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建筑设计中的技术导则研究.rar

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    编号:20181101170526783    类型:共享资源    大小:764.91KB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    建筑设计 中的 技术 研究
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    建筑设计方案阶段的技术导则初探吕帅 11 清华大学建筑学院lyushuai@sina.com, 359901298@qq.com摘要:技术导则是在建筑方案阶段实现“设计结合技术”的重要途径。本文通过与其它方法的横向对比强调了技术导则的作用与优越性,并指出技术导则获取的困难是其在设计中发挥作用的主要制约因素。在改进既有获取方法的基础上,本文提出了一种新的技术导则获取方式:即“参数化建模-模拟-统计”的方法,并以中庭采光导则的获取为例阐释了这种方法的技术路线,证明了其有效性。摘要:技术导则,方案阶段,参数化设计,性能模拟,中庭采光Research on Technical Guidelines of Architecture Design in the Schematic StageLU Shuai11 School of Architecture, Tsinghua University.lyushuai@sina.com, 359901298@qq.comAbstract: Technical Guidelines are defined as the requirements or suggestions on architecture design regarding technical performances, which describe the relationships between technical criteria and formal characteristics. This paper emphasizes the advantages of using technical guidelines in the schematic design stage in pursuing better architectural technical performances by comparing with other methods, and then indicates that the difficulties of acquiring are the main restriction of technical guidelines. Based on the research of existing methods, this paper raises a new method of acquiring technical guidelines: ‘parametric model-simulation-regression’ method, and then takes the atrium daylighting as an example, showing the technical route of the new method and also demonstrating its validity. Keywords: Technical Guidelines, schematic design stage, parametric design, simulation, atrium daylighting. 1. 技术导则在建筑方案阶段的作用建筑师在方案阶段进行建筑形体创作时必须将获得良好的技术性能作为重要目标 ① 。这是由于建筑的形体设计对建筑性能(如日照、采光、通风、声音品质等)具有决定性作用,如果一味通过后期深化或依赖建筑设备不仅只能在受限的范围内提升建筑的技术性能,而且耗资耗能,不符合可持续设计的要求(图 1.1) 。因此,在建筑形体设计阶段便考虑建筑性能要求对提升建筑品质意义重大, “设计结合技术”的理念也愈发得到建筑师的认同。图 1.1 性能提高效果(蓝线) 、实现成本(红线)与项目阶段的关系图,方案阶段是提高性能的最有效阶段1.1 方案阶段 “设计结合技术 ”的实现方式让技术要求融入设计中并非易事。建筑设计并不是纯粹的工程,除了技术要求外其还必须权衡考虑人文、社会、艺术等内容,因此不可能完全机械地按照技术要求来做设计,更不可能形成一套普适的、能保证方案符合全部要求的“设计守则” 。