建筑集成设计模式初探

节能减排与可持续发展是当今人类社会的热点话题，占全世界生产能耗总量近50%的建筑活动[1]成为解决环境问题的重点领域。被动式技术理论的出现，发掘了建筑长久以来与环境协调的潜在意识，用现代自然科学的论断去客观理性地总结建筑适应气候的内在规律。依据被动式理论，建筑师可以通过对建筑形态和空间的合理设计，实现建筑物对环境气候的调节与融合，在创造满足人类生活需求的舒适环境的同时，减少对高能耗、非环保类主动式设备的使用。对于地区气候差异大，经济发展不平衡国情下的中国社会而言,被动式技术提供了一种促进低能耗绿色建筑发展的适宜手段。随着被动式技术研究的蓬勃发展，建筑师获得了大量的策略参考与选择。然而，各种技术策略的环境控制原理和适用的气候条件存在明显的差异，简单的将所有策略尽数使用难以得到最理想的气候调节效果，因此，各个环节和各种类型被动式设计策略之间需要相互协调。此外，影响建筑的设计和建造的因素还有诸如：使用功能、结构技术、艺术审美以及地域文化等，气候适应性作为建筑的一方面特质和上述诸多因素之间也存在着相互联系、影响和制约的矛盾关系，这些也需要建筑师综合考虑与协调处理。因此，本文引入“集成”设计的概念，借以探讨被动式策略在建筑设计过程中综合运用的整合与优化模式。
1建筑集成设计的概念
“集成思维”是具有主体性、整合性和倍增性特征的科学思维方式，它强调系统与外部环境之间以及系统内部各要素之间的双向交互作用的整合效应，具有明显的现代思维特性。“集成设计”（IntegratedDesign西姆•范•德莱恩于20世纪80年代提出了）就是采用集成思维方式来指导设计工作[5]。从集成设计的思想出发，依据建筑与外部环境之间相互作用的不同属性对于建筑内部各子系统有着不同的划分。比如由屋顶，墙体，门窗等子系统组成的外围护结构系统，其各子系统的稳定性能和热工性能共同作用的结果体现了建筑外围护结构的综合性能；又如体现建筑视觉审美要求的外观和造型系统，它由不同形状尺寸、材质颜色的建筑元素通过一定比例，尺度搭配关系组合而成。而建筑集成设计就是将建筑看作各种影响因子归类组合的若干子系统构成的整体系统（图1），在建筑集成设计的过程中，充分分析各个子系统的优点和相互影响，通过一个动态演进过程，协调其相互矛盾，优化其结构逻辑，在发挥各子系统自身优势的同时，使整体系统的性能达到最优化的设计思想。不仅如此，通过系统集成设计，往往还能使整体性能指标得到提升，甚至优于各部分性能指标的简单叠加（图2）。
2被动式集成设计原则
2.1系统性原则
从宏观策略体系来说，建筑的整体宏观性能是其内部各级子系统微观性能共同作用的体现。类似“短板”原理的描述，宏观性能表现总是会因为个别微观性能的明显缺陷而大打折扣，好比在冬季只要有一处门窗隔热性能不好，就会引起室内采暖效果的明显下降。因此，被动式策略的设计集成需要做到系统性的总体规划，面面俱到，不应忽略任何一个局部性能的完善。从单项策略组合来说，在对玻璃的隔热性能进行优化的设计过程中，简单的将玻璃厚度增加为原来的两倍，其隔热性能的提升相当微小，只有不到1%的提升；而如果将同样总厚度的玻璃一分为二，玻璃之间留一个空隙做成真空玻璃，隔热性能成倍增长，达到“1+1＞2”的效果[6]。因此，采用系统整合的策略方案效果往往能够事半功倍，在单项策略的有效性提升空间不大的情况下，可以进行多项策略的集成设计达到性能提升目的。系统性的原则帮助建筑师建立系统观，用系统整合[7]的思维进行被动式集成设计，灵活运用各种有效的技术策略，综合性、系统性地解决问题。
2.2开放性原则
被动式策略的集成设计对于建筑师的综合能力是一个巨大的考验，因为集成设计是一个开放性的平台体系，体系内部各系统随设计进程解体、重构，从而优化内部关系；同时，被动式新技术，新方法的不断涌现，对于集成设计体系内部的关系产生新的变因，系统通过对这些变因的梳理和整合，实现更新、优化、升级换代。例如：功能的复合化趋势颠覆了传统博物馆以展览陈列为主的单一空间功能模式，取而代之的是灵活多变，复合大量服务性、商业性功能的复合空间模式，这既是被动式设计策略发展的机遇也是挑战，新的功能空间模式、不同的室内环境气候要求必然改变被动式策略集成设计体系的内在关系。开放性原则要求建筑师不断的吸纳新的被动式技术策略以及与策略关联的其他方面的设计革新，对于被动式策略集成设计不能因循守旧，应采取更灵活、开放的态度应对建筑的发展和变革。
