建筑圍護結構評價體系與設計方法探討

■金 倩 Jin Qian

0 引言

隨著建筑技術的不斷發展，圍護結構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）。這樣一個轉變過程，主要源自于人類對于圍護結構通透性的追求，以及對削減室內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舒適度[1]。

最早對建筑圍護結構性能提出具體要求的是1961年丹麥的（DEN）BR 1961《建筑條例》。如今，建筑圍護結構作為室內環境與室外環境的分界面，設計師力求采取最有效的措施使其對熱量、聲音、光等環境條件進行有選擇性的傳遞、過濾或阻隔，從而達到提高室內環境質量、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境建立更多聯系，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，降低室內熱環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的環境質量需求也在不斷變化，這使得建筑圍護結構的設計變得更加復雜。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構多種性能和設計目標的評價體系和設計方法，進而在建筑圍護結構的設計中給出比較綜合的、系統化的最優解決方案。

1 針對圍護結構的評價方法

當前的圍護結構評價方法大多只適用于某些比較單一的方面。例如，《公共建筑節能設計標準》（GB50189—2015）中提供了針對圍護結構熱工性能的權衡判斷方法；Komerska和Radhi等采用了全生命周期法對圍護結構的環境影響進行分析評估[4][5]; Ghazali等對多種太陽能光伏圍護結構進行了經濟性和節能性分析[6]。 Iwaro等提出了整體性能模型用以評估住宅圍護結構的可持續性[7]。Singhaputtangkul等開發了一個基于智庫的決策支持體系，可對高層住宅圍護結構的各組成材料以及整體結構的環保性以及可建性進行評價[8]。經大量文獻查閱，針對圍護結構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動建筑:德國BIQ House[2]

圖2 美國建筑科技和生態研究中心開發的高性能太陽能圍護結構體系[3]

（1）Hendriks &Hens曾提出一個建筑圍護結構性能參數列表（表1）和相應的評價方法[9]。通過先對列表中每個參數采用打分（1～5分），再使用加權平均數來體現建筑圍護結構的總體性能。這個方法的優點在于，對于每個性能參數和建筑表皮的整體性能來說，都能得到一個量化的結果。但同時也存在兩個不足之處：首先，對不同類型參數的權重分配是主觀判斷的，由主觀因素存在差異而導致的權重因子的差別，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。在樣本數量比較少的時候，此問題尤其突出。第二，在圍護結構的結構性能方面考慮得比較少，除了“抗物理撞擊性”外，忽略了結構在其他狀態作用下（例如風荷載、溫度變化）的性能。

（2）Chen & Clements-Croome提出了包含37個關鍵性能指標的外墻系統評價體系（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”），由此對評價結果產生更大的不確定性。另外，這個體系沒有對獨立參數和非獨立參數進行區分。例如，在“節能性”指標中，建筑朝向是獨立參數，其取值會影響建筑能耗等非獨立參數，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圍護結構節能技術綜合評價指標體系（表3）[11]，從技術性能、經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的適應性也被考慮在內，這點對于新技術尤其重要，因為許多新技術在制造、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，且對經濟性的評價不夠全面，沒有對設計、拆除、再利用等成本的單項評估。

表1 建筑表皮各性能參數[9]

表2 關鍵性能指標[10]

2 圍護結構設計工具和軟件

圍護結構的設計工具可分為概念設計軟件和深化設計軟件兩大類。概念設計軟件操作簡單，使用較方便，可以在較短時間內提供比較粗略的計算結果來輔助初期的設計。例如，MIT Design Advisor[12]可同時對四種圍護結構設計方案下的建筑能耗、室內光照、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，且無法模擬比較復雜的圍護結構體系。另外一個計算工具是英國皇家屋宇設備工程師學會的玻璃圍護結構環境性能工具[13]。這個工具內包含了37種玻璃圍護結構，設計師在簡單建模后只需輸入設計目標和設計限制條件，該工具就可給出滿足需求的圍護結構類型。但此工具的局限也在于僅從既有的圍護結構類型中進行選擇，且無法進行比較系統化的優化設計。

表3 夏熱冬冷地區圍護結構節能技術綜合評價指標體系[11]

深化設計工具/軟件可通過動態的熱學、光學以及聲學模擬，對建筑圍護結構進行更加精確的、系統化的評估和優化設計。由于建筑圍護結構會在外界環境條件和室內條件變化的影響下，與建筑內部的多種設計因素（例如人工照明、制冷供暖系統等）協同作用，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與系統化的優化方法相結合，通過對圍護結構相關設計目標的優化計算，最終確定最佳的圍護結構解決方案（圖4）。Zemella等將建筑性能模擬軟件EnergyPlus與進化神經網絡設計方法（Evolutionary Neural Network Design）相結合[14]，對某典型辦公空間的外墻進行環保和節能分析和優化設計，得出最佳外墻解決方案。Wang等以提高室內舒適度為目的[15]，利用建筑性能模擬軟件TAS配合參數研究法，對新加坡自然通風的住宅建筑圍護結構的導熱系數、朝向、窗墻比和遮陽寬度進行了具體設計。此類方法的優勢在于可獲得比較精確的計算結果，但相對前一類軟件來說，建模操作比較復雜，需要更多專業知識才可操作，且模型程序運算時間較長。

圖3 MIT Design Advisor 應用界面[12]

圖4 以需求為導向的建筑圍護結構設計方法

3 圍護結構設計和評價體系存在的問題

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

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

（2） 現有圍護結構的評價體系涉及范圍和標準存在局限性。大多數評價體系僅針對某些方面的性能指標評價（例如僅考慮節能性而忽略維護成本），無法對圍護結構進行非常全面的、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）評價體系和設計方法的可靠性有待提高。現有評價體系和設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測，對模擬結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用價值。

4 結語

本文以建筑圍護結構為研究對象，對其評價體系和設計方法展開討論。通過文獻查閱，發現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。同時也對相關的概念設計工具和深化設計工具的特點進行了討論。在此基礎之上，指出了目前圍護結構的設計評價所面臨的具體問題和挑戰，并提出了具體可行的建議，為圍護結構系統化、綜合化的設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，夏熱冬冷地區圍護結構節能技術綜合評價方法[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.