在现阶段, “设计结合技术”主要通过以下几种方式实现:1)经验不可否认,即使在数字技术迅猛发展的今天,经验依然是建筑师做设计、特别是考虑形体与技术性能关系的重要依据和有效手段。经验丰富的建筑师往往能够巧妙地协调包括技术性能在内的各种设计要求,创作出符合要求的建筑形体。然而,经验的获得主要依赖于建筑师的执业经历、受教育程度等,不具有可复制性和可学习性;同时,经验很难对复杂问题进行可靠判断。因此,经验对“设计结合技术”的作用并不在本文的讨论范围。2)技术导则技术导则即以技术性能作为依据对设计提出的要求或建议,其实质是描述某个(或某几个)性能指标与某个(或某几个)形体特性的关系,例如:“体形系数较小有利于建筑节能” , “提高窗地比能够提升自然采光性能”等。通常情况下技术导则是直观的、非严格定量的,故在追求精确、定量的今天显得“落后” 、 “陈旧”而丧失重视。3)缩尺模型实验与建筑性能模拟缩尺模型试验和建筑性能模拟的目的都是在实际建造前,通过模拟建成后的环境场景对建筑的性能进行预测,不同之处在于实现场景的媒介——缩尺的实体模型或计算机虚拟模型。近年来,计算机模拟的精度逐步提高而技术难度降低,因而逐渐取代了缩尺模型实验成为性能预测的主要方法,在实际的设计过程中也获得了越来越广泛的应用。4)建筑性能优化建筑性能优化即以某个或某几个建筑性能为目标,利用计算机智能(遗传算法、退火算法等)对建筑方案进行自动寻优,从而快速找到特定评价标准下的最优方案。其本质是利用计算机代替人工对方案进行筛选,能够更高效地找到满足性能要求的方案,减少尝试与修改的工作量,提升工作效率。因其巨大潜力而成为近年来的研究热点之一。1.2 技术导则在方案阶段的应用优势尽管性能模拟和性能优化更为定量、更为精确,但建筑设计实践中的反馈表明,这两种方式仍然只能作为最终设计成果的评价手段,而不能与方案阶段的设计推敲过程相融合;相反,看似非精确、非定量的技术导则却对设计的技术性能提升有重要作用。以建筑能耗为例,虽然各种能耗模拟软件、优化方法层出不穷,但在方案阶段建筑师最常使用的准则依然是“体形系数较小有利于建筑节能”这一技术导则。这种现象并非性能模拟、性能优化等工具尚不成熟所致,而是由于设计导则这一方法本身能更好地适应方案阶段的设计特点,其优势主要体现在以下方面:1)描述变化趋势而非评价现状如前文所述,建筑设计的方案阶段不可能有普适的、能保证方案符合全部要求的“设计守则” ,更多时候建筑师必须通过反复“尝试-评价-修改”的过程完成设计方案。因此,比起当前方案的性能水平(现状评价) ,建筑师更加关注如何修改方能使方案变得更好(变化趋势) 。设计导则往往包含变化趋势信息,从而能够给建筑师修改方向的指导(如欲降低建筑能耗则考虑修改设计以减小体形系数) ;性能模拟只能给出较为精确的现状评价,无法给出修改意见;性能优化则更加极端,直接带给建筑师所谓“最佳方案” ,同样没有过程分析。2)指导“较优”而非确定“最优”除技术性能外,建筑师还必须全盘考虑建筑的人文、社会、艺术等多种要求,这些要求经常是相互矛盾的,必须加入主观的取舍和权衡,因此设计方案大多是为了实现多个评价指标达到“较优”而互相妥协的结果,绝对的“最优”方案是不存在的。某个或某些指标的“最优”却很可能导致其它要求的不满足,这也即性能优化所得到的“最佳方案”常行不通的原因;与之相对,技术导则并不强调“最优” ,却能通过形体与性能之间关系的描述帮助建筑师在其它性能可接受的基础上寻找“较优”解,因而更符合设计的实际情况。3)形象的描述而非抽象的定义方案阶段的根本目的是确定建筑形体,而形体的特征很难被抽象定义,形象的描述更容易被建筑师接受和使用。设计导则对形体的描述往往是形象化的,因此能够更好地构建形象的形体和抽象的性能之间的关系。仍以“体形系数”为例,其被定义为“建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围体积的比值” ,这一概念非常容易被建筑师形象化理解,即可以直观地判断某一形体的体形系数是否过大,以及如何修改形体能使其体形系数减小;与此同时体形系数的大小又与能耗相关联,由此,建筑师便在头脑中建立了形体这一形象内容与能耗这一抽象指标之间的相互关系,从而在设计中做出正确的决策。相反,性能模拟和优化则是完全抽象的过程,不利于建筑师理解与接受。综上所述,相较于性能模拟、性能优化等方法,技术导则能够更好地适应方案阶段的设计特点,因此应在建筑的形体设计过程中得到更好的应用。2. 技术导则的获取方法使技术导则能在建筑的方案阶段发挥更大作用的前提是我们能够获取足够多的设计导则,并尽可能覆盖建筑性能要求的各个方面,从而让建筑师的形体设计在技术性能方面有章可循。然而,目前我们掌握的设计导则仍然数量不足且覆盖范围较窄,往往只能反映最基本的关系,对于稍微深入的问题却束手无策。这很大程度上是由于技术导则获取方式的局限所致。2.1 既有的技术导则获取方式1)理论计算与分析的方法理论计算与分析是技术导则获取的最基本方法,对较为简单的问题非常有效。