2.3创新性原则
集成设计的系统性和开放性原则要求建筑师具备创新能力，利用创新思维综合解决设计问题。过去传统的被动式设计模式将建筑设计的创造性过多的倾注于建筑方案设计阶段，而在创新性原则指导下，建筑师需要参与建筑设计的全过程，在选址规划，建筑设计以及构造设计各个环节综合考虑被动式设计策略的使用，同时建筑师要梳理各种被动式策略与功能、空间、结构设备等其他技术问题的关系，最终完成具体的建筑方案。综合多种因素而形成的建筑方案需要建筑师创造性的规划和设计，这种形式不再是简单基于形式美的原则的雕刻和塑造，而是建筑由内而外本质特性的具体表现，这种设计和思维的过程本身就是一种创新。
3被动式集成设计内容
从系统的角度来说，被动式策略集成设计的内容分为两个层面，第一，被动式设计策略系统内部的集成设计，其结果直接影响建筑物的外部气候调节性能、室内热舒适性和设备能耗。第二，被动式策略系统和建筑其他系统设计的集成，包括：使用功能设计、结构技术设计、造型外观设计，其结果决定建筑在适用、安全、美观各方面的整体性能。
3.1物理性能集成
被动式气候调节的能力体现了建筑的物理性能，在屋顶的隔热设计中，可以采用增加隔热层，设置架空通风屋顶、蓄水屋顶或者种植屋顶等单项策略的做法，也可以采用多项策略，在保温隔热层屋顶的基础上增加架空通风屋顶共同作用，或者是将蓄水和种植的做法合并设置屋顶蓄水种植花园来实现屋顶隔热[8]。单向策略的效果那种最好，多项策略的使用能否更为理想？这就需要对于被动式设计策略进行物理性能的集成设计。物理集成设计需要考虑策略之间的矛盾性和协同性问题，矛盾性体现策略之间的相互制约、此消彼长的影响，协同性则体现策略之间相互促进、事半功倍的作用。比如：夏季室内降温可以采用遮阳和自然通风两种策略，如果外部遮阳的形式不当，就会影响窗户的开启或者阻碍自然风进入室内；又如：前述蓄水和种植合二为一的做法，就可以在保证屋顶隔热性能改善的前提下，利用蓄水池提高土壤的保水性，使屋面种植效果更为理想。因此，被动式策略的物理集成设计要求建筑师充分理解各种策略的作用和使用方式，采用合理的建筑形式规避策略之间的矛盾，促进策略间的协同。
3.2功能使用集成
建筑物内部的使用功能由不同的系统协调实现，需要有满足功能容量的使用空间，也需要满足功能使用的采光照明，设备设施，还需要满足使用舒适的温度、湿度和净化空气等，这些因素对于被动式策略的采用提出了不同的要求。以博物馆建筑的陈列厅为例，展示对象对于空间尺度和室内环境的要求是陈列厅内部功能需求的基本标准，对于要求恒温恒湿的陈列厅，采用自然通风和大面积的自然采光策略显然是不合理的，通风和光照带来的温度和湿度波动违背了功能使用的要求；然而，增加陈列厅墙体的蓄热性则是保持内部温度稳定减少空调能耗的合理策略。相反，就会展建筑的展厅而言，展品没有恒温恒湿的环境要求，因此可采用自然通风和自然采光以节约空调和照明能源[9、10]。当然，使用功能对于被动式策略也并不都是限制，相反在某些情况下还有促进作用，例如：采用自然通风和天窗自然采光的会展展厅，其使用空间高大的特性有利于热压形式的自然通风，而顶部的自然采光口通过太阳辐射增大热压通风的效应，为散热换气提供风道。
3.3结构技术集成
建筑被动式设计策略要通过具体的建筑构件来实现，而实现这些需要结构技术的有力支持，在同一性能前提下，不同的策略对于结构技术的影响也不同，合理的策略不仅能简化结构设计难度，降低结构的荷载，还可以利用结构体系原本的物理特性提高策略的效用。简单来说，玻璃幕墙的外遮阳百叶如利用幕墙龙骨和框料的分隔关系来设置就是简化结构形式，顺应结构特点的合理方法。同理，在无充分理由的情况下，如果采用加厚墙体的策略来提高蓄热性就会增加结构体系的荷载，倒不如采用带空气间层的轻质墙体作法。此外，被动式策略也可以利用结构本身的蓄热性，比如钢筋混凝土大跨度结构梁和采用剪力墙结构做法的交通核心都是良好的蓄热体，建筑合理的布置这些蓄热体可以大大提高整体热稳定性能，降低内部空调能耗[11]。
