当前位置:首页>> >>


数字技术辅助绿色建筑方案设计研究.rar

收藏

资源目录
    文档预览:
    编号:20181101170527125    类型:共享资源    大小:11.96MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
    尺寸:148x200像素    分辨率:72dpi   颜色:RGB    工具:   
    35
    金币
    关 键 词:
    数字 技术 辅助 绿色 建筑 方案设计 研究
    资源描述:
    数字技术辅助绿色建筑方案设计研究摘要:笔者首先阐述了数字技术辅助绿色建筑方案设计的优势并分类具体归纳其技术、流程。而后从组团、体量、细部三个层级展开介绍数字技术介入下的绿色建筑设计策略、思路,对新技术继承传统绿色建筑设计的方法进行了探讨和归纳。关键词:绿色建筑设计;数字技术;方案设计研究Research of Green Building Design in Proposal Phase Aided by Digital TechnologyAbstract: First, expound the strength of using digital technology in proposal phase of green building design, and the specific types of techniques are summarized. Then, the ideas of green building design aided by digital technology are introduced through three levels; hope to inherit traditional methods of green building design using new technologies.Keywords: Green building design; digital technology; proposal design research关于数字技术同绿色建筑设计的结合,国外在其理论基础及技术路线等方面已有一定讨论,其可被看作是设计方法的另一切入点,对我国目前的可持续发展方针和建筑领域语汇的多样性来说均具有切实意义。1. 数字技术辅助绿色建筑设计的理论基础1.1 传统绿色建筑设计特征传统的绿色建筑设计,建筑师无法仅从经验或审美来判断方案的节能与否,而在相关软件平台运用模拟分析的方式来对方案进行评测成为了绿色设计的关键之一 [1]。所以绿色建筑设计的一般技术路线,往往是通过专业软件进行建筑室内外物理环境(如风、光、热、能耗等)的模拟,并将结果数值量化对比,以此评估方案的生态合理性。然而,有关生态性能的评测一般在整体设计的后期开展,如节能计算多在施工图设计阶段应用 [2]。因此绿色建筑设计中的“模拟”环节完全沦为方案完成后的评价与检验工序,并非将其有机的纳入设计前期。绿色设计工具失去了对建筑方案应有的指导意义 [3],使生态设计效率变得极低。尼尔斯·拉森(Niles Larsson) [4]在 GBC2000(Green building Challenge 2000)中提到一种建筑设计同绿色技术模拟相结合的工作流程(如图 1) 。其中建筑初步设计被描绘成一种循环往复的过程——概念模型的各类能耗模拟及结构、设备工程师的评价意见等形成一系列“反馈信息”来对方案提出修正建议。此过程经多次反复,可被看作是一种“循环设计” ,其本质是在强调“数据反馈”的重要性。图 1 绿色建筑循环设计流程1.2 数字技术特征较有代表性的参数化技术,核心在于“关系模型” (抽象的机器) [5]的构建。一般来讲,Rhino、Maya 等参数化软件在其早期开发时都定义了一种被称作“记录建构历史” (Record History)的功能,可被看作是“关联性”的体现和参数化技术的早期雏形。当几何体在软件中被描述时,不同维度间往往遵循这样一种规则——“低维构建高维,高维提取低维” 1) 。而所谓“记录建构历史”记录的则是这种规则下的具体“关系” 。