如“体形系数较小有利于建筑节能” 、 “北方板式住宅的日照间距不应小于高度的 1.7 倍”等最常用的技术导则均是通过理论分析得到的。这种方法思路清晰且准确性高,然而对复杂的问题却束手无策。建筑性能所面临的大部分问题都是复杂问题,并不适用理论计算与分析的方法。2)实测-统计分析的方法对无法通过理论计算与分析的问题,可以选择数个建成案例进行实测,进而对性能与形体特征进行回归等统计分析,获取设计导则,这即“实测-统计分析”的方法。这一方法对复杂问题有一定的应对能力,目前在建筑声学领域广为使用的赛宾公式、光学领域的侧窗采光预测方法 ③ 等均是将实测结果回归得到的。然而,针对某一问题具有可比性的建成案例通常数量有限,因此数据回归结果的可信度较低;对多个实际建成案例的对比很难严格控制变量,故常难以确定某一特定变量对性能的影响作用。因此,这一方法仍具有解决问题的局限性。2.2 技术导则获取的新方法:参数化建模 -模拟 -统计分析法针对目前技术导则获取方法不足、直接限制其在方案阶段发挥作用的现状,笔者提出一种新的获取方法,即先通过参数化建模生成多方案,进而分别进行性能模拟,最后使用统计分析的手段获得技术导则。这一方法是以实测-统计法为基础的:用参数化建模代替实例不仅能够自动生成多方案、使样本数量不受限制,还能严格控制变量,将影响因素完全限定为欲研究的内容;用模拟代替实测降低了成本和时间消耗,虽然准确性会有所下降,但仍能满足方案阶段的精度要求。因此,从理论上讲,这种方法能够克服实测-统计分析法的局限性,能被用于分析更复杂、更普遍的性能与形体关系的问题,并获得设计导则。3. 参数化建模-模拟- 统计分析法的应用:以中庭采光设计导则为例中庭是一种常见的建筑元素,能提高建筑的自然采光性能。为了给中庭的设计提供依据,笔者使用参数化建模-模拟-统计分析的方法对中庭的采光性能规律进行了研究,并获得中庭采光设计导则,其过程为:3.1. 确定研究变量如前文所述,设计导则的实质是对某些性能指标与某些形体特性关系的描述,因此确定研究的性能指标(即因变量)和形体特征指标(即自变量)是第一步。由于设计早期阶段需要的是对性能的总体掌控而非细节信息,因此在这里选择中庭的“总体采光系数贡献(DF Total) ”与“ 采光系数>2%的总面积(S DF>2) ”为性能评价指标对中庭的采光贡献进行描述。采光系数(Daylight Factor,DF)即建筑内某一点的自然采光照度与室外照度的比值,它不受时间、地点的影响,只与建筑元素有关。总体采光系数贡献被定义为建筑内各点采光系数的面积积分,即 DFTotal =∑(DF*△S ) ,它能有效表征中庭对室内亮度效果的总体贡献。通常认为,室内某处 DF>2%则意味着该点自然采光能够满足照度要求,可以在白天不使用人工照明,节约照明能耗,因此,S DF>2 能够有效表征中庭对室内采光照明节能的贡献。相比于更直接表征采光能耗的采光自治(Daylight Autonomy,DA) ,S DF>2 这一指标不受人员行为模式的影响且计算快捷,更适合在方案阶段使用。在形体方面,本研究只针对圆形中庭,选取平面半径(r)和中庭层数(f,中庭从上至下贯穿的层数)为主要参数描述其形体特征。为简化问题,其它取值范围较小的参数一律取定值:层高限定为 4m,楼板和吊顶的厚度总和为1.2m,中庭材质为单层普通玻璃。此外,建筑的平面形态和建筑层数也是描述形体的重要参数,但只要楼板面积足够大、建筑层数不小于中庭层数,便不会对 DFTotal 和 SDF>2 的值产生影响,因此不作为研究自变量,统一设定为半径24m 的圆形、层数为 10 层,研究得到的结论将同样适用于其它平面形态和层数的建筑。为了排除侧窗采光的影响,建筑外立面一律设为不透光实墙。3.2. 参数化建模基于上文确定的形体特征使用 Grasshopper 进行参数化建模(图 3.1) ,并通过设定变量取值范围使其能够自动生成中庭半径在 2m 到 12m 之间、1m 为变化步长;中庭层数在 1 层到 10 层之间、1 层为变化步长的建筑方案,共计 110 个。图 3.1 本例使用的参数化模型,其中绿色点即为 DF 测点3.3. 采光性能模拟自动调用 DIVA 软件对参数化模型生成的 110 个方案分别进行采光计算:首先计算出方案中各点的 DF 值(由于本研究中的方案是对称的,因此只需计算出任意一条对称轴上的点的 DF 值即可获得所有点的 DF 值。实际计算中对三条对称轴进行了计算并取平均以减小误差) ,进而根据定义计算出方案的 DFTotal与 SDF>2,即可分别获得 110 个方案的采光性能指标3.4. 统计分析1)采光效果与平面尺寸的关系平面布置是建筑设计中最基础的内容,在此我们暂时排除层数的影响,统一选择上文模拟中层数为 10 的案例进行研究。