基于数字模拟的可持续建筑设计方法——以天津泰达现代服务产业区MSD拓展区设计研究为例

文/杨曦、闫昱 中国建筑设计咨询有限公司 北京 100120

在我国，公共建筑数量越来越多，建设规模也越来越大，随之而来的耗能问题也日益突出。有数据表明，大型公共建筑的节能潜力在30%以上，而办公建筑正是公共建筑中一种较普遍的建筑类型。办公建筑的需求量较大，同时由于本身功能的复杂性和设计的多样性，使其对能源和环境的影响较大。由此可见，对办公建筑的可持续设计方法所进行的一系列探索性的研究具有战略性的意义。

建筑的可持续设计，不仅对建筑环境工程师、建筑设备工程师提出挑战，更重要的是对建筑师的挑战。与发达国家相比，我国建筑师的可持续设计意识尚很缺乏，更多侧重于建筑的外观与功能布置，或者将节能仅仅局限于后期的材料与设备等具体细节设计。但事实往往是：设计初期的策略对建筑方案可持续性能的潜力有着决定性的影响，好的初期策略能达到事半功倍的节能效果。尤其是相对于利用建筑设备对建筑施加能量来维持舒适度的“主动式设计”，通过建筑本身的合理设计和调节来达到创造良好室内外环境的“被动式节能设计”无疑对于有着更大的经济可行性。同时，计算机科学的发展使场所规划、朝向、建筑形体、剖面形态、立面形式、基本材料等初期决策都可以通过各种计算机软件量化模拟进行生态性能的比较及优化，为建筑师在设计初期的节能设计提供了有效的指导和参考。天津泰达现代服务产业区MSD拓展区G、H、I地块的方案评价与设计是对建筑初期节能设计的一次探索实践，通过计算机软件对原有方案及修改方案的环境模拟比较分析，对原方案提出了研究性的设计修改策略，其过程方法为今后的建筑初期节能设计提供了有益的借鉴。

1、中标方案设计构思

该项目的中标方案是由英国的阿特金斯公司所设计，其核心理念是以丰富底层裙房的城市空间创造独特的城市建筑形态。该方案在总平面设计中采用了“抽屉”模式，使建筑单体之间相互交错，从而减弱了建筑之间的遮挡，增强了建筑群与周围城市空间的对话。同时，将建筑之间的场地设计成广场，并利用连续变化的内街步行系统将相邻的地块联系在一起，形成丰富的外部空间。在建筑的单体设计中，建筑师通过巧妙的建筑语言的演变，不仅保持了建筑群连续的整体性和特点鲜明的建筑形式，局部幕墙和花池的处理也增强了建筑的趣味性。

图1 泰达现代产业服务区MSD拓展区GHI地块原方案总平面图及鸟瞰模型

2、中标方案分析

在阿特金斯的规划设计方案中体现出了一定的可持续设计策略的运用。如建筑交错布局可以避免建筑之间的相互遮挡，提高太阳辐射能的利用，也增加了办公空间的自然采光。这种相互连通、渗透的布局方式也有利于建筑之间的空气流通，促进办公空间的自然通风。同时在设计时有效地利用了周围的集中绿地，并将城市绿化引入建筑群之中，对改善该办公建筑群的微气候起到了重要作用。在建筑的单体设计中，采用了简洁的立方体造型，因此体形系数都比较小，这对于提高建筑的热工性能有很大作用。在建筑的空间设计方面，布置了大量的绿化空间和绿墙等，起到了温度阻尼区的作用，其中单体西侧的整体绿化空间有效避免了西晒的影响。

图2 “抽屉”模式

然而，笔者通过软件对GHI地块进行日照模拟分析后可以看出，阿特金斯的设计方案中日照条件不是很理想。首先，由于南侧建筑的遮挡，各层的日照条件比较差，对地面行人的活动和二三层开敞购物平台的设置均有不利影响。其次，由于南侧建筑高度较高且比较密集，对北侧建筑的办公部分的采光遮挡也比较严重。

