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文檔簡介
1、建筑集成設計模式初探這篇論文主要介紹的是建筑集成設計模式初探的相關內容,本文作者就是通過對節(jié)能減排的內容做出詳細的闡述與介紹,特推薦這篇優(yōu)秀的文章供相關人士參考。關鍵詞被動式設計策略;建筑集成設計;設計模式引言節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展是當今人類社會的熱點話題,占全世界生產能耗總量近50%的建筑活動1成為解決環(huán)境問題的重點領域。被動式技術理論的出現(xiàn),發(fā)掘了建筑長久以來與環(huán)境協(xié)調的潛在意識,用現(xiàn)代自然科學的論斷去客觀理性地總結建筑適應氣候的內在規(guī)律。依據被動式理論,建筑師可以通過對建筑形態(tài)和空間的合理設計,實現(xiàn)建筑物對環(huán)境氣候的調節(jié)與融合,在創(chuàng)造滿足人類生活需求的舒適環(huán)境的同時,減少對高能耗、非環(huán)保類
2、主動式設備的使用2。對于地區(qū)氣候差異大,經濟發(fā)展不平衡國情下的中國社會而言,被動式技術提供了一種促進低能耗綠色建筑發(fā)展的適宜手段3。隨著被動式技術研究的蓬勃發(fā)展,建筑師獲得了大量的策略參考與選擇。然而,各種技術策略的環(huán)境控制原理和適用的氣候條件存在明顯的差異,簡單的將所有策略盡數(shù)使用難以得到最理想的氣候調節(jié)效果,因此,各個環(huán)節(jié)和各種類型被動式設計策略之間需要相互協(xié)調。此外,影響建筑的設計和建造的因素還有諸如:使用功能、結構技術、藝術審美以及地域文化等4,氣候適應性作為建筑的一方面特質和上述諸多因素之間也存在著相互聯(lián)系、影響和制約的矛盾關系,這些也需要建筑師綜合考慮與協(xié)調處理。因此,本文引入集成
3、;設計的概念,借以探討被動式策略在建筑設計過程中綜合運用的整合與優(yōu)化模式。1建筑集成設計的概念集成思維;是具有主體性、整合性和倍增性特征的科學思維方式,它強調系統(tǒng)與外部環(huán)境之間以及系統(tǒng)內部各要素之間的雙向交互作用的整合效應,具有明顯的現(xiàn)代思維特性。集成設計;(IntegratedDesign西姆•范•德萊恩于20世紀80年代提出了)就是采用集成思維方式來指導設計工作5。從集成設計的思想出發(fā),依據建筑與外部環(huán)境之間相互作用的不同屬性對于建筑內部各子系統(tǒng)有著不同的劃分。比如由屋頂,墻體,門窗等子系統(tǒng)組成的外圍護結構系統(tǒng),其各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和熱工性能共同作用的結果體現(xiàn)了建筑外圍
4、護結構的綜合性能;又如體現(xiàn)建筑視覺審美要求的外觀和造型系統(tǒng),它由不同形狀尺寸、材質顏色的建筑元素通過一定比例,尺度搭配關系組合而成。而建筑集成設計就是將建筑看作各種影響因子歸類組合的若干子系統(tǒng)構成的整體系統(tǒng)(圖1),在建筑集成設計的過程中,充分分析各個子系統(tǒng)的優(yōu)點和相互影響,通過一個動態(tài)演進過程,協(xié)調其相互矛盾,優(yōu)化其結構邏輯,在發(fā)揮各子系統(tǒng)自身優(yōu)勢的同時,使整體系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)化的設計思想。不僅如此,通過系統(tǒng)集成設計,往往還能使整體性能指標得到提升,甚至優(yōu)于各部分性能指標的簡單疊加(圖2)。2被動式集成設計原則2.1系統(tǒng)性原則從宏觀策略體系來說,建筑的整體宏觀性能是其內部各級子系統(tǒng)微觀性能