由于层数越多,能够通过中庭射入低层的光线越少,因此当层数进一步增多后,中庭的采光贡献几乎不会再增加,故 10 层的案例能够代表某一平面尺寸的中庭采光贡献最大值。首先是 DFTotal 与中庭平面面积的关系(图 3.2) 。DF Total 几乎与中庭面积保持线性关系,有轻微的增长速度减慢的趋势。图 3.3 则反映了单位面积中庭贡献的 DFTotal(即 DFTotal/S)与中厅面积的关系,可见在面积约为 60㎡处单位面积中庭的 DFTotal 达到最大值,并随着面积的进一步增大而下降。然而最大与最小的极差仅为 10%,可见,中庭的面积对 DFTotal 贡献效率影响不大。其次是 SDF>2 与中庭平面面积的关系(图 3.4) 。S DF>2 同样随中庭面积的增大而增大,但有明显的增速变慢趋势。图 3.5 反映了单位面积中庭贡献的SDF>2(即 SDF>2/S)与中庭面积的关系,随着面积的增加,单位面积中庭贡献的SDF>2 呈线性下降的趋势,R²=0.963,极差约为 40%。可见,如以 SDF>2 作为评价标准,则面积越小的中庭采光效率越高,且影响较为显著。图 3.2 DFTotal 与中庭平面面积关系图 图 3.3 DFTotal/S 与中庭平面面积关系图图 3.4 SDF>2 与中庭平面面积关系图 图 3.5 SDF>2/S 与中庭平面面积关系图2)采光效果与中庭层数的关系对层数较多的建筑,中庭即使贯穿到底层也无法起到良好的采光作用,反而占据了楼板面积,这时,只让中庭贯穿上面几层从技术层面讲是比较合理的。因此,中庭的层数设置问题同样值得探讨。仍首先以 DFTotal 为评价标准(图 3.6) 。无论面积如何,随着层数的降低,中庭在该层的 DFTotal 贡献均快速下降。特别是下降四层后,DF Total 的贡献已很低。图 3.7 则单独选出中庭半径为 2m(红色) 、6m(绿色) 、12m(黑色)的方案进行分析,可见,随着层数的降低,面积小的中庭对该层的 DFTotal 贡献快速下降,而面积大的中庭下降相对较慢。进而以 SDF>2 为评价标准(图 3.8,图 3.9) ,能够得到相似的结论:随着层数的降低,中庭在该层的 SDF>2 贡献快速下降,下降速度甚至快于 DFTotal;面积小的中庭较面积大的中庭 SDF>2 下降速度更快。图 3.6 DFTotal/S 与楼层的总体关系图 图 3.7 不同面积中庭的 DFTotal/S 与楼层关系图图 3.8 SDF>2/S 与楼层的总体关系图 图 3.9 不同面积中庭的 SDF>2/S 与楼层关系图3.5. 导则获取及适用性分析1)面积较小的中庭具有更好地采光效率,这主要体现在 SDF>2 的贡献率更大;小中庭的 DFTotal 贡献率也较高,但差别不大。在中庭布置中,用多个小中庭代替大中庭能够获得更好地采光效果。2)总体而言,中庭自上而下贯穿的层数过多(≥4 层)对采光的意义不大,因为顶层以下四层或更低的部分获得的 DFTotal 和 SDF>2 均十分有限。3)对不同面积的中庭而言,面积较大的中庭可以适当增加层数,而面积较小的中庭更宜层数较少,否则从采光角度讲是不合理的。以上三点导则从采光性能角度对中庭的平面布置与层数设置提供了依据,以形象易理解的方式向建筑师展示了采光性能随形体特征的变化趋势,为寻找“较优”解提供了方向性指导。这符合技术导则的基本要求,能够较好地融入设计过程并为提升设计的技术性能发挥作用。虽然设计导则是基于简单的案例得出的,但正如前文所述,其能适用于任何地点、各种平面形态、任意层数的具有圆形中庭的建筑,具有一定的适用性。4. 结论与展望本文以建筑设计方案阶段中的技术导则为主要研究内容,对其内涵进行了阐释,通过横向对比强调了它较其他方法对提升建筑方案技术性能的作用与优势。基于对既有方法的改进提出了技术导则获取的新方法,并以中庭采光导则的获取为例,阐明了此方法的技术路线和有效性。未来,可使用此方法对建筑的声、光、热、风等诸多技术性能进行研究,揭示其与建筑形体特征的基本规律,形成覆盖面更广、可靠性更高的技术导则集合,从而为建筑师方案阶段的设计提供有效依据,并切实提高建筑的性能水平。注释与参考文献[1] 秦佑国. 建筑技术概论[J]. 建筑学报, 2002(07).[2] 徐卫国. 参数化设计与算法生形[J]. 世界建筑, 2011(06).[3] 柳孝图. 建筑物理(第三版), 中国建筑工业出版社, 2010. [4] 李飙. 建筑生成设计[M], 东南大学出版社, 2012.[5] 余琼. 方案阶段建筑节能参数化设计方法研究[D], 清华大学, 2011.[6] 夏春海. 面向建筑方案的节能设计方法研究[D], 清华大学, 2008.[7] 申杰. 基于 Grasshopper 的绿色建筑技术分析方法应用研究[D], 华南理工大学, 2012.
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