绿色建筑的性能化设计——实践建筑师与工程师的融合

廖亮 陈天地 尹金秋 庞小辉 / LIAO Liang, CHEN Tiandi, YIN Jinqiu, PANG Xiaohui

绿色建筑的性能化设计
——实践建筑师与工程师的融合

廖亮 陈天地 尹金秋 庞小辉 / LIAO Liang, CHEN Tiandi, YIN Jinqiu, PANG Xiaohui

图1　苏州国裕二期人视效果

本文探讨了在建筑设计过程中，有别于以艺术性和功能性为主导的传统建筑设计过程，而是以性能为导向的性能化设计过程。该设计过程将建筑师和工程师的思维方式相融合，既重视发展建筑的艺术性、功能性和社会属性，也使用计算机建模工具模拟建筑运行过程的风环境、声环境、光环境、热环境、节能、绿色等方面的性能效果，并将这些重要的性能化指标作为设计指标。并通过一个实践案例的设计过程，阐述了在方案设计过程中如何实践建筑师和工程师的专业分工和融合。

绿色建筑 性能化设计 建筑师 工程师

绿色建筑设计要求在实现功能、美观、安全、舒适的前提下，提高建筑对资源的利用效率、保护环境、降低成本。绿色建筑的设计应遵循现代开放、端庄朴实、简洁流畅、动态亲民的建筑形象，从选址到规划、从朝向到风向、从平面到立面、从间距到界面、从单体到群落，都要充分利用自然能源，充分体现气候适宜性和场地适应性。它要求在传统建筑设计的基础上进行更广泛的信息共享、更协调的专业合作、更系统的流程整合，以实现自然环境和建筑体系互动的最优化。

基于目前绿色建筑设计的各方面要求，由建筑师单向主导整个设计过程的传统建筑设计存在种种弊端，相反，以性能化为导向的绿色建筑设计工作方法可以创造出更能体现建筑性能的绿色建筑。本文将在理论分析的基础上，以苏州国裕二期项目的方案设计过程为例进行具体阐述（图1、2）。

1　绿色建筑设计的发展

2006年，我国住建部和质量监督检疫总局联合发布了第一版的《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006），开始逐步推行绿色建筑，旨在实现建筑产业的可持续化转型。经过近几年的推广和发展，绿色建筑已经逐步得到了市场的认可，绿色建筑产业的市场份额逐步增加。在此背景之下，发展改革委、住房和城乡建设部于2014年颁布了第二版的《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014），并于2015年1月起正式执行。绿色建筑已经成为建筑产业发展的必然之路。绿色建筑设计作为实现绿色建筑发展的关键，已经得到越来越多研究机构、设计院和建筑咨询单位的重视，提出了一系列的绿色建筑设计方法，例如整合设计和全过程设计。

2　绿色建筑设计存在的问题

2.1绿色建筑设计原则与传统建筑设计思维的冲突

传统设计思维以建筑师和建造商达成的设计概念为开端，包含了整体布局规划、朝向、整体外观设计、平立剖设计，以及由此确定基本的建筑材料；各专业之间共同考虑的最主要因素是“建筑功能”，相互之间只需要简单的配合和沟通；建筑师几乎是整个设计过程的主导者。而在相当长的时期内（直到今天），建筑师对于建筑设计的追求仍大量停留于对艺术和功能的呈现，这种设计方法使得真正实现建筑最优性能表现受到了极大限制。而绿色建筑设计注重的是建筑运行应该遵循的物理规律和实现建筑的最优性能。在突出建筑的最优性能而确定出的性能化的设计指标中，可能存在和传统艺术呈现为主导的设计思维相冲突的方面。

2.2绿色建筑设计团队任务和分工不明确

图2　苏州国裕二期鸟瞰

建设方（很多情况下同时是使用方或代表使用方）发现，与以往大多只需和建筑师打交道不同，绿色建筑设计需要各方的参与，建筑功能、建筑空间、建筑形式、建筑造价等这些曾经相对简单的决策忽然间因为“绿色”而变得异常复杂。建筑师由于绿色建筑设计中层出不穷的非建筑专业新技术的出现，而对自己的角色定位感到茫然。与以往在常规设计中配合建筑专业完善相应的专业配套不同，绿色建筑设计中专业工程师作为绿色技术的重要设计力量，在设计中起着重要作用，但又受到专业的限制不可能起到整合设计过程的作用。总体来说，建筑师负责对人的认识和理解，而工程师负责对物理法则的遵从，两者需要相互依存和妥协，才能实现绿色建筑设计。