5、共同作用的體現(xiàn)。類似短板;原理的描述,宏觀性能表現(xiàn)總是會因為個別微觀性能的明顯缺陷而大打折扣,好比在冬季只要有一處門窗隔熱性能不好,就會引起室內采暖效果的明顯下降。因此,被動式策略的設計集成需要做到系統(tǒng)性的總體規(guī)劃,面面俱到,不應忽略任何一個局部性能的完善。從單項策略組合來說,在對玻璃的隔熱性能進行優(yōu)化的設計過程中,簡單的將玻璃厚度增加為原來的兩倍,其隔熱性能的提升相當微小,只有不到1%的提升;而如果將同樣總厚度的玻璃一分為二,玻璃之間留一個空隙做成真空玻璃,隔熱性能成倍增長,達到1+12;的效果6。因此,采用系統(tǒng)整合的策略方案效果往往能夠事半功倍,在單項策略的有效性提升空間不大的情況下,可以
6、進行多項策略的集成設計達到性能提升目的。系統(tǒng)性的原則幫助建筑師建立系統(tǒng)觀,用系統(tǒng)整合7的思維進行被動式集成設計,靈活運用各種有效的技術策略,綜合性、系統(tǒng)性地解決問題。2.2開放性原則被動式策略的集成設計對于建筑師的綜合能力是一個巨大的考驗,因為集成設計是一個開放性的平臺體系,體系內部各系統(tǒng)隨設計進程解體、重構,從而優(yōu)化內部關系;同時,被動式新技術,新方法的不斷涌現(xiàn),對于集成設計體系內部的關系產生新的變因,系統(tǒng)通過對這些變因的梳理和整合,實現(xiàn)更新、優(yōu)化、升級換代。例如:功能的復合化趨勢顛覆了傳統(tǒng)博物館以展覽陳列為主的單一空間功能模式,取而代之的是靈活多變,復合大量服務性、商業(yè)性功能的復合空間模式
7、,這既是被動式設計策略發(fā)展的機遇也是挑戰(zhàn),新的功能空間模式、不同的室內環(huán)境氣候要求必然改變被動式策略集成設計體系的內在關系。開放性原則要求建筑師不斷的吸納新的被動式技術策略以及與策略關聯(lián)的其他方面的設計革新,對于被動式策略集成設計不能因循守舊,應采取更靈活、開放的態(tài)度應對建筑的發(fā)展和變革。2.3創(chuàng)新性原則集成設計的系統(tǒng)性和開放性原則要求建筑師具備創(chuàng)新能力,利用創(chuàng)新思維綜合解決設計問題。過去傳統(tǒng)的被動式設計模式將建筑設計的創(chuàng)造性過多的傾注于建筑方案設計階段,而在創(chuàng)新性原則指導下,建筑師需要參與建筑設計的全過程,在選址規(guī)劃,建筑設計以及構造設計各個環(huán)節(jié)綜合考慮被動式設計策略的使用,同時建筑師要梳理
8、各種被動式策略與功能、空間、結構設備等其他技術問題的關系,最終完成具體的建筑方案。綜合多種因素而形成的建筑方案需要建筑師創(chuàng)造性的規(guī)劃和設計,這種形式不再是簡單基于形式美的原則的雕刻和塑造,而是建筑由內而外本質特性的具體表現(xiàn),這種設計和思維的過程本身就是一種創(chuàng)新。3被動式集成設計內容從系統(tǒng)的角度來說,被動式策略集成設計的內容分為兩個層面,第一,被動式設計策略系統(tǒng)內部的集成設計,其結果直接影響建筑物的外部氣候調節(jié)性能、室內熱舒適性和設備能耗。第二,被動式策略系統(tǒng)和建筑其他系統(tǒng)設計的集成,包括:使用功能設計、結構技術設計、造型外觀設計,其結果決定建筑在適用、安全、美觀各方面的整體性能。3.1物理性能
