基于協同學的低能耗公共建筑設計體系建構

田一辛 黃瓊

摘要：建筑與外界環境有物質、能量和信息交換，是開放的復雜系統。協同學重視系統的整體性，研究子系統如何合作，在宏觀尺度上產生空間、時間或功能結構。引入協同學理論，有助于系統性研究低能耗建筑。基于序參量和自組織原理，提取影響建筑能耗的序參量，建立低能耗建筑結構框架和設計流程。

關鍵詞：協同學；序參量；低能耗；公共建筑設計

中圖分類號：TU242 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）01-0001-05

一、引入協同學的必要性

西方各國節能建筑設計先后經歷了從經驗化的定性分析到數字化的定量模擬，從單一技術的移植嫁接到多種技術的集成應用，從各階段相互脫離到全壽命周期統籌兼顧的轉變過程，逐漸向以跨學科研究為基礎、多專業協同配合的交互式、智能化、整合設計方向發展。低能耗建筑設計的發展不僅是技術平臺的更新，更是低能耗建筑設計理論的交叉衍化和低能耗設計方法、流程的重構[1]。

當代科學研究最高技巧是拆分，即把問題分解成盡可能小的部分，但忽視了對細部的重組。20世紀中葉系統科學和非線性思維崛起，揭示了簡單性與復雜性、有序性與無序性、確定性與隨機性等現象的普遍存在，將人類社會與自然界的普遍規律聯系起來，形成新的自然觀。伊·普里戈金認為，線性和非線性之間的一個明顯區別就是疊加性質有效還是無效，在線性系統里兩個不同因素的組合只是簡單疊加，但在非線性系統中，一個微觀的因素能導致無法衡量的戲劇性結果……可能導致突變[2]。協同學針對復雜性的相關研究將非線性科學推向宇宙各層級，挖掘和發展系統的良性漲落。引入協同學有助于低能耗建筑設計方法論的研究，對低能耗建筑及其子系統的協同具有理論指導意義。

協同學理論在城市規劃和建筑領域已有初步探索，如廈門大學王慧提出基于協同學的廈漳泉都市圈發展策略，明確協同學的創立與發展為區域一體化的協調發展提供了理論基礎與實踐指導[3]，邱宏等提出區域協同理念下山地城市空間統籌規劃策略[4]。在建筑界的協同探索多是關于協同學的基礎和核心概念——非線性、系統論、自組織等，如劉洋等學者研究混沌理論對建筑與城市設計領域的啟示和應用[5]，韓昀松提出基于協同學的高層建筑形態自組織與自適應創作研究[6]。

二、協同學理論主要概念

斯圖加特大學教授、著名物理學家哈肯于1971 年首次提出了“協同”概念，其后發表《協同學導論》《協同學》《高等協同學》等著作。協同學的研究對象為：由完全不同性質的大量子系統所構成的各種系統，這些子系統通過合作在宏觀尺度上產生空間、時間或功能結構。

（一）序參量

協同學的動態原則中，方式的增長率起決定性作用，增長率最高的方式通常獲得優勢并決定宏觀結構，幾個這樣的集體運動也稱之為序參量[7]。影響系統的要素很多，但是有主次之分，序參量是影響系統結構的關鍵因素，序參量與被支配系統之間的一系列相互關系可用數學模型來處理[7]。對于低能耗建筑體系而言，將降低能耗、加強利用自然資源的設計參數稱之為參量，利用參量對能耗的敏感性，提取敏感度高的參量為序參量。如英國建筑師諾曼·福斯特設計倫敦市政廳，以降低太陽輻射得熱為目標，將建筑傾斜度、寬度、高度等作為序參量，

用微型工作站（MicroStation）調整優化建筑體型。在低能耗建筑研究中，王麗娟、楊柳利用主成分分析法得出窗墻比、體形系數、圍護結構傳熱系數對西安、北京、拉薩的建筑能耗影響是有差異的[8]，孫澄帶領的團隊對空間設計參量的敏感性有系列分析，分析開間進深比、樓層數、各朝向窗墻比、外墻屋面傳熱系數等設計參量對整體能耗的敏感性[9]，及外窗透過率、進深、窗墻比、朝向等設計參數的節能敏感性[10]。

（二）自組織

自組織是系統在外參量的驅動下，子系統間通過非線性作用產生協同現象和協同效應，在宏觀尺度上形成空間、時間或功能的有序結構。簡言之，系統形成怎樣的結構，并不取決于外界環境提供的信息或給出的指令，而是由系統內部自行組織[11]。協同學把系統的有序稱為“自組織”，子系統間會出現差異性漲落，自組織的任務則是扶持和放大良性漲落，抑制和衰減不良漲落，使系統達到高級有序（圖1）。孔宇航在著作中提到建筑的自組織演化研究重點在建筑空間進化與自身更新上，從而分析建筑空間系統在與外界能量交換過程中的自組織形態，解析自組織系統在演化過程中發展的誘因和途徑[1]。

三、低能耗公共建筑設計體系架構

（一）基于節能目標的序參量

降低建筑能耗可從兩方面考慮，一是降低能耗需求量，二是增加自然資源的利用。建筑能耗由照明能耗、采暖空調能耗和通風能耗共同構成，之間存在合作競爭關系。例如：自然采光可降低照明能耗，但也會影響建筑的采暖或制冷能耗。因此，建筑節能研究不可孤立片面地看問題，而應系統性研究照明、自然通風、采暖、降溫等，以整體性能最佳為設計目標。