当模型建立过程中每一步“关系”均被记录时,改变初始几何信息而最终结果相应变化,这就是参数化系统基础所体现的“关联性” 。但传统的建模软件平台即使拥有 Record History 其功能也相对局限,当今普及最广的参数化平台“Grasshopper”其前身名为“Explicit History”,意为“清晰完整的历史” ,即构建完整的“关系模型” 。图 2 数字技术关联模型所以参数化技术可以被概括为“关联模型” ,模型一端提供各类输入数据,其被用于指导不同类型的操作并在记录关联的前提下不断传递,最终输出一系列设计结果。而该“关联模型”的核心即“关联性” (Associative) ,其在对“过程”和“数据”的控制方面体现较大优势。1.3 数字技术运用于绿色建筑的优势绿色建筑设计可被看作是一个信息不断反馈、循环的过程。这种循环两端分别是建筑设计及评测体系(软件性能模拟、工程师建议) ,一方面建筑师提供多种可能的预选方案并传递给评测系统,另一方面评测系统将运算、模拟结果数据进行反馈。在这种“循环设计”过程操作下建筑方案得到不断分析、评价、反馈、选择并最终优化。图 3 数字化平台同绿色建筑设计间关系理论上看,这种性能评估同建筑方案相结合的循环设计形成了一种完整统一的“绿色建筑设计”技术路线,但在实际方案推进中,建筑设计同绿色技术评价两部分却仍是互相脱节。无论是单一方案模拟评测还是多方案对比,建筑设计同技术分析两者间存在的仅是操作上的先后关系。然而数字技术在绿色建筑设计领域的介入则从根本上解决了方案同分析间“时滞性” 2) 的存在,对其“循环设计”过程和数据的传递进行更为有效、高效的控制。在参数化关联模型中, “数据”被不断驱动和传递,而这种“数据”本身可由“循环设计”中的评测体系反馈得来,并由关联模型来对原有方案优化或生成新的设计备选方案。当前,关于绿色技术评测所反馈的数据,笔者认为其同参数化关联模型结合有三类思路,如表 1 所示。类型名称 关系图解可视分析控制深化反馈优化表 1 性能评测数据在参数化平台的三类应用2. 数字技术辅助绿色建筑设计的技术归纳2.1 性能评测数据的 “可视分析 ”实质是在参数化关联模型中加入“生态评价模块” 3) 并链接各类绿色分析软件,其能将评测结果数据获得并反馈至关联模型,以“数据可视化” (例如色彩过渡等)的方式来对方案进行反馈和评估,设计师则可以此来对方案进行调整。严格来说,参数化平台将结果数据可视化并不能完全体现数字技术介入的优势。因为其一目前绝大多数性能评测软件均具有分析数据后处理(可视化)的功能;其二即使数据在参数化平台可视化,但其并未纳入关联模型系统,无法体现数字技术对信息传递的控制。然而当今参数化平台如 Grasshopper 中,的确存在一部分插件来实现生态模拟数据的可视化,其意义是“统一平台界面” 4) 。同直接使用评测软件进行生态分析相比,参数化平台下的结果可视化有利于设计师对方案的直观判断,因其可在设计推敲的同时得到相应的生态分析视觉化结果,在方案初期给使用者较为充分的性能改进建议。所以该类型亦可被看作是数字技术同绿色建筑设计的“弱链接” 。2.2 性能评测数据的 “控制深化 ”生态模拟结果作为过程数据参与构建“关系模型”整体,指导后续设计生成。如通过模拟得出方案几何体表面每片区域的阳光辐射量数值,以此控制其开窗、遮阳的生成等。该类型特点在于,所涉及方案的前一阶段(如体量,界面等)已确定,而模拟数据能够同关联模型对应,并基于已存的几何体量来进行方案后续的深化控制(如开窗大小、多少、遮阳构件形态等) 。由此,设计本身同模拟数据之间建立了直接且相互呼应的关系,阳光辐射模拟数值较大的区域相应开窗较小或是遮阳出挑较多,抑或墙较厚等,因此方案的立面或细节处理将更具合理性。2.3 性能评测数据的 “反馈优化 ”实质是在参数化关联模型中加入“优化算法模块” ,其能以生态评测中的某一个或几个指标为优化方向,并反向调节初始的输入参数组合,来使输出结果在满足生态评测标准的前提下较为优化。特点在于,所涉及方案前一阶段(如体量,界面等)并未确定,模拟数据所起的作用即反馈并协助获取方案初期较优化的结果。