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基于水景观降温效应的绿色建筑形体参量化生成研究.rar

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    编号:20181101170528539    类型:共享资源    大小:51.46MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
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    基于 水景 降温 效应 绿色 建筑 形体 参量 化生 研究
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    基于水景观降温效应的绿色建筑形体参量化生成研究刘明凯,孔亚暐,杨云飞山东建筑大学,山东建筑大学,山东建筑大学18264101079@163.com, kywnd@163.com, y8791@163.com摘要:在绿色建筑的“深绿”阶段,定量化的科学设计将成为主要技术手段。本文以基于水景观降温效应下的绿色建筑形体设计为出发点,选取我国北方寒冷地区典型城市案例开展建筑形体参量化生成研究。首先,运用实测比对以及模拟推理等方法,推算水景观的合理水面率及水体影响范围等主要影响参数,并结合建筑项目等条件建立形体生成所需的参数体系。其次,依托相关参数化设计软件(Rhino 及其插件 Grasshopper) ,利用计算机编程软件(C#语言)二次开发适用性程序插件,将水景观降温效应理论与数字化建筑设计相结合,并进行绿色建筑形体参数化设计。最后,采用仿真模拟方法,校验所提出的设计原理、参数体系、程序插件的科学真实性,通过总结各阶段的研究内容与成果,提出基于降温效应的水景观与建筑整合的生态设计模式,并形成定量为主、定性辅助的设计方法,是参量化辅助绿色建筑形体设计的新尝试,对同类型的建筑设计有一定的借鉴意义。关键词:水景观;降温效应;绿色设计;建筑形体;参量化生成Research on the Parametric Generation of Green Architecture Form Based on the Cooling Effect of Water LandscapeLiu Mingkai, Kong Yawei, Yang Yunfei Shandong Jianzhu University18264101079@163.com,kywnd@163.com, y8791@163.comAbstract. The quantified design is becoming the major technological meaning at the “Deep Green” stage. Based on the green architecture form design under the cooling effects of water landscape and as a springboard. Firstly, using the method of actual measurement comparison and simulation reasoning to calculate the main influence parameters such as the ratio of reasonable water surface and water influence scope, and established parameters system. Secondly, combining the cooling effect of water landscape theory with digital architectural design and proceed green building form parametric design by relying on the relevant parametric design software. Finally, examining the scientific authenticity of the proposed design principle, parameter system, procedures of the plug-in by using simulation method and raising ecological design patterns.Keywords. water landscape; cooling effect; green architectural design; architectural form; parameterized generate0 引言随着全球能源危机以及环境问题的日益加剧,绿色建筑理论受到更多的关注,绿色建筑应以充分利用自然环境资源为前提,在不破坏环境基本生态平衡的条件下为人们提供健康、适用与高效的活动空间。