3.4造型美学集成
被动式设计策略最终落实到具体的建筑形态，将满足被动式策略气候调节性能的各种空间、构件和材料作为美学设计元素，考虑它们自身与组合的形式美关系，形成满足视觉审美和地域文化表达的建筑外观造型，就是被动式设计策略的造型美学集成。例如：建筑外窗遮阳设计选取水平遮阳板的做法，遮阳板的形状可以是厚重的立方体的混凝土板状形式，也可以是轻薄的流线或曲线型金属片状形式。在设计和选择时，建筑师除了要考虑其遮阳构件本身的造型是否美观，还要考虑遮阳构件、窗洞以及整个建筑立面形体之间的尺度和比例关系是否协调。审美多元化的思潮为被动式策略的造型美学集成设计提供了积极的创作环境，使得建筑师的创造性得到更自由的发挥；而对基于地域气候适应性的被动式策略还能深度发掘建筑的地域性特征，促进建筑文化地域特性的延续和发展。
4被动式策略集成设计模式
被动式策略的集成设计模式是一个设计——分析——评价——设计的动态演进的过程，该过程需要全面考虑的设计影响因素更多，分析、比较、判断和系统整合的流程更为复杂，引入集成设计模式需要做好两方面工作：第一，充分理解和辨析建筑各组成部分和影响设计的诸多因素之间的关系，进行全面的客观基础资料（包括：气候、文化、经济、技术等等）的系统分析，以满足集成设计所需要的基础条件。第二，搭建一个强大的集成设计平台。君欲善其事，必先利其器，对于各种不同类型和需求的设计因子的系统整合优化，传统的人力手工设计评价体系只能起到杯水车薪效果，建立一个集设计、分析、评价于一体的高效集成设计平台具有相当重要的意义。
4.1被动式策略集成设计的流程
4.1.1收集准备阶段本阶段是被动式策略集成设计的基础阶段，是对后续设计阶段的准备工作。其工作内容包括一下四方面：第一，对于设计区域气候环境资料的收集和整理，分析和提出适用的环境应对策略，包括可利用的环境气候资源、被动式设计策略和主动式设备技术等[12]。第二，解读设计任务书解读，对业主以及使用者的调研、访谈等，了解设计项目的基本功能组合关系和使用要求，分析单个功能空间的使用特性、空间规模和能耗标准，区别不同功能空间的使用差别，在满足项目工艺流程使用和研究其历史沿革、发展趋势的基础上，列举更多有利于建筑集成设计的整体功能组合关系的方案备选。第三，对设计项目可能会使用到的结构选型和技术进行列举，对当地的可利用的建造技术资源进行收集整理，在权衡可行性、安全性和经济性的基础上，分析结构和建造技术的地区适宜性以及结构体系选型的合理性范围。第四，对同类型项目的空间造型案例进行收集整理，分析其设计手法和艺术处理的特点和规律；对项目所在地区建筑的文化地域性特征进行挖掘；对可采用的当地材料进行收集，判断其对于策略目的的协同性；提出在形式美学上需要表达的重点意向，结合地域性特点归纳各种造型、空间和符号的设计可能。4.1.2分析设计阶段如果说收集准备阶段是对被动式策略集成设计各种资源和可能性的列举，那么，分析设计阶段就是要将这些资源和可能进行复杂的系统整合，形成建筑设计方案，将影响建筑设计的各种因素综合表达在具体的建筑形体上。这个过程是一个表现为通过系统内部因子的矛盾与协同、分化与重构建立一个具有动态平衡秩序体系的过程。对于建筑师而言，这个阶段的工作需要采用主体主导型和客体优选型两种的思维方式去处理：第一，主体主导型是以设计主体也就是建筑师的主观想法为主，通常是建筑师凭借自身对大量资料的理解和分析、对设计理论的学习和研究以及长期工程实践的历练和经验，通过理性思维分析，确定一个主要的概念方案意向，而后在此基础上深化和调整最终形成设计方案。其优点在于，建筑师的主导设计的方向明确，设计和深化的周期短可以很快得到一个成型的设计方案，提高工作效率。但缺点也在于所形成的设计方案的正确性完全取决于建筑师的个人能力，这对建筑师的综合素质提出极高的要求。这种方式适用于规模不大，功能简单、设计复杂程度不高的项目。第二、客体优选型是以设计方案的综合性能优选为主，通过多个设计方案的比较分析，优选或者合并形成最后方案的方式。