运用数字技术的适应环境型建筑表皮设计初探

俸 瑜

(重庆大学B区建筑城规学院 重庆 400044)



运用数字技术的适应环境型建筑表皮设计初探

俸 瑜

(重庆大学B区建筑城规学院 重庆 400044)

建设绿色低碳节能的城市已是现在建筑设计的一大趋势，让表皮(遮阳、窗洞)实现对不同环境与变化的环境相适应， 对于节能控制与空间造型塑造都有重要意义， 结合造型与节能技术进行设计是一个复杂的过程，随着数字技术的发展，设计师可以利用数字技术的辅助，在不断的反馈、优化下设计与环境契合节能的理想造型，并且利用数字技术进行复杂建模与模拟建造，并在建筑运行时利用数字技术进行可变表皮的控制，同时进行信息反馈，进一步优化以后的设计。

数字技术;可变表皮;适应环境;绿色节能

一、运用数字技术的适应型建筑表皮设计的需求与趋势

(一)建筑表皮设计巨大潜力

建设绿色低碳节能城市，用以应对气候的变化已经成为国际社会的共识，在这样的趋势引导下，建筑的节能设计也已成为不可逆转的趋势。建筑的表皮包括开窗、遮阳，是实现建筑内部空间与外部环境相互作用与影响的媒介，除了视觉作用与维护作用外，它应该还具备良好的热工性，从而降低建筑的能耗。而建筑的开窗处往往是维护体系热工性能的薄弱环节， 其大小、位置以及用材、构造等方面都需从生态优化的角度进行思考定位与设计。表皮的气候适应性越强，建筑的能耗越低，反之则越高[1]

(二)适应型表皮的需求

当下不少设计师在建筑形体完成的基础上不负责地任意附上表皮，也有部分设计师考虑到对遮阳或窗洞的设计，但是这些建筑的遮阳或表皮大多是采用静态的遮阳板、遮阳蓬等，而面对的是动态的有差异性的因素，不同的地区的气候因素，不同季节的气候因素，一天不同时间的光照情况的差异，同一建筑界面的不同位置也可能存在光环境或风环境的差异等等。面对这样变化的问题与因素，表皮的可变和对环境的适应在表皮的设计中越发重要。可调节节能构件或表皮能够根据室内外环境的变化，通过调节构件的角度和开启程度，保持建筑室内的采光和温度，为人们带来舒适的环境[2]。

(三)数字技术运用于适应型表皮设计的优势

1.及时交互式反馈与循环设计。绿色建筑的设计是在建筑设计与评测体系不断作用、反馈、循环的过程，以求得在不断地推导、演进与循环中优化设计方案。在一般情况下，建筑设计与绿色技术的评估往往是两个脱离的环节，二者的关系主要是操作上的先后。利用数字技术介入建筑设计的环节可以有效的环节评测分析的滞后性，能更有效地对设计相关的数据进行反馈与调控，大大节约循环的时间与人力成本。

2.合理模拟的科学性。在建筑的热工、节能设计环节，建筑师常常会的画一些通风、采光的示意图指导设计，但由于实际环境的复杂或是设计师知识储备有限，很多时候这种图纸是一个理想的状态。适应型的表皮由于会根据环境的变化相适应同时还会进行变化，这样的表皮在形态上、技术上、模拟上都会相当复杂。利用数字技术介入设计， 可以对环境、设计、建造等进行模拟， 可以真实地了解到方案的情况和问题，使设计有据可依，解决适应型表皮设计中的诸多问题。

3.对全生命周期的参与。绿色节能目标下的建筑表皮数字化设计，建筑师需要纵观全局、有始有终，其设计不应只局限于从热工性能和环境模拟方面进行生态建筑分析， 继而需要通过参数建模、智能控制等方面进行优化设计，从建筑设计的前期环境分析，到设计的模拟优化，到后期实施后的智能控制，在建筑的全生命周期中我们都可以利用数字技术参与建筑的不断优化同时探寻更好的模式， 并在这种完整的过程中完善建筑表皮技术与建筑设计技术，从而实现表皮低碳设计的合理化、高效化、标准化。

二、运用数字技术进行适应环境型表皮设计要点

(一)方案设计的“可视分析”

