039

本文分析了綠色建筑性能化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問題，比較分析了參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑性能化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。總結(jié)了目前grasshopper平臺(tái)已經(jīng)集成的性能化分析工具和技術(shù)，并給出了相應(yīng)領(lǐng)域的簡(jiǎn)單應(yīng)用情況。

參數(shù)化技術(shù)；建筑性能化設(shè)計(jì)；綠色建筑

0 引言

隨著國家《綠色建筑行動(dòng)方案》等政策出臺(tái)，以及新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，全國各地紛紛響應(yīng)號(hào)召，綠色建筑事業(yè)發(fā)展的如火如荼。新的標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)師的作品在滿足功能需求的同時(shí)，還應(yīng)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，這無疑是一個(gè)持久性的挑戰(zhàn)。

參數(shù)化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用近年來在國內(nèi)興起。參數(shù)化設(shè)計(jì)方法也在逐漸備受青年設(shè)計(jì)師們青睞，也陸續(xù)產(chǎn)生了一些融入了一些綠色建筑性能化設(shè)計(jì)元素的優(yōu)秀作品[1］～[4］。

本文通過研究參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑性能化設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域和方法，給建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)綠色建筑提供思路。

1 綠色建筑性能化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

綠色建筑的設(shè)計(jì)過程是一個(gè)信息不斷反饋的過程，綠色建筑初期的設(shè)計(jì)成果是后期的設(shè)計(jì)條件，不容易被更改，而方案初期的組團(tuán)布局、建筑朝向、室外環(huán)境等對(duì)建筑節(jié)能有著突出的影響。可以說，初期概念設(shè)計(jì)階段的綠色建筑技術(shù)引入更符合綠色建筑設(shè)計(jì)本質(zhì)，對(duì)最終設(shè)計(jì)的特色、水平和效益影響最大。

然而性能化設(shè)計(jì)應(yīng)用到綠色建筑設(shè)計(jì)過程中存在一系列的問題：（1）應(yīng)用階段 “亡羊補(bǔ)牢”；（2）應(yīng)用過程效率較低；（3）應(yīng)用內(nèi)容獨(dú)立性較高。比較而言，參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑創(chuàng)作中的意義則較為明顯[5］：（1）能直接介入建筑方案的創(chuàng)作；（2）大大減少了方案的優(yōu)化周期，能做到實(shí)時(shí)把控；（3）能進(jìn)行技術(shù)集成，解決復(fù)雜問題。

2 基于grasshopper的綠色建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)工具

Grasshopper（下文簡(jiǎn)稱GH）以rhino插件的形式為廣大建筑設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)參數(shù)化技術(shù)集成平臺(tái)。其自身有許多工具模塊，也提供了很豐富的插件接口，更強(qiáng)大的是，GH還提供有Python、VB、VC、MATLAB等編程接口，也支持部分外部程序的調(diào)用。

目前，GH平臺(tái)上可以集成的綠色建筑性能化設(shè)計(jì)插件已覆蓋各個(gè)領(lǐng)域。GECO調(diào)用ECOTECT做陰影、日照、輻射、采光分析，還能結(jié)合winair做CFD分析[6］。Ladybug可以分析氣象資料，進(jìn)行陰影、日照、輻射、視野等分析。Honeybee可以調(diào)用EnergyPlus、Radiance、Daysim 和 OpenStudio 等軟件用于采光和建筑能耗分析。ArchsimEM用于建筑能耗模擬，其計(jì)算核心調(diào)用的是energyplus。Pachyderm Acoustical Simulation用于室內(nèi)聲音傳播仿真分析。此外，GH還有一些連接BIM平臺(tái)的插件，使在GH平臺(tái)中創(chuàng)建的模型能融入BIM平臺(tái)的深化設(shè)計(jì)中。這些工具的使用，極大的豐富了參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用范圍和手段。

3 綠色建筑性能化設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 地形建模

通過識(shí)別高程數(shù)據(jù)和空間位置，創(chuàng)建高程點(diǎn)；再根據(jù)高層點(diǎn)，創(chuàng)建地形，并可以進(jìn)行后續(xù)工程土石方量計(jì)算和平衡。或者根據(jù)google地圖直接獲取地形數(shù)據(jù)創(chuàng)建區(qū)域地形，對(duì)方案設(shè)計(jì)有較大幫助。

3.2 陰影日照分析

通過對(duì)項(xiàng)目陰影和日照的模擬，能分析擬建項(xiàng)目對(duì)周邊既有建筑的影響，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，保證其滿足日照標(biāo)準(zhǔn)，又不降低周邊建筑的日照標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還能分析出場(chǎng)地陰影范圍，結(jié)合太陽輻射的分析對(duì)常年陽光照射區(qū)域采取綠化等措施，以降低熱島強(qiáng)度，改善室外熱環(huán)境。

