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建筑師和計(jì)算機(jī)模擬論文
摘 要：計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是讀圖時(shí)代綠色建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)有效的媒介工具。他對(duì)建筑師提出了更高的要求。本文概述了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的歷史和在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，并以此為基礎(chǔ)通過案例分析，解析了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)介入方案設(shè)計(jì)對(duì)建筑師提出的四點(diǎn)基本要求。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)模擬； 媒介； 建筑師； 知識(shí)結(jié)構(gòu)
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們的社會(huì)已經(jīng)步入了讀圖時(shí)代。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是讀圖時(shí)代下綠色建筑設(shè)計(jì)的新媒介，它的出現(xiàn)對(duì)建筑師提出了新的要求，建筑師的知識(shí)結(jié)構(gòu)亟待更新。時(shí)代呼喚“升級(jí)版建筑師”。
1計(jì)算機(jī)模擬出現(xiàn)的時(shí)代背景
20世紀(jì)中期，能源、環(huán)境成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。一部著作——《成長的極限》、兩次能源危機(jī)，打破了歐伯羅斯的神話，自然給人類敲醒了警鐘。作為全球能耗大戶的建筑行業(yè)開始反思對(duì)自身對(duì)環(huán)境的影響，節(jié)能、環(huán)保成為了當(dāng)代建筑師共同肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任。
建筑設(shè)計(jì)中，能源、環(huán)境是建筑師和工程師都必須考慮的因素。20世紀(jì)60年代，一些工程師嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)將不可見的環(huán)境、能源因素可視化，并希望通過理性的科學(xué)分析與大量的數(shù)據(jù)計(jì)算使建筑物理環(huán)境的設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)化，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)就是這種時(shí)代背景下的產(chǎn)物。最早計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)主要用于照明、暖通空調(diào)、通風(fēng)等方面的節(jié)能模擬。第二次石油危機(jī)過后，對(duì)節(jié)能的激勵(lì)減弱了，加之電腦技術(shù)的局限，計(jì)算機(jī)模擬一段時(shí)間內(nèi)銷聲匿跡。90年代初期，個(gè)人電腦的計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)模擬得以發(fā)展普及，并越來越多地引起了建筑師的關(guān)注。于是在建筑和自然之間，計(jì)算機(jī)成了一種新的更為便捷的設(shè)計(jì)媒介工具，它通過對(duì)建筑信息、環(huán)境信息、計(jì)算模型的設(shè)計(jì)與運(yùn)算，將不可見的物理環(huán)境通過圖示顏色等可視化方式表現(xiàn)出來，綠色建筑也步入了“讀圖時(shí)代”。
2計(jì)算機(jī)模擬的類型及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
隨著模擬技術(shù)的日趨成熟，建筑物理環(huán)境的模擬已經(jīng)成為綠色建筑設(shè)計(jì)過程中不可或缺的媒介工具，環(huán)境模擬正在從工程師的“專利技術(shù)”變?yōu)榻ㄖ䦷煹谋貍渌刭|(zhì)。目前，眾多模擬技術(shù)中能夠直接介入設(shè)計(jì)易操作的主要以下幾種（見圖表2）。這些模擬軟件按其在建筑設(shè)計(jì)中的作用不同可以分為參考性模擬和評(píng)價(jià)性模擬兩種。參考性模擬主要應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)的過程，其主要作用是預(yù)測(cè)建筑周邊的物理環(huán)境并使之圖示化。參考性模擬的主要目的是為建筑師提供設(shè)計(jì)依據(jù)，避免由建筑設(shè)計(jì)原因?qū)е碌摹安皇孢m”環(huán)境，如CFD風(fēng)環(huán)境模擬軟件、ECOTECH建筑環(huán)境分析軟件等等。評(píng)價(jià)性模擬的應(yīng)用有兩類，一是對(duì)重大項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段結(jié)束之后施工階段開始之前，尤其是對(duì)建筑物理環(huán)境有特殊要求的建筑進(jìn)行物理環(huán)境的準(zhǔn)確模擬。