在设计中应满足两点要求,一方面应有应满足建筑自身功能及空间需求;另一方面应关注与周边环境之间的联系,使得建筑物适应当地气候及自然条件。作为自然环境的主要因素,水体具有良好的景观效能,同时具有稳定的物理性能,在改善建筑周边微气候以及建筑热工性能等方面,有着十分重要的影响作用。与此同时,数字化建筑设计取得长足的发展,已由数字化表皮设计发展到建筑形体生成领域,为绿色建筑形体的参量化生成提供现实可行性。本文以水景观降温效应理论为研究出发点,运用数字化建筑设计的工作方法,对绿色建筑形体参量化生成提供新思路。1 水景观降温效应的确定水景观降温效应的确定主要由合理水面率、水景观降温效应影响范围以及建筑性能响应等三部分组成。通过实地测量与调研获得相关基础数据,并对所得数据进行归纳整理,最终推演合理计算公式。1.1 合理水面率的确定水面率,是指区域内水体面积与区域总面积的比率,水面率合理与否,将影响到生态环境效能的发挥以及建筑的热工环境。在此基础上,合理水面率应是保证其所处区域良好生态环境功能实现的水面率。由现有研究结果可知:以35℃为基准,将气温降低至 33.23℃的合理水面率为 3.77%(陈淑芬,张建华等,2014) 。考虑到该数据的适用性较为广泛,因此,在研究初期利用该结果作为合理水面率的主要依据。 1.2 水景观降温效应影响范围在对水景观降温效应影响范围确定时,需大量现有实测数据支撑,北京市此类研究资料较多(如实测与基于卫星资料反演等) ,水体类型丰富(如湖泊型与河流型,天然的与人工型、集中与分散型等) 。同时,水景观降温效应受地域性差异影响较小,可选取我国北方寒冷地区相近城市的水景观数据进行分析。综上考虑,选取我国北方寒冷地区典型城市——北京市为例,研究水景观降温效应的影响范围。对于北方城市,城中水体尤其是居住小区内的水体,由于水的体量有限,如何将有限的体量进行布局,并与建筑物形体参数有机结合,发挥其最优的调节作用,是本次的研究重点。既有研究资料(刘勇洪 2012)的数据能够反映水体周边各因素(绿地、建筑物、水体与陆地反射率差异等因素)的综合影响。因此,利用该数据模拟周边温度随水体距离远近的变化规律具有一定的合理性。将实测数据归纳总结(表 1) 。周边温度随水体距离远近的变化规律(图 1) 。表 1 不同水体对周边环境温度的影响程度与范围水体离水体距离/m 中南海 龙潭湖 玉渊潭湖 昆明湖 紫竹院湖 平均≤0 25.4 25.7 24.8 24.7 25.3 25.20~100 27.2 26.8 26.2 26.1 26.9 26.6100~200 27.9 27.2 26.7 26.6 27.7 27.2200~300 28.1 27.5 27.2 26.8 27.9 27.5300~400 28 27.9 27.7 27.2 28.2 27.8400~500 28 28 27.9 27.3 28.1 27.9面积/hm 2 122 15 52 195 11周长/m 12008 2414 8250 6767 1745形状指数 0.0098 0.0161 0.0159 0.0035 0.0159影响面积/m 2 304* 112 152 397*** 95注: * 中南海是由多湖泊组成的长条形水体,其对周边显著影响距离为 100m,因此,其影响面积为中南海周边 100m 所对应的面积。 **,昆明湖是集中式的湖泊,对周边显著影响距离为 300m,因此,其影响面积为昆明湖周边 300m 所对应的面积 K。由表 1 可知,昆明湖水体面积较中南海大 37.4%,对周围气温显著影响距离大 200%,但最终的影响面积只超出 23.4%,由此可知,条形状集中水体对周边的影响程度要大于团块状集中水体。对于一定体量的水体,布局形态为长宽比大的条形或弧形更合理。进而,合理水体宽度是需进一步确定的因素。图 1 周边温度随水体远近的变化规律关于水体合理宽度的研究,纪鹏(2013)分析周边下垫面条件相似的不同宽度河流对温度的影响。结果显示,不同河宽对周边温度影响变化呈指数变化规律,其相关性达到 0.9069(图 2) 。