当下在绿色建筑设计中出现的问题是，设计过程中的参与者（角色）众多，但没有明确的角色定位，从而造成了角色的混乱。每个角色不了解自己应该介入的时间、在每一时间段（设计过程）中应该承担的任务和提供的成果，分工与任务不明确。这两方面的问题又使本已复杂的设计过程更加复杂。

2.3绿色建筑整合设计流程缺乏清晰的线索

作为绿色建筑设计的落实者——建筑师而言，对新技术的了解与跟进非常重要，但更重要的是建立起完整的、合理的设计流程，在这个流程中，众多角色各司其职，线索清晰，其成果并非简单的堆砌式的集成，而是经过流程中各阶段的多次整合。绿色建筑要求在建筑设计、建造及使用过程中充分考虑环保、节能、经济、舒适等综合因素，实现建筑与生态的协调可持续发展。此外，现行的教育体制环境对绿色建筑设计重视不够，相应的绿色建筑、节能生态设计人才培养体系尚未成熟，市场上缺乏专业的设计团队和技术人才，这些问题制约着绿色建筑设计水平的提高。

3　以性能化为导向的绿色建筑设计方法

与传统的建筑设计方法不同，性能化设计方法更加注重定性设计方法的定量化、定量设计方法的可视化、粗放型设计方法的精细化，同时更加强调预测建筑的未来性能，如能源的消耗、运行特征与管理、室内的声光热环境和舒适的人居环境、消防疏散、各种设备的安装和维护，甚至包括建筑的建造、拆除等各阶段的情况。例如在规划设计阶段，传统设计更加关心功能的布局，环境方面也只考虑绿化、水系等内容，而绿色建筑更强调围绕风、热、声、光等人居环境指标和节能、节地、节水、节材方面的资源利用效率方面展开设计。

苏州中科院全周期绿色建筑研究院结合自身在BIM全周期管理和性能化导向的设计研发方面的优势，引用循证设计的理念，形成了全周期绿色建筑的设计发展路线（图3）。该设计思路和传统由建筑师单向主导的设计流程的最大区别是将性能化为导向的设计流程融入其中，性能化导向的设计指标在方案设计初期就和传统设计理念进行关联。通过循证设计模型基于项目的特征和定位决定性能化导向的设计指标，进而筛选出适合的技术措施，生成不同的集成技术方案，并与设计方案融合成多种综合方案，经过对这些综合方案的比较，以及对应用成本评估模型进行评估，得出优选方案供最后筛选和深化。在建筑投入使用后，再通过BIM模型不断收集运行数据信息，检查方案设计的有效性，研究成果可应用于类似项目设计的性能化指标选取方法中。

绿色建筑设计一方面要求建筑师要了解设计的相关知识、建造过程和运行使用的要求，另一方面需要设计师通过一些定量方法，比如最近快速发展的计算机模拟技术BIM等，用于评估重要的设计指标能否实现，计算和分析设计方案的优劣。在设计行业专业逐步细化的今天，单个建筑师不需要也无法全部掌握这些技术，为了适应这两方面的需求，重要的是改变传统的设计流程和方式，以建筑最终的性能指标为导向，充分利用计算机模型工具指导、辅助设计，提出以性能化为导向的绿色建筑方案设计的阶段工作方法（图4）。

4　实践案例

4.1项目简介

图3　全周期绿色建筑设计发展路线

苏州国裕二期位于苏州市吴中区中心城区，南邻国裕大厦一期，西靠东吴北路（交通干道），北侧是吴中区市民文化广场，总建筑面积5.1万m2，包括5层裙楼和地上19层塔楼，地下一层为停车库和设备机房，裙楼部分主要业态为银行、会议、食堂和餐饮，塔楼部分为办公业态（图5）。项目在策划过程中即将目标定位为美国绿色建筑LEED（Leadership in Energy & Environmental Design，能源与环境设计先锋）金奖及中国绿色建筑二星级认证。

图4　性能化为导向的绿色建筑方案设计流程

4.2项目性能化设计过程

4.2.1草模建立与基地分析

获得设计任务后的第1步，建筑师分析了建筑功能的定位及要求，以及项目的场地特点和气候特点，设计形成了4种草模形体（图6）。

在对4种建筑方案进行分析时，建筑物理工程师建立了风环境和声环境模型，对场地风环境与声环境进行量化分析，参考性能化指标对设计模型进行评价和比较分析，提供比较结果供建筑师参考，再综合各种考量因素确定深化设计模型（表1）。