其主要作用是對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)性評(píng)價(jià)，在施工之前提出合理化改進(jìn)意見。二是對(duì)已建成建筑進(jìn)行能耗模擬分析，其主要作用是對(duì)建筑做出合理評(píng)價(jià)，提取有效數(shù)據(jù)，為以后的建筑設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。這些模擬技術(shù)介入設(shè)計(jì)全過程，他們?cè)趦?yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)建筑師在建筑物理環(huán)境方面的基本修養(yǎng)提出了更高的要求。
3建筑師與計(jì)算機(jī)模擬
計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的介入更新了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的流程，除了在方案功能、流線、形體、結(jié)構(gòu)、材料和經(jīng)驗(yàn)性環(huán)境預(yù)測(cè)等方面反復(fù)推敲外，設(shè)計(jì)流程多了計(jì)算機(jī)這一相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)要素（設(shè)計(jì)流程如圖表4）。然而，計(jì)算機(jī)模擬猶如建筑師手中的歐伯羅斯魔杖，如何能夠使其發(fā)揮積極作用，給建筑師提出了更高的要求。
首先，建筑師必須對(duì)建筑周邊環(huán)境的進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研分析�；卣{(diào)研是建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，更是將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)。建筑師必須根據(jù)建筑所在環(huán)境的背景資料，氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出項(xiàng)目必須解決和重點(diǎn)考慮的環(huán)境問題，決定是否需要進(jìn)行模擬，具體運(yùn)用什么軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。下圖是筆者在一次國際生態(tài)住宅設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的獲獎(jiǎng)方案。該方案選址在馬來西亞的一個(gè)小鎮(zhèn)�；貧夂蚪K年濕熱，降水豐富，地處靜風(fēng)區(qū)，除偶遇臺(tái)風(fēng)外，年均風(fēng)速小于5m/s。在這里解決生態(tài)的關(guān)鍵問題是風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，良好的自然通風(fēng)有利于潮濕空氣蒸發(fā)，從而帶走部分熱量。因而方案從規(guī)劃到單體，十分注重通風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用CFD軟件分別對(duì)整體規(guī)劃的風(fēng)環(huán)境和單體建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，借此優(yōu)化建筑微環(huán)境。
其次，建筑師應(yīng)該對(duì)建筑物理環(huán)境的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)有所了解，也就是說建筑師要能讀圖、讀懂圖。在還沒有出現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)以前，建筑師關(guān)注自然環(huán)境，通過自己和他人的親身體驗(yàn)，模糊的定義建筑物理環(huán)境的好壞。這種情況下建筑師通過長期的生活體驗(yàn)，能夠直觀地對(duì)建筑微環(huán)境的物理指標(biāo)給出感性評(píng)價(jià)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)出現(xiàn)后，冷、熱、干、濕等一系列形容詞一下子變成了色塊和阿拉伯?dāng)?shù)字。建筑師能否正確的、適當(dāng)?shù)亟庾x模擬圖的含義成為計(jì)算機(jī)模擬能否物盡其用的關(guān)鍵因素。下圖是對(duì)某生態(tài)建筑屋頂遮陽的計(jì)算機(jī)模擬，分析不同的遮陽形式對(duì)大廳室內(nèi)各層熱舒適狀況的影響。該項(xiàng)目所用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）推薦的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET，其可表示人在太陽輻射條件下對(duì)應(yīng)的冷熱感覺及健康狀況。當(dāng)SET大于30℃的時(shí)候，一般認(rèn)為不舒適。建筑師只有對(duì)模擬圖充分理解，計(jì)算機(jī)模擬才能夠?qū)ㄖO(shè)計(jì)真正起到指導(dǎo)作用。