与 Gunn S C(2007)提出的 35m 河宽可以使周围温度降低 1~1.5℃相吻合。关于水景观应布局方面的研究,王浩(1991)指出水体降温效应在水体的下风岸可伸入 10km 左右, 在上风岸仅有 2 km, 受水体影响的高度为 200-400m。由此可得出初步规律,即水景观应尽量布置在建筑相对上风向位置,建筑物于下风向位置以充分发挥水景观的生态价值。图 2 不同河宽对周边温度影响变化规律1.3 建筑形体对水景观的响应通过对水景观降温效应的影响范围的相关公式推导可知,在后期建筑形体生成过程中应遵循以上规律,同时建筑形体对于水景观的响应及反馈同样决定了水景观降温效应能否最大化发挥。在此基础上制定以下相应规则:1.在确定水景观降温效应的影响范围的基础上,建筑总体布局应在水景观降温效应范围内,以便于建筑及其周边微气候受水景观降温效应影响最大化;2.建筑应布置于水景观相对上风向位置,此处风向应为当地夏季主导风向,由于水景观对于周边环境湿度及温度的影响主要取决于风环境,建筑物在位于相对下风向布置时有利于水景观降温效应的发挥。2 参数体系与生成规则目前,国内外利用水景观降温效应的建筑案例有许多,如深圳万科中心总部大楼,英国诺丁汉大学朱比丽校区,德国盖尔森基兴日光产业园等,通过对其设计手法及构思过程分析可知,主要以“定性”的设计思路与建筑师的主观评判,处理水景观与建筑的关系。当前,数字化建筑设计可以量化水景观降温效应,为绿色建筑参量化生成提供技术支撑以及更为精准的参数化指导。从而形成基于环境影响的绿色建筑形体参量化生成新策略。2.1 参数体系建立在对传统建筑设计理论总结归纳的基础上,结合数字化建筑设计新手段,在绿色建筑形体生成初期,应为计算机形体生成提供必要的逻辑准备,而相关参数体系的建立是首要环节,同时也是对“定性化”建筑设计理论与“定量化”参数影响的界定。参数体系分为形体控制参数与性能核心参数两部分。2.2.1 形体控制参数在当前建筑设计实践中,已形成了较为完备的设计思路及手段,但这些影响因素多以定性为主,在建筑形体生成过程中,作为形体控制参数。形体控制参数可分为基地条件、建筑形体和景观环境三大部分。基地条件参数是对场地进行分析之后,将基地的各种限制因素转化为影响参数,例如地形坡度、出入口位置设置、绿化布置区域和交通组织等。建筑形体参数则包括影响建筑形体生成的各方面因素,例如建筑围合形式和分为带状布局或围合式布局,平面尺度则是对建筑进深和面宽的限定,建筑高度通过层高和建筑层数表达;建筑底层形式表现为是否作架空处理。2.2.2 性能核心参数性能核心参数以自然环境要素为主,该参数以定量的约束条件影响建筑形体生成,其中,关于水景观的核心参数有合理水面率及水体降温影响范围。性能核心参数主要分为热环境、风环境和光环境三部分。热环境参数是对建筑物所处环境的各种热舒适条件的参数表达,例如建筑所处场地的气候分区、月平均气温、降水量、湿度等气象条件,也包括局部小气候的热环境条件。风环境参数是对建筑所处场地风环境条件的参数表达,主要包括当地主导风向、平均风速以及局部风环境条件。光环境参数是对建筑所处场地的日照或光照条件的参数表达,主要包括当地的地里纬度、建筑间距系数要求、全年日照天数和光照强度等。最终建立参数体系(图 3) 。图 3 参数体系图2.2 生成规则制定在建筑形体生成阶段主要运用 Rhino 及其插件 Grasshopper 等可视化编程软件作为形体生成程序的编写平台,在 Grasshopper 中通过不同运算器的组合运用完成整个程序的编写。在建立相关参数体系的基础上,应制定相应的生成规则,以此串联相关运算器,从而形成最终建筑形体。可分为建筑自身条件限定以及水景观形态与位置确定两部分。其中,建筑自身条件限定规则以参数体系中形体控制参数为主,主要体现在基地条件、建筑形体和景观环境三个方面。对于水景观形态及位置的确定有以下两点规则:1.首先,以 Grasshopper 内现有运算器为基础,通过他们之间的不同组合运用编写程序图;2.其次,当 Grasshopper 内没有相对应的运算器时,以之前生成的参数体系为基础,建立数学模型,并通过 C#语言转化为计算机语言,最终在Grasshopper 内转化为可用运算器。3 参量化生成及模拟测试3.1 参量化生成阶段通过前期参数体系以及生成规则的制定,为参量化生成提供了必要的逻辑基础,由此制定建筑形体生成的具体流程:首先,根据基地自然环境因素生成水景观环境;其次由水体影响范围确定水景观降温效应影响范围曲线,此曲线与用地红线形成建筑基地的具体范围;最后,在此范围内生成建筑形体。