在此,概念方案由关联模型来控制,一系列不同的输入参数可生成众多的设计备选;而关联模型中的“生态评价模块”则用以评测这些潜在的备选方案,并得到相关结果数据。而“优化算法模块” (例如“遗传算法” )则将评测结果数据作为设计发展方向,通过反馈控制初期的众多输入参数,来将其“协调配比”并得到较优化方案。2.4 相关工具归纳如表 2 所示。类型 名称 图示 简介Mr.Comfy 由柏林工大建筑技术研究员 Max 使用Python 语言开发。主要功能是将 EnergyPlus 热工性能及 Daysim 自然采光模拟输出的分析数据在方案中可视化。Archsim 由德国的 Timur Dogan 开发,链接EnergyPlus 来帮助设计师快速建立不同区域的能耗模型并评测,其可同时在模型创建、模拟及结果可视化等方面来同使用者交互。DIVA 由哈佛大学设计研究生院(Harvard GSD)开发并授权 Solemma LLC继续研发及产品化,其最大特点是专业、准确及工程化, “真实有效”是该评测软件的定位。可视分析Ladybug 由来自纽约的Mostapha Sadeghipour Roudsari 使用 Python 语言开发,用以帮助使用者在方案设计阶段考虑环境同建筑间的相互影响。Mostapha 同时将该研究在第十三届建筑性能模拟协会国际会议(13th Conference of International Building Performance Simulation Association)中发表。控制深化 Geco 由奥地利建筑事务所[uto]的 Ursula Frick 及Thomas Grabner 共同开发,其能够链接 Ecotect并将方案性能评测结果传递回 Grasshopper,来指导后续设计。Galapagos 2010 年加入Grasshopper 的一款用以求单目标最优解的运算器,通过设定关联模型中的“进化方向”来反馈调节初始输入参数组合。反馈优化Octopus 由维也纳应用艺术大学的 adrVienna 及Bollinger + Grohmann Engineers 共同开发,用以求解多目标最优解集,其界面可视化及用户交互程度更高。表 2 基于 Grasshopper 平台的绿色建筑设计辅助工具归纳3. 数字技术辅助绿色建筑设计的策略展开3.1 组团层级3.1.1 概述宏观层面的城市设计组团、居住区或是传统的聚落,其生态策略可从“建筑同环境间关系”及“建筑同建筑间关系”两个角度展开。对于“建筑同环境间关系”需考虑如何合理利用建筑所处背景资源来达到生态低碳,即恰当安排阳光、风、地形、土地、水源、绿化等因素;而处理“建筑同建筑间关系”则需讨论建筑的组团布局,即合理规划建筑群落整体朝向、建筑间所形成的缝隙、街道或是开放空地等。总体来看,组团层级的生态策略主要体现在建筑的整体排布关系和形态,从而达到对室外风环境、自然采光、阳光辐射的合理优化利用或防控。3.1.2 数字技术介入在数字平台中,一方面关联模型建立以描述组团的具体呈现,同时精确、多元化的建立输入参数(如建筑形态、高度、数量、疏密等)来调节组团形态;另一方面评测体系(计算公式或生态模拟平台)可将室外风环境、热环境、建筑采光优劣、容积率等作为待优化目标,通过性能模拟结果数据来“反馈优化” ,得到组团聚落的生态最优方案。策略一即“反馈优化” 。多见于建筑群组结构已确定的城市片区或居住区,通过确定单或多目标来调整各个建筑单体的角度、开间进深、层高或排布等。其在工程实践领域有一定意义,能够在建筑师人为介入的前提下对群组布局进行可控调整。对此,从设计角度来说是由于众多“法规” (如采光间距、防火间距、疏散间距等)的严格控制,加之高效的“行列式”布局,其既定的空间拓扑结构难以更改。而从“关联模型”来说是由于众多法规提供的已确定“常量” ,导致几何体组成相互关系呈现较稳定的姿态。策略二为“控制深化” 。多见于国际城市设计竞赛或是数字城市设计研究等。其同“反馈优化”的主要区别在于,前者针对较确定的组团聚落结构来进行“绿色节能优化” ;而后者则以生成较新的建筑群组拓扑关系为目标,而“性能模拟”仅为这一过程提供“中间数据”或切入点。