基于數字模擬的可持續建筑設計方法

楊曦 閆昱

【摘要】2009年在丹麥哥本哈根召開的全球氣候大會被譽為“拯救人類的最后一次機會”，這次會議上各國專家及政要關注與爭論最多的議題就是碳排放的問題。過去一百多年來的工業文明發展造成大量礦物燃料的燃燒和森林植被的破壞，由此帶來的溫室效應使全球氣候不斷變暖。全球變暖直接造成了海平面上升和旱澇等災害性氣候不斷加劇，此外還會影響物種的生存、生態系統的穩定，并且會導致各種疾病的流行。以CO2為主的碳排放量不斷增加正是溫室效應愈演愈烈的主要原因。2008年，國際能源機構（IEA）在發表的《世界能源評估報告》中提出，經濟急速增長的中國已經超過美國成為世界CO2排放量最大的國家。中國為此承諾到2020年中國單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%—45%。

【關鍵詞】建筑設計;可持續;節能

在我國，公共建筑數量越來越多，建設規模也越來越大，隨之而來的耗能問題也日益突出。有數據表明，大型公共建筑的節能潛力在30%以上，而辦公建筑正是公共建筑中一種較普遍的建筑類型。辦公建筑的需求量較大，同時由于本身功能的復雜性和設計的多樣性，使其對能源和環境的影響較大。由此可見，對辦公建筑的可持續設計方法所進行的一系列探索性的研究具有戰略性的意義。

建筑的可持續設計，不僅對建筑環境工程師、建筑設備工程師提出挑戰，更重要的是對建筑師的挑戰。與發達國家相比，我國建筑師的可持續設計意識尚很缺乏，更多側重于建筑的外觀與功能布置，或者將節能僅僅局限于后期的材料與設備等具體細節設計。但事實往往是：設計初期的策略對建筑方案可持續性能的潛力有著決定性的影響，好的初期策略能達到事半功倍的節能效果。尤其是相對于利用建筑設備對建筑施加能量來維持舒適度的“主動式設計”，通過建筑本身的合理設計和調節來達到創造良好室內外環境的“被動式節能設計”無疑對于有著更大的經濟可行性。同時，計算機科學的發展使場所規劃、朝向、建筑形體、剖面形態、立面形式、基本材料等初期決策都可以通過各種計算機軟件量化模擬進行生態性能的比較及優化，為建筑師在設計初期的節能設計提供了有效的指導和參考。天津泰達現代服務產業區MSD拓展區G、H、I地塊的方案評價與設計是對建筑初期節能設計的一次探索實踐，通過計算機軟件對原有方案及修改方案的環境模擬比較分析，對原方案提出了研究性的設計修改策略，其過程方法為今后的建筑初期節能設計提供了有益的借鑒。

1、中標方案設計構思

該項目的中標方案是由英國的阿特金斯公司所設計，其核心理念是以豐富底層裙房的城市空間創造獨特的城市建筑形態。該方案在總平面設計中采用了“抽屜”模式，使建筑單體之間相互交錯，從而減弱了建筑之間的遮擋，增強了建筑群與周圍城市空間的對話。同時，將建筑之間的場地設計成廣場，并利用連續變化的內街步行系統將相鄰的地塊聯系在一起，形成豐富的外部空間。在建筑的單體設計中，建筑師通過巧妙的建筑語言的演變，不僅保持了建筑群連續的整體性和特點鮮明的建筑形式，局部幕墻和花池的處理也增強了建筑的趣味性。

2、中標方案分析

在阿特金斯的規劃設計方案中體現出了一定的可持續設計策略的運用。如建筑交錯布局可以避免建筑之間的相互遮擋，提高太陽輻射能的利用，也增加了辦公空間的自然采光。這種相互連通、滲透的布局方式也有利于建筑之間的空氣流通，促進辦公空間的自然通風。同時在設計時有效地利用了周圍的集中綠地，并將城市綠化引入建筑群之中，對改善該辦公建筑群的微氣候起到了重要作用。在建筑的單體設計中，采用了簡潔的立方體造型，因此體形系數都比較小，這對于提高建筑的熱工性能有很大作用。在建筑的空間設計方面，布置了大量的綠化空間和綠墻等，起到了溫度阻尼區的作用，其中單體西側的整體綠化空間有效避免了西曬的影響。

然而，筆者通過軟件對GHI地塊進行日照模擬分析后可以看出，阿特金斯的設計方案中日照條件不是很理想。首先，由于南側建筑的遮擋，各層的日照條件比較差，對地面行人的活動和二三層開敞購物平臺的設置均有不利影響。其次，由于南側建筑高度較高且比較密集，對北側建筑的辦公部分的采光遮擋也比較嚴重。

此外，通過風環境模擬可以發現該建筑群的規劃設計對冬夏季的風環境有以下影響：

（1）南側建筑較密集，對北側建筑的夏季通風產生較大遮擋;