4.2.1.1风环境模拟分析

场地风环境的影响因素有以下几点：（1）室外距地1.5m高处风速；（2）裙房屋面风速；（3）建筑前后压差；（4）人行活动区是否出现涡旋。

对表2中的4种方案进行比较分析，可知：

方案1：夏季裙房屋面风速较大，对室外活动较为不利；裙房屋面风速较适宜冬季室外活动。夏季的建筑前后压差为7Pa，利于室内自然通风；冬季的压差为10Pa，不利于建筑保温。

方案2：夏冬季裙房屋面风速均较大，对室外活动较为不利。夏季的建筑前后压差为9Pa，利于室内自然通风；冬季的压差为15Pa，不利于建筑保温。

方案3：夏冬季裙房屋面风速均较大，对室外活动较为不利。夏季的建筑前后压差为9Pa，利于室内自然通风；冬季的压差为13Pa，不利于建筑保温。

方案4：夏季裙房屋面风速对室外活动较为适宜；裙房屋面风速较适宜冬季室外活动。夏季的建筑前后压差为9Pa，利于室内自然通风；冬季的压差为5Pa，利于建筑保温。

综合比较发现，各方案1.5m人行区域高度风速均在5m/s以下，符合基本要求，但在节能性能以及良好人居环境营造上，方案4体现了较高水平。

4.2.1.2声环境模拟分析

场地周围主要噪声源为交通噪声，根据交通规模预测交通噪声量，通过计算机模拟分析交通噪声对区域声环境的影响，本文将以方案4为例阐述对声环境的分析过程。根据《声环境质量标准》（GB3096-2008）的要求，本项目场地环境噪声应达到昼间≤70dB（A）的规定。

根据Cadna/A软件三维模型图，裙房距外墙1m处噪声及塔楼距外墙1m处噪声，各方案均存在噪声超过70dB的情况，需对方案进一步优化比较（图7；表3、4），拟采取通过室外绿化带屏蔽主要噪声源的措施。

综合比较裙房与塔楼处噪声，方案4在采取绿化屏障措施后能够将噪声值控制在较低的水平。通过场地风环境与声环境的综合分析比较，方案4优于其他3个方案。

综合考量其他主要影响因素，建筑师选择方案4作为进一步深化的对象，在此方案基础上进行更为深入的性能分析比较。

4.2.2平立剖深化

在第1步确定好深化方向后，第2步的主要工作是深化模型，确定平立剖设计。在这一步的工作中，建筑物理工程师进行了建筑单体风环境、光环境和热环境的分析，对平面布局、形体优化和立面设计都提供了具体的深化意见。

图5　苏州国裕二期沿路透视

图6　草模形体

表1　草模风环境计算机模拟图汇总

表2　各方案风环境分析结果汇总

表3　优化前声环境分析

4.2.2.1裙楼屋顶局部架空

通过对方案4冬季室外风环境的进一步分析得知，裙房屋面由于受到塔楼遮挡，通风不畅（图8）。可采取局部架空方式进行优化，改善效果包括：（1）冬季通过导流降低迎风面的风压，进而减少压差，降低冬季渗透风产生的空调能耗；（2）增大夏季裙房屋面风速，改善人员休闲活动的热环境。

4.2.2.2增加边庭

表4　优化设计后声环境分析

图7　声环境计算机模拟分析

图8　建筑形体风环境优化分析

通过对方案4室内采光进一步分析得知，主要功能房间采光系数平均值为6.6%，进深较大处采光系数较低（图9）。可采取增加边庭、扩大采光面等方式进行优化，优化前后的对比如下：引入边庭前，主要功能房间采光系数平均值为6.6%，中间灰色区域低于3.3%；引入边庭后，主要功能房间采光系数平均值为9.0%，采光良好区域明显增加。

4.2.2.3立面自遮阳设计

通过对方案4西、北立面的太阳得热量进行分析（图10），在高辐射量区域增加外遮阳，采用浅色高反射玻璃外窗，低辐射量区域不采用外遮阳措施，形成具有一定规律性的表皮形式，形成自遮阳设计，既能达到较好的节能效果，又具有一定的美学感受。

4.2.3专业整合与绿色技术集成

第3步工作的主要目标是将绿色建筑技术按照项目的设计意图和本地气候特征进一步分析可行性，并集成到项目方案设计中。在集成技术的筛选过程中，既考虑了实现项目节能减排方面的性能指标，同时也参照美国LEED绿色建筑认证的金奖标准和中国绿色建筑评价二星级标准对设计进行预评估和优化。