然而,类似于后者这样的城市设计探索方式更具有“建筑设计”倾向,因其由参数关系模型整体控制,所以其产出的城市结构、形态更有机、整体且较为纯净。3.2 体量层级3.2.1 概述在此“体量”指“主体”设计层面,其包含建筑的外形和功能布局两方面。建筑体量的外形呈现在诸多方面同其节能与否相关,如体型系数、截面形状、庭院设置等。此外,体量的组合关系、形态特征、受辐射界面大小等均能影响其整体的生态性能。而对于建筑的功能布局,可根据用户对其使用的形式及活动量来划分,将“次要”房间作为“生态缓冲区”布置在恶劣气候的朝向,并使机械设备运作区集中以降低能耗。3.2.2 数字技术介入目前,关于数字技术在体量层级的介入,除特殊语境下的研究外并没有一个被学术或实践界公认的一般流程及思路。其原因是体量阶段为设计方案“从无到有”的第一步,而生态策略或数据标准其本身不能转化为具有广泛适应度的优化方案来植入一个特殊背景的场所中去。所以,体量阶段的生态优化必须伴随着“方案生成的逻辑操作”同时进行。一个总的思路是,建筑师须结合场地关系、功能诉求、问题分析及背景信息来对方案体量有一个初步的解决策略或预设,而后将其在数字平台用参数关联模型来描述,最后通过生态模拟的结果数据来“反馈优化” ,使体量朝着某一个方向“发展进化” 。例如可以通过关联模型将方案在一定范围内变动(或不同的形体组合、中庭大小或位置) ,而后通过评测不同方案的生态性能(体形系数、风阻大小、整体得热等)并得到相应数值,以该数据为目标来反馈得到优化的建筑形体组合。3.3 细部层级3.3.1 概述对于建筑细部层级的绿色设计讨论同样可分为两个方面。其一是优化方案外围护体系的构造及大样。对此,维护结构的热工性能好坏决定其生态与否,一般可认为构造层次的传热系数 K 值较小则较为绿色低碳 [6],即“墙体越厚越保温” 。而大样的优化处理则为防止结构外露及门、窗等处形成“冷桥热桥” ,从而降低外围护体系的整体性能。其二是建筑外立面如开窗、遮阳等元素的设计深化。开窗处往往是维护体系热工性能的薄弱环节,其大小、位置及用材、构造都需在生态优化的角度重新定位。遮阳是建筑被动节能的主要措施之一,其能有效降低进入室内的阳光辐射,并改善自然采光均匀度,是构成建筑外立面的一类重要元素。有研究显示,外遮阳措施节能效率可达 10%-24%,而其造价仅占工程总造价的 2%-5%,可以被看作是低投入高效率的建筑被动式节能技术典范 [7]。3.3.2 数字技术介入在已确定设计概念体量的前提下,数字技术在细部层级的介入主要体现在性能模拟结果数据的“控制深化”方面,例如运用参数化关联模型总体控制建筑表皮的生成,而生态模拟则为之提供了合理的数据来源。近年在建筑设计参数化技术的应用中,一类重要内容即“建筑表皮的生成研究” 。而“生态评测类数据”则为关联模型提供相关参数系统来源,即表皮构建中各元素递变的原点,用以整体控制、干预界面的结构形态和外在效果。3.4 数字技术辅助绿色建筑设计策略归纳如表 3 所示传统策略 数字技术介入组团开口 室外风环境分析有助于获得方案体量界面上的静压力分布,将建筑组团“开口”设置在“最大压差”区域将使得气流更加容易进入中庭。组团层级(1 )节约土地,部分底层架空。(2 )利用气流,夏季引风冬季挡风。(3 )利用阳光,保证自然采光量。(4 )合理布置自然景观,营造微气候。城市生成 该方案以“流体”为研究对象,通过模拟现存城市环境中的人流及气流运动并提取其向量关系,来生成、控制城市界面基本形态。光照界面 为使开放空间在选定的时间段接收到最多的直射光线,周围建筑体量的遮挡部分将依据太阳高度角被切割。体量层级(1 )降低体形系数。(2 )流线型截面有利于减小风阻来优化风环境。(3 )形态局部外挑或抬升以利于通风。(4 )合理布置功能分区。(5 )利用庭院来提升通风采光效率。(6 )附加阳光间。庭院组织 印度新德里某 IT 研发项目,通过中庭总体控制来降低通风及采光能耗。表皮开窗 应用 Ecotect中的阳光辐射模拟数值来控制每个四边形网格开窗的大小及形态。遮阳控制 该遮阳系统在水平及垂直间转换并自然衔接过渡以灵活适应生态气候。细部层级(1 )采用合理的构造形式。(2 )遮阳系统。