9、集成被動式氣候調節(jié)的能力體現(xiàn)了建筑的物理性能,在屋頂?shù)母魺嵩O計中,可以采用增加隔熱層,設置架空通風屋頂、蓄水屋頂或者種植屋頂?shù)葐雾棽呗缘淖龇ǎ部梢圆捎枚囗棽呗?,在保溫隔熱層屋頂?shù)幕A上增加架空通風屋頂共同作用,或者是將蓄水和種植的做法合并設置屋頂蓄水種植花園來實現(xiàn)屋頂隔熱8。單向策略的效果那種最好,多項策略的使用能否更為理想?這就需要對于被動式設計策略進行物理性能的集成設計。物理集成設計需要考慮策略之間的矛盾性和協(xié)同性問題,矛盾性體現(xiàn)策略之間的相互制約、此消彼長的影響,協(xié)同性則體現(xiàn)策略之間相互促進、事半功倍的作用。比如:夏季室內降溫可以采用遮陽和自然通風兩種策略,如果外部遮陽的形式不當,就會
10、影響窗戶的開啟或者阻礙自然風進入室內;又如:前述蓄水和種植合二為一的做法,就可以在保證屋頂隔熱性能改善的前提下,利用蓄水池提高土壤的保水性,使屋面種植效果更為理想。因此,被動式策略的物理集成設計要求建筑師充分理解各種策略的作用和使用方式,采用合理的建筑形式規(guī)避策略之間的矛盾,促進策略間的協(xié)同。3.2功能使用集成建筑物內部的使用功能由不同的系統(tǒng)協(xié)調實現(xiàn),需要有滿足功能容量的使用空間,也需要滿足功能使用的采光照明,設備設施,還需要滿足使用舒適的溫度、濕度和凈化空氣等,這些因素對于被動式策略的采用提出了不同的要求。以博物館建筑的陳列廳為例,展示對象對于空間尺度和室內環(huán)境的要求是陳列廳內部功能需求的基
11、本標準,對于要求恒溫恒濕的陳列廳,采用自然通風和大面積的自然采光策略顯然是不合理的,通風和光照帶來的溫度和濕度波動違背了功能使用的要求;然而,增加陳列廳墻體的蓄熱性則是保持內部溫度穩(wěn)定減少空調能耗的合理策略。相反,就會展建筑的展廳而言,展品沒有恒溫恒濕的環(huán)境要求,因此可采用自然通風和自然采光以節(jié)約空調和照明能源9、10。當然,使用功能對于被動式策略也并不都是限制,相反在某些情況下還有促進作用,例如:采用自然通風和天窗自然采光的會展展廳,其使用空間高大的特性有利于熱壓形式的自然通風,而頂部的自然采光口通過太陽輻射增大熱壓通風的效應,為散熱換氣提供風道。3.3結構技術集成建筑被動式設計策略要通過具
12、體的建筑構件來實現(xiàn),而實現(xiàn)這些需要結構技術的有力支持,在同一性能前提下,不同的策略對于結構技術的影響也不同,合理的策略不僅能簡化結構設計難度,降低結構的荷載,還可以利用結構體系原本的物理特性提高策略的效用。簡單來說,玻璃幕墻的外遮陽百葉如利用幕墻龍骨和框料的分隔關系來設置就是簡化結構形式,順應結構特點的合理方法。同理,在無充分理由的情況下,如果采用加厚墻體的策略來提高蓄熱性就會增加結構體系的荷載,倒不如采用帶空氣間層的輕質墻體作法。此外,被動式策略也可以利用結構本身的蓄熱性,比如鋼筋混凝土大跨度結構梁和采用剪力墻結構做法的交通核心都是良好的蓄熱體,建筑合理的布置這些蓄熱體可以大大提高整體熱穩(wěn)定