再次，建筑師要擔(dān)當(dāng)起總體把握設(shè)計(jì)方案、理性分析環(huán)境條件、合理選擇技術(shù)手段的重任。一個(gè)建筑是否合理、是否節(jié)能不是單憑計(jì)算機(jī)軟件算出來。優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)是其成為一個(gè)綠色建筑典范的前提。如果方案設(shè)計(jì)理念就有悖于節(jié)能環(huán)保，即使再出色的計(jì)算機(jī)模擬也只能是亡羊補(bǔ)牢。有一段時(shí)期，我國北方出現(xiàn)了大量的全玻璃的綠色建筑。眾所周知，我國北方地區(qū)冬天寒冷，節(jié)能重點(diǎn)在于冬季的保溫隔熱。而一般用于外圍結(jié)構(gòu)的玻璃隔熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土，這決定了玻璃建筑在保溫方面存在天生缺陷。玻璃建筑晶瑩的表皮帶來的是大量的空調(diào)能耗和經(jīng)濟(jì)花銷，而非綠色節(jié)能。近幾年，我國與意大利合作設(shè)計(jì)了一座很有影響力的綠色建筑。下圖是設(shè)計(jì)過程中利用日照軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的模擬圖。勿庸質(zhì)疑，在方案設(shè)計(jì)中該項(xiàng)目運(yùn)用了先進(jìn)的模擬技術(shù)，經(jīng)過了仔細(xì)的計(jì)算與分析。然而再高明的模擬技術(shù)也無法避免通體的玻璃幕墻帶來的空調(diào)能耗和過億的造價(jià)。
最后要說的是一個(gè)態(tài)度問題。建筑師對(duì)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的使用應(yīng)該有一個(gè)科學(xué)的客觀的態(tài)度。當(dāng)代的一些建筑實(shí)踐中，對(duì)建筑模擬有兩種有失偏頗的看法：一種認(rèn)為現(xiàn)階段建筑的設(shè)計(jì)周期短，建筑師要考慮的因素多，計(jì)算機(jī)模擬是對(duì)建筑師提出的額外要求，增加了建筑師的工作量；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的，并且給建筑設(shè)計(jì)提供了有力的科學(xué)依據(jù)，比主觀的審美趣味更具說服力，可以用計(jì)算機(jī)“算”出建筑。這兩種觀點(diǎn)在目前的建筑實(shí)踐中都不是對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的客觀評(píng)價(jià)。計(jì)算機(jī)模擬僅僅是一種媒介工具，他的適用性需要建筑師憑借理性分析和經(jīng)驗(yàn)來判定，并且在建筑中始終是輔助設(shè)計(jì)的手段。這很像建筑表現(xiàn)中的透視，精美帥氣的透視圖固然能夠在一定程度上解決建筑的不可實(shí)驗(yàn)性帶來的設(shè)計(jì)困難，從而提高了建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量。但是，透視圖卻無法表現(xiàn)佛羅倫薩的滄桑和愛琴海邊小鎮(zhèn)的寧靜。計(jì)算機(jī)模擬可以成為建筑師設(shè)計(jì)靈感的源泉，但絕不能成為束縛建筑師創(chuàng)造力的韁繩。
4結(jié)語
建筑是藝術(shù)與技術(shù)共同作用的產(chǎn)物。從原始棚屋起，建筑技術(shù)發(fā)展的過程中經(jīng)歷了以拱券結(jié)構(gòu)和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主要成就，關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)特征的古羅馬時(shí)代，也經(jīng)歷了工業(yè)革命帶來的新材料、新能源的大規(guī)模運(yùn)用，現(xiàn)在又迎來了以計(jì)算機(jī)媒介技術(shù)為主要標(biāo)志的讀圖時(shí)代。模擬技術(shù)展示了以前不可見的環(huán)境和過程因素，建筑改變了他的不可試驗(yàn)性。媒介手段的改善必將會(huì)在設(shè)計(jì)方法、施工方法、設(shè)計(jì)理念等諸多方面打破傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)范式，相應(yīng)地也會(huì)改變建筑師的工作方法和知識(shí)結(jié)構(gòu)。這樣的時(shí)代背景呼喚著兼具節(jié)能工程師和設(shè)計(jì)師雙重能力的建筑師
參考文獻(xiàn)：
[1] 賴德林著.綠色建筑.[M].臺(tái)灣，詹氏書局，2006年10月.
[2] 林波榮.清華大學(xué)建筑環(huán)境模擬輔助設(shè)計(jì)課件.研究生課程，2006年.
[3] 林波榮，朱穎心，李曉峰.基于模擬技術(shù)的綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)例分析.建筑科學(xué).2006年，第4期.
[4] 林波榮，朱穎心，江億.生態(tài)建筑室外環(huán)境設(shè)計(jì)中的技術(shù)問題.21世紀(jì)綠色城市論壇論文集.2001年10月.
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