3.3 視野分析

視野分析包括室內(nèi)和場(chǎng)地兩種。室內(nèi)視野分析是指室內(nèi)各點(diǎn)對(duì)室外環(huán)境的可見程度。場(chǎng)地視野分析主要用于評(píng)價(jià)標(biāo)志性建筑被場(chǎng)地內(nèi)各區(qū)域可見的程度，或者場(chǎng)地內(nèi)某個(gè)觀測(cè)點(diǎn)能看到場(chǎng)地外的景觀的程度。視野分析在建筑方案布局及旅游建筑中顯得尤為重要[7］。

3.4 自然通風(fēng)模擬

通過對(duì)室外自然通風(fēng)的模擬，能找出方案規(guī)劃中的不合理布置方式，優(yōu)化建筑布局，保證人行區(qū)活動(dòng)舒適和空氣質(zhì)量，優(yōu)化建筑表面風(fēng)壓分布，利于組織室內(nèi)通風(fēng)。同時(shí)也可結(jié)合風(fēng)環(huán)境進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)估與分析[8］。

3.5 自然采光計(jì)算

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于住宅、教育建筑和醫(yī)療建筑的采光作了強(qiáng)制規(guī)定，以保證使用者的舒適性。對(duì)遮陽方案，既要滿足室內(nèi)采光需求，又要達(dá)到夏季減少室內(nèi)得熱，冬季獲得充足陽光的效果，以此初步確定遮陽形式和尺寸，再根據(jù)整體情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)大進(jìn)深空間進(jìn)行分析，采取適當(dāng)措施解決采光不足的問題，減少照明能耗。

3.6 能耗模擬

對(duì)項(xiàng)目的初步方案進(jìn)行能耗模擬分析，可以初步判定各個(gè)因素或措施對(duì)建筑總能耗的影響程度，能分析出遮陽、日照、自然通風(fēng)等措施減少建筑整體能耗的需求的最大值，以進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)決策。還能給出各個(gè)系統(tǒng)的能耗分項(xiàng)指標(biāo)，以找出項(xiàng)目的短板，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以優(yōu)化能耗結(jié)構(gòu)。

3.7 多目標(biāo)優(yōu)化分析

影響建筑場(chǎng)地布局或建筑細(xì)部構(gòu)造尺寸的性能化因素往往不止一個(gè)，這些多因素的影響使性能化設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。通過grasshopper聯(lián)合多目標(biāo)分析，結(jié)合遺傳算法等高級(jí)數(shù)學(xué)求解器，能很好地解決這些問題[9］。建筑朝向、功能布局、開窗尺寸、遮陽構(gòu)件尺寸等因素，影響著建筑室內(nèi)舒適度和建筑能耗，通過多次分析，最優(yōu)化求解，可以平衡各因素對(duì)建筑的影響。

4 結(jié)語

建筑業(yè)的快速發(fā)展必將帶動(dòng)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)模式的逐步轉(zhuǎn)變，其中，感性設(shè)計(jì)向理性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變是重要的轉(zhuǎn)變之一。參數(shù)化技術(shù)以其明晰的邏輯思維過程來解決設(shè)計(jì)中的問題，有著很高的準(zhǔn)確性，提高了設(shè)計(jì)效率。把握參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)，通過使用GH內(nèi)置的各個(gè)程序模塊或者編寫自定義程序代碼，甚至調(diào)用外部軟件，可以實(shí)現(xiàn)建筑群體和建筑單體的建筑性能集成化設(shè)計(jì)及專項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，參數(shù)化技術(shù)在綠色建筑性能化設(shè)計(jì)上的應(yīng)用有著很廣闊的前景，為綠色建筑設(shè)計(jì)師們提供了精確、快速、個(gè)性化的解決方案。

[1]郭芳.Geco在參數(shù)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以哈薩克斯坦阿斯塔納國家圖書館窗洞設(shè)計(jì)為例[J］.城市建筑，2013（6）

[2]朱子曄，紀(jì)晨，李魁山.非線性參數(shù)化設(shè)計(jì)與性能化分析相結(jié)合的嚴(yán)寒地區(qū)航站樓生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)踐——以哈爾濱機(jī)場(chǎng)T2航站樓設(shè)計(jì)方案為例[J］.建筑技藝，2011（1）

[3]王揚(yáng)，李春生，陸超，等.基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的文化建筑綜合體表皮設(shè)計(jì)研究——以煙臺(tái)科技館表皮設(shè)計(jì)為例[J］.南方建筑，2013（3）