通过相应的分析软件，可以将评测的数据结果进行整理处理成可视化的数据对方案进行反馈与评估，如常见的可以通过颜色的变化分辨遮阳构件与室内热辐射的关系。并且如在Grasshopper等参数化的平台软件中可以通过插件使模拟的数据可视化，这样的好处是可以统一平台，参数化平台下的可视化结果有利于更为直观的认识与判断。这样可以使评测分析不再是一个设计方案后脱离的流程与评测结果，可以与模型相联系成为一个动态、直观反应模型变化的可视化的评测体系。

(二)表皮设计的控制深化与数据反馈优化

利用数字技术，对建筑与生态进行模拟得到的参数与模型可以有效的指导后续的设计。例如在方案初步整体平面与体量大致确定情况下，可以通过对不同方案体量表皮阳光辐射量调整建筑的开窗与遮阳的位置、大小与形式，可以更加有根据与效率地处理建筑的立面与细节部分。同时可以在参数化的关联模型中设置优化算法的模型，使数据趋于优化方向，同时调整相应的设计部分，得到接近理想的满足生态评测与设计效果的输出结果[3]。

(三)可视化建模

在可视化建模的帮助下，建筑师可以通过调节参数使数字模型不断调整更新，支持建筑表皮形态更加精细灵动，同时通过可视化的建模使建筑表皮向着更加节能、生态的方向调节。运用脚本编程建模，将环境因素、建筑形体与数学编程相结合，从而影响表皮形态的设计结果，达到顺应气候环境、低碳节能的目的。与此同时，经过脚本编程之后的表皮形态更具动态变化，也可以为建筑带来别具一格的艺术特色和视觉冲击力。

三、运用数字技术的适应型表皮设计

(一)在设计阶段的应用

在适应型表皮设计阶段，数字技术应用在对环境的模拟分析，形态的推敲与生成，可变模式的选取，材料的选取等。通过使用数字软件如Ecotect分析、CFD模拟，在设计时了解建筑布局和体量所在环境的微气候特点，设置合理的遮阳、窗洞口位置。结合设计师想要的空间效果与立面效果，对表皮的形态，角度，组合方式，构成等等进行建模与评测。适应型可变的表皮往往是相对于传统普通表皮是比较精密且复杂的，可变式表皮中还有许多控制、供电电路，通过模拟建造过程可以解决后期施工的很多问题。

(二)在运行阶段的应用

可变化的表皮孔洞在充分考虑光线、温湿度、通风、遮阳等事宜后，结合电脑控制科技协同自动控制系统，可以改变孔洞的大小、形态、或者是百叶等构件的方向，以达到理想的低碳化、生态化的功效。同时在很多建筑设计中运用了智能的日光偏转系统，该技术利用光线的反射和散射，将照射到室内的太阳光方向和强度进行选择。建筑运用检测系统和自动控制系统协调运作，随日光偏转调整构建的角度，改变表皮孔洞的模式，对使用者的需求做出及时反馈。表皮如玻璃幕墙和幕墙外部智能控制的水平金属百叶，每片百叶可以根据太阳的方位自动调节开启的角度，以改变透光表皮的孔洞模式。虽然在使用中需要运用电能进行探测和操控，但可以有效地降低夏日降温能耗以及采光能耗，帮助完成建筑低碳目标的实现。

小结

无论是从节能设计角度还是从建筑形态设计角度，对于建筑遮阳、窗体、表皮的设计都有重要的意义，但是也面对很多挑战，数字技术给建筑师带了很多可能性，弥补了传统设计的不足。建筑的表皮的设计与它的热工功能不再应该是一个被动在建成之后观察实验的过程，而是应该在建筑的全生命周期开始考虑，具体需求，以低碳可持续为目标，运用数字技术的信息传递、数字编程、参数化设计和优化建模等功能，系统地思考整个表皮设计过程，以促进建筑低碳化设计的发展和创新。

[1]李钢,李保峰,龚斌.建筑表皮的生态意义[J].新建筑,2008,(02):14-19.

[2]刘娣.基于节能技术影响的建筑表皮构成研究[D].北方工业大学,2016.

[3]翟炳博,徐卫国.数字技术辅助绿色建筑方案设计研究[J].城市建筑,2015,(31):114-117.

俸瑜(1993.06-)，男，汉族，四川人，重庆大学建筑城规学院硕士研究生，研究方向：建筑历史与理论。