4.2.3.1节能潜力分析

本项目设计分3个层级实现项目节能设计的目标。第1个层级，优先考虑被动式的节能技术，降低能耗需求，包括在设计中整合了种植屋面技术、双层幕墙技术、光导管技术等；第2个层级，进一步考虑主动节能技术，提升能源效率，在设计中整合了VRV多联机系统、新风热回收、溶液调湿机组、CO2监测、高效节能灯具照明；第3个层级，使用可再生能源技术，优化能源结构并进一步降低能耗，在设计中整合了电梯势能再生发电、太阳能光热和光伏发电。通过建立动态能耗分析模型，实施第1个层级的技术后能耗比参考建筑降低9%；继续实施第2个层级的技术后能耗比参考建筑降低24.5%；再继续实施第3个层级的技术后能耗比参考建筑降低30%。

4.2.3.2绿色建筑技术集成

按照美国LEED金奖目标以及中国绿建二星级认证目标，对项目绿色建筑技术应用可行性的初步评估（图11）。

在建筑师和工程师的共同努力下，项目完成最终的设计方案，绿色建筑技术集成成果如图12所示。

5　结论和展望

本文介绍了一个项目实践案例的方案设计过程，阐述了以性能化为导向的绿色建筑设计工作方法。与传统建筑设计由建筑师单向主导整个设计过程不同，以性能化为导向的建筑设计过程融合了建筑师和工程师的思维方式，延续了建筑师展开思维的设计演变路径，也充分考虑了建筑的物理特征，并遵循建筑和气候的物理规律，进行适应性设计。在设计过程中，由建筑师负责在设计过程中对建筑、社会、人的活动的关系进行诠释和表达，由工程师负责对自然物理规律的遵从，并通过对物理规律的分析和计算机模拟计算，给予建筑设计具体的参数指引。通过建筑师和工程师工作方法的融合，创造出更能体现建筑性能的绿色建筑。

图9　建筑平面光环境模拟优化分析

图10　建筑立面得热模拟优化分析

在建筑师和工程师工作方法融合的设计过程中，项目成功的一个关键因素是，在项目初期即明确了将实现建筑全周期的最优性能作为目标，并采纳一系列的性能化导向的设计指标；另一个关键因素是，如何选择适合项目特征的性能化指标，而性能化指标的科学性有赖于循证设计的大数据平台的建立和针对项目特征的筛选分析。这些性能化指标通过合理设计后，在建筑实际运行过程中不断监测其性能表现，通过BIM模型收集到大数据平台，通过分析归纳形成经验反馈，从而加强循证设计过程的科学性和性能化导向的设计指标的科学性。

图11　LEED及中国绿色建筑评价结果

[1] 陈天地，尹金秋，陈勇.中国城市发展报告(2015)[M](审稿中).

[2] 陈冰，张华，尹金秋，等.循证设计原理及其在绿色建筑领域的运用[J].建筑学报（审核中）.

[3] 夏麟.绿色建筑设计理念、技术和实践[C]//第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集，2013.

[4] 贾琼.绿色建筑设计与技术方面的问题探讨[J].城市建筑，2013（23）.

廖亮，GBPP绿色建筑研究中心总监，原苏州中科院全周期绿色建筑研究院性能化设计所总监，中国建筑节能与绿色建筑青年委员会成员

陈天地，苏州中科院全周期绿色建筑研究院常务副院长

尹金秋，苏州中科院全周期绿色建筑研究院性能化设计所绿色建筑顾问

庞小辉，苏州中科院全周期绿色建筑研究院性能化设计所绿色建筑顾问

2015-04-29

THE PERFORMANCE-BASED DESIGN OF GREEN BUILDING: PRACTICE THE FUSION OF ARCHITECTS AND ENGINEERS

This paper discusses the performance-based in the process of design, which is different from traditional architectural design dominated by artistic and functional. The process of design combines the thinking of architects and engineers, which attaches great importance to the development of the art, function and social attributes of buildings, and also uses the computer modeling tool, proposing the performance effect of the wind environment, sound environment, light environment, thermal environment, energy saving, green, etc. in buildings operations, and setting these important performance-based indicators as design indicators. This paper also takes a practical case as an example to expound how to practice the architects and engineers professional division and integration in the scheme design.

Green Building, Performance-Based Design, Architect, Engineer