13、性能,降低內部空調能耗11。3.4造型美學集成被動式設計策略最終落實到具體的建筑形態(tài),將滿足被動式策略氣候調節(jié)性能的各種空間、構件和材料作為美學設計元素,考慮它們自身與組合的形式美關系,形成滿足視覺審美和地域文化表達的建筑外觀造型,就是被動式設計策略的造型美學集成。例如:建筑外窗遮陽設計選取水平遮陽板的做法,遮陽板的形狀可以是厚重的立方體的混凝土板狀形式,也可以是輕薄的流線或曲線型金屬片狀形式。在設計和選擇時,建筑師除了要考慮其遮陽構件本身的造型是否美觀,還要考慮遮陽構件、窗洞以及整個建筑立面形體之間的尺度和比例關系是否協(xié)調。審美多元化的思潮為被動式策略的造型美學集成設計提供了積極的創(chuàng)作環(huán)境,
14、使得建筑師的創(chuàng)造性得到更自由的發(fā)揮;而對基于地域氣候適應性的被動式策略還能深度發(fā)掘建筑的地域性特征,促進建筑文化地域特性的延續(xù)和發(fā)展。4被動式策略集成設計模式被動式策略的集成設計模式是一個設計分析評價設計的動態(tài)演進的過程,該過程需要全面考慮的設計影響因素更多,分析、比較、判斷和系統(tǒng)整合的流程更為復雜,引入集成設計模式需要做好兩方面工作:第一,充分理解和辨析建筑各組成部分和影響設計的諸多因素之間的關系,進行全面的客觀基礎資料(包括:氣候、文化、經濟、技術等等)的系統(tǒng)分析,以滿足集成設計所需要的基礎條件。第二,搭建一個強大的集成設計平臺。君欲善其事,必先利其器,對于各種不同類型和需求的設計因子的系
15、統(tǒng)整合優(yōu)化,傳統(tǒng)的人力手工設計評價體系只能起到杯水車薪效果,建立一個集設計、分析、評價于一體的高效集成設計平臺具有相當重要的意義。4.1被動式策略集成設計的流程4.1.1收集準備階段本階段是被動式策略集成設計的基礎階段,是對后續(xù)設計階段的準備工作。其工作內容包括一下四方面:第一,對于設計區(qū)域氣候環(huán)境資料的收集和整理,分析和提出適用的環(huán)境應對策略,包括可利用的環(huán)境氣候資源、被動式設計策略和主動式設備技術等12。第二,解讀設計任務書解讀,對業(yè)主以及使用者的調研、訪談等,了解設計項目的基本功能組合關系和使用要求,分析單個功能空間的使用特性、空間規(guī)模和能耗標準,區(qū)別不同功能空間的使用差別,在滿足項目工
16、藝流程使用和研究其歷史沿革、發(fā)展趨勢的基礎上,列舉更多有利于建筑集成設計的整體功能組合關系的方案備選。第三,對設計項目可能會使用到的結構選型和技術進行列舉,對當?shù)氐目衫玫慕ㄔ旒夹g資源進行收集整理,在權衡可行性、安全性和經濟性的基礎上,分析結構和建造技術的地區(qū)適宜性以及結構體系選型的合理性范圍。第四,對同類型項目的空間造型案例進行收集整理,分析其設計手法和藝術處理的特點和規(guī)律;對項目所在地區(qū)建筑的文化地域性特征進行挖掘;對可采用的當?shù)夭牧线M行收集,判斷其對于策略目的的協(xié)同性;提出在形式美學上需要表達的重點意向,結合地域性特點歸納各種造型、空間和符號的設計可能。4.1.2分析設計階段如果說收集準
17、備階段是對被動式策略集成設計各種資源和可能性的列舉,那么,分析設計階段就是要將這些資源和可能進行復雜的系統(tǒng)整合,形成建筑設計方案,將影響建筑設計的各種因素綜合表達在具體的建筑形體上。這個過程是一個表現(xiàn)為通過系統(tǒng)內部因子的矛盾與協(xié)同、分化與重構建立一個具有動態(tài)平衡秩序體系的過程。對于建筑師而言,這個階段的工作需要采用主體主導型和客體優(yōu)選型兩種的思維方式去處理:第一,主體主導型是以設計主體也就是建筑師的主觀想法為主,通常是建筑師憑借自身對大量資料的理解和分析、對設計理論的學習和研究以及長期工程實踐的歷練和經驗,通過理性思維分析,確定一個主要的概念方案意向,而后在此基礎上深化和調整最終形成設計方案。