此外，通过风环境模拟可以发现该建筑群的规划设计对冬夏季的风环境有以下影响：

（1）南侧建筑较密集，对北侧建筑的夏季通风产生较大遮挡；

（2）北侧建筑相对稀疏，不利于为南侧建筑遮挡冬季风；

（3）东西相邻建筑间距过近，易形成楼宇风和狭管风，不利于行人；

（4）夏季南侧建筑的背风面和冬季北侧建筑的迎风面风情况较差，对开场购物平台的布置造成影响。

3、总平面调整

由于本次研究是为阿特金斯公司提供方案修改的参考，因此不希望有过大的变动。在新布局中，通过分析软件模拟的结果，最终采用北侧板式南侧点式、南北侧建筑交错插空布置的平面设计，并且使各单体高低相隔布置。这样的总平面布置方式使南侧建筑对北侧建筑及场地的日照和夏季通风遮挡最小，同时可以避免风廊和楼宇风的形成。

各建筑单体均旋转了一定角度，这样可以使建筑群获得最佳风向投射角。此外，在建筑转角处采用了流线型处理，避免了高层建筑转角处易形成的风向及风速紊乱。从模拟结果可以看出该方案的日照及风环境均有明显的改善（图7、图8）。

图3 新方案日照环境模拟

图4 新方案风环境模拟

在对场地规划分析并调整的过程中可以发现，通过计算机环境模拟，可以较为直观的发现问题所在。通过对不同方案的对比，以及反复的发现问题并调整的过程，可以得到更加合理宜人的规划布局，为后面进一步的建筑可持续设计打下基础。

4、建筑形体调整

建筑单体的被动式节能设计涉及到建筑形体、平面布局、立面设计、维护结构材料、遮阳通风措施等诸多方面。原方案的建筑单体采用典型高层办公楼形式，方形或矩形的建筑平面，中心布置核心筒，四周为敞开式办公空间。

在对规划方案中南侧点式建筑的调整中，考虑到其临街效果及最大化接收太阳辐射和采光，在保证外墙总面积不变的情况下，增大东、南向墙的面积，减小西北向墙的面积。而对于北侧板式建筑的调整，由于冬季寒风对其保温影响较大，因此移动核心筒位置，将其置于建筑北侧，以增强建筑整体保温性能。

利用能耗软件HTB2进行模拟可以发现，设定人体舒适温度为18-26℃时，在采用相同外围护结构情况下（外墙为一般保温隔热墙体，传热系数1.65；窗采用双层玻璃窗，传热系数2.7），经过平面形式调整后的北侧和南侧建筑相比原平面形式能耗均有明显下降。

5、表皮设计

在立面处理上，由于窗体是建筑保温的薄弱环节，原来 0.7的窗墙比会对建筑整体节能有较大影响，因此考虑根据不同朝向分别适当降低窗墙比。以点式建筑为例，将其窗墙比调整为北向0.25，东西向0.3，南向0.4，同时为了进一步降低夏季进入室内的太阳辐射量，调节自然采光、避免眩光，在南向采用了水平遮阳方式，而在东西向采用了垂直遮阳方式。

利用能耗软件HTB2模拟可以发现，设定人体舒适温度为18-26℃时，全年室外温度为非人体舒适时间为6426小时。以这段时间作为分析对象，在采用相同墙体及窗体材料情况下（外墙为一般保温隔热墙体，传热系数1.65；窗采用双层玻璃窗，传热系数2.7），原窗墙比情况下需要机械制冷（或制热）的时间为3840小时，占总小时数59.7%；而改变窗墙比后需要机械制冷或制热时间为3271小时，占总小时50.9%。

窗墙比的降低虽然会给室内自然采光带来一定弊端，但是考虑到目前以计算机操作为主的办公方式，对采光的要求已经较以前降低了许多。根据《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001要求，办公建筑室内采光系数最低值是2%，室内天然光临界照度是100lx。用ECOTECT对采光进行模拟发现，在全阴天的最不利条件下，室内绝大部分区域照度均在l00lx以上，满足采光标准要求。

总结：

随着计算机软件技术的成熟，其对建筑的各项数字模拟结果的可靠性越来越高。加之软件模拟的经济性和易操作性，软件在未来的可持续办公建筑设计中将扮演越来越重要的角色。办公建筑的形式也将通过参数化设计和软件模拟的相互结合不断创新，给建筑师带来新的创作灵感。此外，结合可持续策略的设计手法将会使得办公建筑形体不再是千篇一律的玻璃方盒子，而是每一栋办公建筑都是根据周围的环境和气候产生的。这种“量体裁衣”式的设计方法不仅会产生环境友好、舒适、经济的效果，还会由此为办公建筑的形体带来地域性特点。总之，这种基于数字模拟的可持续建筑设计是一种环境友好型的设计方法，可以使建筑更好地适应环境，在一定程度上可以延续建筑的使用寿命。