本次实践项目基地选定在北方寒冷地区某高校内的一片备用建设用地,基地面积 45000 平方米,建筑面积预定 20000 平方米左右,建筑用途教学科研楼,主体结构设定为 4 层,对基地周边分析后得知,基地位于该高校校园东北部,西临学生宿舍区,北邻运动场,南部为教学区,地势平坦、开阔,利于基地内水景观降温效应的发挥。整个校区建设完备,已形成较为明显的校园肌理。Grasshopper 内进行程序编写时,将该程序可分为参数输入端以及形体控制引擎两部分。1.参数输入端 该部分将前期建立的参数体系通过 Grasshopper 相应运算器输入程序,可分为性能核心参数输入端以及形体控制参数输入端,其中性能核心参数输入端核心部分为合理水面率以及水体影响范围曲线的确定,在水景观轮廓生成引擎中,有 X 轴长度、Y 轴长度、水景观参数以及主导风向修正系数四个拉杆(Slide)变量对其影响,实现可调控的水景观轮廓生成(图 4) 。图 4 性能核心参数输入端2.形体控制引擎 该控制引擎分为两部分,首先,确定西北侧建筑形体生成;其次,确定东西向建筑形体生成。在生成程序中应加入基地要素及周边建筑对生成形体的影响,如与西侧学生宿舍区之间应有广场缓冲场地;北侧运动场较为开阔,冬季主导风向对建筑形体冲击较大,以进行相应旋转等。同时该基地西南侧有一处校园景点,考虑到景观对建筑的相应关系,应对东西向建筑进行旋转。基于此,建立最终形体生成程序(图 5)及生成建筑形体(图 6、7) 。图 5 最终形体生成程序图 6 建筑形体总平面图图 7 建筑形体东南轴测图3.2 建筑性能模拟测试由于环境因素的复杂性以及影响效果的不可预期性,需要对初步生成的建筑形体进行性能模拟测试,以检验形体相关热工性能指标是否符合环境需要,并为形体优化提供依据。由于水景观降温效应发挥的程度主要取决于风环境,对建筑形体周边风环境进行检测可以在一定程度上反映出建筑形体的相关性能。因此该阶段主要借助 Phoenics 性能模拟软件对生成的形体进行分析。 通过对建筑性能模拟进行分析后,Phoenics 的分析结果主要可分为三种类型:风速图(图 8) 、风速矢量图(图 9)以及风压图(图 10) 。从图中可以看出,以平均风速 3.5m/s 为前提,生成的建筑形体周边并没有风速过高的不利区域,同时在局部区域有较为舒适的风环境,其平均风速根据颜色渐变对应风速表可见为 2.5m/s 左右。生成的建筑形体的迎风面风压在黄色范围附近,背风面的风压在蓝色与绿色之间,对应左侧图示可知形体两侧风压差在 5.5Pa 左右,已形成较好的通风效果。图 8 风速分析图图 9 风速矢量图图 10 风压模拟图4 结语本文以水景观降温效应为研究出发点,结合参数化建筑设计手段,探讨基于环境影响下的绿色建筑形体参量化生成新策略。该策略在“定性”的整合设计思路的基础上,加入“定量”的参数影响,使自然环境因素更加准确的影响建筑形体生成,主要体现在以下三个方面。(1)在研究初期,通过实地测量及数据分析等方法,对合理水面率、水体影响范围以及其他相关参数进行整合归纳,得出合理的计算公式,建立相对完善的参数体系,并制定建筑形体生成时应遵循的规则。在参数体系中,建筑自身条件与自然环境因素分别为形体控制参数与性能核心参数,以此作为建筑形体生成的逻辑准备。(2)在建筑形体生成阶段,主要运用 Rhino 及其插件 Grasshopper 等可视化编程设计软件完成程序编写,并通过 Ecotect 以及 Phoenics 等建筑热工模拟软件对生成的建筑形体进行物理性能模拟测试,并将测试结果反馈至Grasshopper,为进一步的形体优化提供参量化依据,而在传统建筑设计中,主要由建筑师主观评判作为修改依据,在一定程度上缺乏合理性及客观性。(3)由于当前研究仍处于探索阶段,相关参数体系以及生成规则仍需进一步补充与完善,尤其是性能核心参数方面需加入更多自然因素参数,形成综合环境影响因素来影响建筑形体生成。同时,建筑形体细部的推敲细化将是下一步的研究内容。参考文献【1】陈淑芬,张建华,刘建军 基于温觉阈值气温调节的北方泉水聚落合理水面率研究.中国人口·资源与环境,2014.5【2】纪鹏,朱春阳,王洪义等 城市中不同宽度河流对滨河绿地四季温湿度的影响[J]. 湿地科学, 2013, 2: 016.【3】刘勇洪 基于卫星资料的北京陆表水体的热环境效应分析【4】王浩, 傅抱璞. 水体的温度效应[J]. 气象科学, 1991, 11(3): 233-243【5】韩昀松. 基于日照与风环境影响的建筑形态生成方法研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2013.
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