18、其優(yōu)點在于,建筑師的主導設計的方向明確,設計和深化的周期短可以很快得到一個成型的設計方案,提高工作效率。但缺點也在于所形成的設計方案的正確性完全取決于建筑師的個人能力,這對建筑師的綜合素質提出極高的要求。這種方式適用于規(guī)模不大,功能簡單、設計復雜程度不高的項目。第二、客體優(yōu)選型是以設計方案的綜合性能優(yōu)選為主,通過多個設計方案的比較分析,優(yōu)選或者合并形成最后方案的方式。通常情況下,一個建筑設計項目所有設計問題的解決并不是只有一個方案作為答案,每種方案都有自身優(yōu)缺點,將多個方案進行對比,優(yōu)選其中一個方案或者將幾個方案的優(yōu)點合理的結合,這種集思廣益的做法,可以降低不合理設計出現(xiàn)的概率,使得最終的設計
19、方案在各方面的性能都有較好表現(xiàn)。但是,這種方式也會帶來成倍增加的設計工作量,方案優(yōu)選成為一個循序漸進的漫長過程,設計周期延長,大量人力和技術投入降低了工作的效率。因此,這種方式適用于規(guī)模大,功能復雜,設計難度大,設計周期長的大型工程項目。4.1.3整合評價階段整合評價階段并不是設計的最終階段,當設計方案的綜合評價結論不理想的時候,整合評價就會對本階段的設計分析工作進行反饋和調整,重新整合各設計要素的關系后形成修改過的新方案,再回到此階段進行綜合評價,在多個循環(huán)往復的過程之后,形成最后理想的方案。下文將整合評價階段的工作歸為客觀指標和主觀因素兩大類:對于建筑被動式策略的物理性能、功能使用以及結構
20、技術三方面集成設計的評價屬于客觀指標評價類型,其中物理性能集成的評價取決于被動式設計有效性,最終體現(xiàn)在各種氣候適應性調節(jié)的計算機模擬數(shù)據以及能耗數(shù)據上。而功能使用和結構技術的集成設計的評價主要是體現(xiàn)在建設指標與結構成本的合理性上,如果僅僅為了滿足被動式設計策略發(fā)揮作用而造成使用的弊端和建造難度的提高是不合理,也不符合集成設計的基本原則。對于造型審美的評價則是主觀因素,包括基本的形式美原則,文化地域性的形式表達,建筑師、業(yè)主、使用者、城市居民的審美取向,對于這部分評價工作通常采用公示和公開投票的評價方法,對于專業(yè)人事和業(yè)主的意見要提高權重比例,具體操作方法視項目實際情況而定。4.2被動式策略集成設計數(shù)字化平臺被動式策略集成設計的數(shù)字化設計平臺是基于被動式策略集成設計的理論和設計工作流程框架通過接口軟件程序的編寫,對建筑信息建模軟件,參數(shù)化編程軟件和建筑環(huán)境性能模擬軟件進行集成開發(fā)得到的設計輔助工具。它利用參數(shù)化編程將建筑功能結構的參數(shù)要求和組合邏輯落實到建筑的三維模型上,通過接口程序使得建筑調節(jié)環(huán)境的物理性能和建筑三維模型在數(shù)據上聯(lián)動起來,依靠計算機對大量數(shù)據高效處理能力,實現(xiàn)建筑環(huán)境性能模擬、建筑信息建模與建筑形態(tài)建模3個過程之間的數(shù)形關聯(lián)與交互設計(圖3)。被動式策略集成設計的數(shù)字化設計平臺分為建筑性能模擬平臺、建筑信息建
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