公共建筑節能設計標準的參量限值變化，證明了以上參量的控制有利于節能（表1）。公共建筑的耗熱量主要由圍護結構傳熱耗熱量和空氣滲透耗熱量兩部分組成，隨著技術的進步，圍護結構的傳熱系數和氣密性都有較大發展。以寒冷地區屋面傳熱系數為例，20世紀80年代屋面的傳熱系數為1.26 W/（m3·K），2005年規范最大允許值0.55，相對于80年代節約了56.3%，這一數值在2015年規范中提高為0.45，相對于2005年規范提高了18.2%。外窗氣密性由2005年的4級提高為大于6或7級。

（二）系統建構原理

1.整體性

系統是由各子系統按一定結構組合起來的整體，開放系統的特性在于整體性，即各個部分之間的相互聯系，自然環境的特性也是如此。低能耗建筑充分利用建筑所在環境的自然能源，因此需要重視建筑的整體性。

2.動態性

非線性科學表明環境具有復雜性和變動性特征，難以用靜止規則描述，應注重低能耗建筑與環境在時空上的關系。例如，建筑與周圍環境的熱傳遞——輻射、對流和導熱均為動態，建筑能耗隨日出日落和季節呈周期性變化。時間參數的關鍵作用也導致了一個特點——隨機性，因此，在低能耗建筑研究中越來越多引入遺傳算法、神經網絡分析法等涉及隨機性的優化算法。

3.開放性

建筑是人類在自然環境中建造的遮蔽所，與外部環境的能量交換從未停止，是一個開放系統。節能建筑運用協同學原理將建筑嵌入環境，使建筑與環境共生，建筑成為物質和能源流通的一個環節，而不是終端。

4.層次性

由于子系統之間的差異，包括序參量和節能策略的差異，子系統在地位與作用、結構與功能上表現出等級秩序。為了深化研究，可先從低能耗建筑體系的不同層次入手，然后進行耦合研究。

（三）低能耗建筑自組織系統建構

早期建筑作為遮蔽所，自然環境和社會環境的物質、信息和能量輸入與輸出基本平衡。隨著技術發展，人類對環境的控制力逐漸增強，自然環境對建筑的影響變弱，生態平衡被打破，建筑呈現高能耗舒適型特征。但是，面臨能源危機和環境惡化，人們意識到需發展低能耗建筑。從1986年到2015年的節能建筑標準可發現，對節能建筑的認知已從簡單系統轉變為復雜系統，早期重視建筑和采暖節能，2005年的規范增加了制冷節能，2015年的規范添加了給水排水、電氣和可再生能源方面的節能內容，但建筑本體的節能是不變的主題。

在低能耗建筑自組織體系中按照環境、建筑與人的關系將建筑劃分為室外環境、圍護結構和內部空間3個子系統，子系統的競爭協同關系促進自組織的發展（圖2）。各子系統有不同的構成，對應不同的序參量，如：傳熱系數、窗墻比、體形系數等是圍護結構的序參量。低能耗建筑以利用自然資源

降低能耗量為優先原則，其次利用技術設備降低能耗量，對不同的子系統有不同的設計策略，如：界面設計和遮陽是圍護結構的對應策略（表2）。

低能耗建筑協同設計流程首先是設定目標，目標可涉及能耗、熱性能、光性能等；其次是對設計信息的處理，幾何信息、材料信息、構造信息、運行信息是設計參量方面，地理位置信息、日照環境信息、室外溫濕度信息、室外風環境信息等是設計條件方面；然后對設計方案進行能耗模擬與評價；最后是信息反饋與設計優化（圖3）。

四、結語

協同學理論引入建筑設計領域，有助于將建筑作為開放系統來研究，通過序參量和自組織原理解析低能耗公共建筑。按照環境、建筑與人的關系將低能耗建筑分解為3個子系統，從子系統構成、設計參量和節能策略層面進行研究，并提出低能耗建筑設計流程。

參考文獻：

[1]孔宇航.非線性有機建筑[M].中國建筑工業出版社，2012.

[2]伊·普里戈金，伊·斯唐熱.從混沌到有序——人與自然的新對話[M]. 曾慶宏，沈小峰，譯.上海：上海譯文出版社，1987.

[3]閻欣，尹秋怡，王慧.基于協同學理論的廈漳泉都市圈發展策略[J].規劃師，2013，29（12）：34-40.

[4]邱宏，吳斌，盧亞娟.區域協同理念下山地城市空間統籌的規劃應對——以福建省三明市為例[J].規劃師，2016，32（1）：35-39.

[5]劉洋.混沌理論對建筑與城市設計領域的啟示[J].建筑學報，2004（6）：32-34.

[6]韓昀松，姜宏國，孫澄.基于數字技術的高層建筑形態自組織與自適應創作研究[J].城市建筑，2012（9）：68-70.

[7]赫爾曼·哈肯.協同學大自然構成的奧秘[M]. 復華，譯.上海：上海譯文出版社，2001.

[8]王麗娟.寒冷地區辦公建筑節能設計參數研究[D].西安：西安建筑科技大學，2007.

[9]孫澄，劉蕾.嚴寒地區辦公建筑整體能耗預測模型建構研究[J].建筑學報，2014（S2）：86-88.

[10]劉蕾，梁靜，孫澄.嚴寒地區辦公建筑自然釆光性能預測模型建構[J].新建筑，2015（5）：46-51.

[11]郭治安.協同學入門[M].四川：四川人民出版社，1988.

[12]鄒輝霞.供應鏈協同管理——理論與方法[M].北京：北京大學出版社，2007.