(3 )使用光伏板等获取自然能源。(4 )设置垂直绿化等自然景观。(5 )运用地区性材料或建造方式。朝向优化 经朝向优化的标准尺度光伏系统则能够以最小的面积获取最多的光伏能量。表 3 数字技术辅助绿色建筑设计策略归纳4. 结语影响建筑生态性能的主要策略基本在方案设计阶段确定,即初期的概念设计成果往往对建筑最终的生态节能与否有较大影响 [8]。同样,建筑师具有的话语权主要体现在建筑的方案设计阶段,其选择和品味对建筑落成后的生态性能表现影响巨大。无论从国家对建筑节能的硬性指标、国内目前的建筑能耗现状,还是从建筑师所肩负的社会责任出发,推行绿色低能耗设计今后都势在必行。数字技术是一股设计中的革新力量,其并非“宏大叙事” ,而是以“局部渗透”的方式影响建筑研究及实践领域。除新的组织形式关系创生外,其在建筑的生态低碳、结构优化、辅助施工等领域也极具潜力。而参数化技术将在建筑的绿色可持续方面发挥巨大价值,因其体现对社会及人类发展的一些关怀。 注释1)低维构建高维,高维提取低维:例如,描述一维的曲线可以用来创建描述二维的曲面,而描述二维的曲面中可以提取出描述一维的曲线。2) “时滞性”:指在传统绿色建筑方案的“循环设计”过程中,反馈信息占用大量等待时间。3) “生态评价模块”:指参数化关联模型中负责建筑性能模拟评测的部分或相关插件。4) “统一平台界面”:指在同一软件窗口下进行设计推敲,更准确高效。参考文献[1]毛鸿霖.浅析计算机辅助建筑设计与绿色建筑设计结合.科技传播, 2010-12.[2]胡玉梅.面向节能建筑设计的计算机能耗模拟[ 硕士学位论文].天津:河北工业大学, 2007.[3]申杰.基于Grasshopper的绿色建筑技术分析方法应用研究[ 硕士学位论文]. 华南理工大学,2012.[4]Nils Larsson.Moving Towards Sustainability with Green Building. Green building Challenge 2000, 2002.[5]徐卫国.褶子思想,游牧空间——关于非线性建筑参数化设计的访谈 .世界建筑,2009-08.[6]张欢,杨斌,由世俊,曹治政.遮阳板在建筑节能中的应用研究 .太阳能学报,2005-06.[7]胡深,冉茂宇,袁炯炯,李洁.关于居住建筑遮阳优化设计的探讨 .建筑科学,2010-12.[8]夏春海,朱颖心,林波荣.方案设计阶段建筑性能模拟方法综述 .暖通空调,2007-12.图片来源图 1:参考文献[4].表 2:表中图片依次来源于2.1: http://www.grasshopper3d.com/group/mrcomfy2.2: http://archsim.com/documentation-energy-modeling2.3: http://diva4rhino.com2.4: http://www.grasshopper3d.com/profile/MostaphaSadeghipour2.5: http://www.utos.blogspot.com2.6: Grasshopper 软件内截取2.7: http://www.food4rhino.com/project/octopus表 3:表中图片依次来源于3.1: Foster + Partners
    展开阅读全文
    1
      金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    0条评论

    还可以输入200字符

    暂无评论,赶快抢占沙发吧。

    关于本文
    本文标题:数字技术辅助绿色建筑方案设计研究.rar
    链接地址:http://www.gold-doc.com/p-289046.html
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
    copyright@ 2014-2018 金牌文库网站版权所有
    经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
    收起
    展开