（2）北側建筑相對稀疏，不利于為南側建筑遮擋冬季風;

（3）東西相鄰建筑間距過近，易形成樓宇風和狹管風，不利于行人;

（4）夏季南側建筑的背風面和冬季北側建筑的迎風面風情況較差，對開場購物平臺的布置造成影響。

3、總平面調整

由于本次研究是為阿特金斯公司提供方案修改的參考，因此不希望有過大的變動。在新布局中，通過分析軟件模擬的結果，最終采用北側板式南側點式、南北側建筑交錯插空布置的平面設計，并且使各單體高低相隔布置。這樣的總平面布置方式使南側建筑對北側建筑及場地的日照和夏季通風遮擋最小，同時可以避免風廊和樓宇風的形成。

各建筑單體均旋轉了一定角度，這樣可以使建筑群獲得最佳風向投射角。此外，在建筑轉角處采用了流線型處理，避免了高層建筑轉角處易形成的風向及風速紊亂。從模擬結果可以看出該方案的日照及風環境均有明顯的改善（圖7、圖8）。

在對場地規劃分析并調整的過程中可以發現，通過計算機環境模擬，可以較為直觀的發現問題所在。通過對不同方案的對比，以及反復的發現問題并調整的過程，可以得到更加合理宜人的規劃布局，為后面進一步的建筑可持續設計打下基礎。

4、建筑形體調整

建筑單體的被動式節能設計涉及到建筑形體、平面布局、立面設計、維護結構材料、遮陽通風措施等諸多方面。原方案的建筑單體采用典型高層辦公樓形式，方形或矩形的建筑平面，中心布置核心筒，四周為敞開式辦公空間。

在對規劃方案中南側點式建筑的調整中，考慮到其臨街效果及最大化接收太陽輻射和采光，在保證外墻總面積不變的情況下，增大東、南向墻的面積，減小西北向墻的面積。而對于北側板式建筑的調整，由于冬季寒風對其保溫影響較大，因此移動核心筒位置，將其置于建筑北側，以增強建筑整體保溫性能。

利用能耗軟件HTB2進行模擬可以發現，設定人體舒適溫度為18-26℃時，在采用相同外圍護結構情況下（外墻為一般保溫隔熱墻體，傳熱系數1.65;窗采用雙層玻璃窗，傳熱系數2.7），經過平面形式調整后的北側和南側建筑相比原平面形式能耗均有明顯下降。

5、表皮設計

在立面處理上，由于窗體是建筑保溫的薄弱環節，原來 0.7的窗墻比會對建筑整體節能有較大影響，因此考慮根據不同朝向分別適當降低窗墻比。以點式建筑為例，將其窗墻比調整為北向0.25，東西向0.3，南向0.4，同時為了進一步降低夏季進入室內的太陽輻射量，調節自然采光、避免眩光，在南向采用了水平遮陽方式，而在東西向采用了垂直遮陽方式。

利用能耗軟件HTB2模擬可以發現，設定人體舒適溫度為18-26℃時，全年室外溫度為非人體舒適時間為6426小時。以這段時間作為分析對象，在采用相同墻體及窗體材料情況下（外墻為一般保溫隔熱墻體，傳熱系數1.65;窗采用雙層玻璃窗，傳熱系數2.7），原窗墻比情況下需要機械制冷（或制熱）的時間為3840小時，占總小時數59.7%;而改變窗墻比后需要機械制冷或制熱時間為3271小時，占總小時50.9%。

窗墻比的降低雖然會給室內自然采光帶來一定弊端，但是考慮到目前以計算機操作為主的辦公方式，對采光的要求已經較以前降低了許多。根據《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001要求，辦公建筑室內采光系數最低值是2%，室內天然光臨界照度是100lx。用ECOTECT對采光進行模擬發現，在全陰天的最不利條件下，室內絕大部分區域照度均在l00lx以上，滿足采光標準要求。

總結：

隨著計算機軟件技術的成熟，其對建筑的各項數字模擬結果的可靠性越來越高。加之軟件模擬的經濟性和易操作性，軟件在未來的可持續辦公建筑設計中將扮演越來越重要的角色。辦公建筑的形式也將通過參數化設計和軟件模擬的相互結合不斷創新，給建筑師帶來新的創作靈感。此外，結合可持續策略的設計手法將會使得辦公建筑形體不再是千篇一律的玻璃方盒子，而是每一棟辦公建筑都是根據周圍的環境和氣候產生的。這種“量體裁衣”式的設計方法不僅會產生環境友好、舒適、經濟的效果，還會由此為辦公建筑的形體帶來地域性特點。總之，這種基于數字模擬的可持續建筑設計是一種環境友好型的設計方法，可以使建筑更好地適應環境，在一定程度上可以延續建筑的使用壽命。

作者簡介：

楊曦（1985—），男，漢族，山西太原人，碩士，建筑師，中國建筑設計咨詢有限公司，研究方向：可持續建筑設計。