通常情况下，一个建筑设计项目所有设计问题的解决并不是只有一个方案作为答案，每种方案都有自身优缺点，将多个方案进行对比，优选其中一个方案或者将几个方案的优点合理的结合，这种集思广益的做法，可以降低不合理设计出现的概率，使得最终的设计方案在各方面的性能都有较好表现。但是，这种方式也会带来成倍增加的设计工作量，方案优选成为一个循序渐进的漫长过程，设计周期延长，大量人力和技术投入降低了工作的效率。因此，这种方式适用于规模大，功能复杂，设计难度大，设计周期长的大型工程项目。4.1.3整合评价阶段整合评价阶段并不是设计的最终阶段，当设计方案的综合评价结论不理想的时候，整合评价就会对本阶段的设计分析工作进行反馈和调整，重新整合各设计要素的关系后形成修改过的新方案，再回到此阶段进行综合评价，在多个循环往复的过程之后，形成最后理想的方案。下文将整合评价阶段的工作归为客观指标和主观因素两大类：对于建筑被动式策略的物理性能、功能使用以及结构技术三方面集成设计的评价属于客观指标评价类型，其中物理性能集成的评价取决于被动式设计有效性，最终体现在各种气候适应性调节的计算机模拟数据以及能耗数据上。而功能使用和结构技术的集成设计的评价主要是体现在建设指标与结构成本的合理性上，如果仅仅为了满足被动式设计策略发挥作用而造成使用的弊端和建造难度的提高是不合理，也不符合集成设计的基本原则。对于造型审美的评价则是主观因素，包括基本的形式美原则，文化地域性的形式表达，建筑师、业主、使用者、城市居民的审美取向，对于这部分评价工作通常采用公示和公开投票的评价方法，对于专业人事和业主的意见要提高权重比例，具体操作方法视项目实际情况而定。
4.2被动式策略集成设计数字化平台
被动式策略集成设计的数字化设计平台是基于被动式策略集成设计的理论和设计工作流程框架通过接口软件程序的编写，对建筑信息建模软件，参数化编程软件和建筑环境性能模拟软件进行集成开发得到的设计辅助工具。它利用参数化编程将建筑功能结构的参数要求和组合逻辑落实到建筑的三维模型上，通过接口程序使得建筑调节环境的物理性能和建筑三维模型在数据上联动起来，依靠计算机对大量数据高效处理能力，实现建筑环境性能模拟、建筑信息建模与建筑形态建模３个过程之间的数形关联与交互设计(图3)。被动式策略集成设计的数字化设计平台分为建筑性能模拟平台、建筑信息建模平台和参数化编程平台３部分。建筑性能模拟平台包括：气候环境模拟分析软件：AutodeskEcotectAnalysis，流体模拟分析软件：Phoenics、Fluent以及热工能耗模拟分析软件：EnergyPlus等；建筑信息建模平台包括：Rhinceros、Sketchup和3dmax；参数化编程软件有Grasshopper、Rhinscript；同时还需要用于环境模拟数据交互，使数据可以高效联动各个设计平台的接口程序编写软件：Geco，它可以将性能模拟平台的AutodeskEcotectAnalysis数据信息导入参数化编程软件Grasshopper。被动式策略集成设计的数字化设计平台集成了热环境、风环境和光环境等模拟分析功能，使得建筑的空间舒适度指标得到更加系统化的分析和采集，通过直观可视化的交互界面，揭示了建筑各方面因素对于能耗构成的影响以及建筑和环境动态作用的客观规律，使得集成设计的各项内容能够落实到客观的科学数据，对于被动式策略的集成设计产生巨大的理论意义和应用价值，采用数字化设计平台的被动式策略集成设计模式（图4）。
基于被动式策略的建筑集成设计模式是绿色建筑设计理论与实践在信息化社会条件下的有益探索，首先，集成设计模式提高了被动式设计策略的有效性，充分发挥多项策略的整体综合性能，对于建筑的气候适应性及节能减排具有积极的现实意义；其次，集成设计模式体现了被动式策略与建筑的功能技术、文化艺术的高度契合，对于绿色建筑设计的发展具有深远的理论意义；最后，集成设计数字化平台的建构，极大提高了被动式设计工作的效率，对于建筑设计方法的改进和升级具有切实的推动意义。
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