绿色建造全过程一体化协同设计方法*

薛 峰，凌苏扬，崔德鑫

(中国中建设计集团有限公司，北京 100037)

1 绿色建造正向整合设计流程方法研究

1.1 我国存在的问题分析

1)缺乏设计贯穿绿色建造的机制 绿色建造离不开设计的协同统筹和贯穿建造全过程的精益配合。但由于长期割裂的行业管理模式，致使设计、施工、采购和运营完全割裂，设计机制无法协同施工建造工艺、技术和材料选择，更谈不上对运营的统筹。

2)缺乏设计协同绿色建造的方法 缺乏将全产业链的生产加工、施工装配、智慧组织等绿色建造高维复杂系统与设计业务融合的整合设计方法与大数据协同平台。

3)缺乏设计支撑绿色建造全产业链协同的模式 设计院的业务链前端优势没有发挥出来，设计院和工程企业的“围墙”没有打开，行业资源共享平台没有建立起来，产业壁垒造成“各说各话”的现象。

1.2 协同设计的方法和内容

要实现高质量、高品质的精益绿色建造离不开设计，设计是绿色建造的关键部分，绿色建造所指的设计包括了方案设计、技术设计、施工深化设计和调适提升设计，其高颗粒度的流程控制和频繁权衡是关键保障。

协同设计方法不仅止于技术内容，还包含对团队的管理与把控，因为协同过程中每个组成部分对整体目标的认知程度甚至积极程度都对项目的最终结果有着很大的影响。成熟的协同方法更强调整个建设过程的团队随时都要以优化整体而非部分优化为目标，让每个组成部分清楚整体的目标和进度，尊重每个组成部分的专业性意见。

建筑师需要掌握的能力也不仅仅止于设计，还必须包括管理、建造等方面的知识和能力。建筑师要明确从项目启动到结束的全部阶段建筑师负责的工作内容，主要职责包括：项目管理服务、支持服务、评估与策划服务、设计服务、施工采购合同管理服务和设施调试服务。由于建筑师在选择材料和确定工艺流程方面具有专业性和权威性，应约定建筑师具有指定材料和确定施工工艺的权利等，这对于降低建筑业的碳排放会起到重要作用。

据统计我国碳排放中建筑运行约占21%，建筑业约占比18%，而建材占了很大的比例。要解决这一问题，就要实现设计与绿色建造的大数据融合，推进设计建造一体化的管理数字化、生产数字化(工具&平台)和技术数字化(技术标准化、知识和数据库平台建设)。以数字化为依托，强化设计业务链条上各环节的互联互通；结合BIM，VR，AR等技术的运用，实现结合传统互联网，工业互联网，人体互联网，构建可支撑数字空间、数字人体、数字建材、数字模拟、可人工智能运算的数字孪生协同工作平台，实现设计与绿色建造全过程的大数据融合。

1.3 机制、方法、模式和工具

1)应建立与此相对应的新机制 也就是设计建造一体化整合，面向市场，结合建筑师负责制和全过程咨询的项目实施新机制。

2)应建立与此相对应的新方法 也就是全产业链正向整合设计新方法。设计应统筹场地规划、建筑结构、机电设备、装饰装修、景观环境和各类专项设计，实施全专业一体化协同设计，采用设计总承包方式。设计应统筹策划、设计、生产、施工、交付建设全过程，实现设计与全产业链的生产加工、施工装配一体化协同，实施全过程一体化协同设计，采用工程总承包模式。设计应负责选择可降低建筑全寿命期碳排放值，并获得绿色建材认证标识的建筑材料和产品。

3)应建立与此相对应的新业务模式 建立行业资源可纵向拉通、横向联合、跨界融合的分类城市建设和有机更新精益设计建造一体化产品和业务推广模式。

4)应建立与此相对应的新工具平台 结合传统互联网，工业互联网，人体互联网，构建可支撑数字空间、数字人体、数字建材、数字模拟、可人工智能运算的数字孪生协同工作平台。

只有这样，才能发挥设计院业务链前端优势，对应建筑师负责制的实施，构建设计与建造之间合作的机制。创造PDC (planning, design and construction，策划、设计、施工交付)新型建造业务模式，打造基于“产业链纵向一体化”的综合解决方案和新型业务模式。

2 协同设计流程和工作模板

绿色建筑设计全过程的协同工作是一个“巨系统”，建筑师要想统筹好这个组织环节和技术体系越来越复杂的“巨系统”工程，流程管理至关重要。

2.1 确定流程控制节点

协同设计流程的设定并不是要罗列所有的工作节点，而是要明确建造全过程与建筑质量和品质密切相关的性能控制节点都有哪些、建筑师应该怎么做、做了没有、是否达到目标要求。本研究将国家标准GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》、各地方编制的绿色建筑设计标准，以及正在编制的团体标准《建筑工程绿色建造评价标准》和《公共建筑后评估标准》等标准规范及技术措施中1 600余项措施要点进行提炼，总结为约70项流程步骤。再将这些流程步骤按照“场地规划设计、建筑方案设计、技术设计、设计选材、设计交付与调适”5个阶段约19项流程(过程)进行控制(其中建筑师主导的关键控制节点为7项)，保证每项步骤和关键流程节点的过程控制效果。

2.2 制定项目前置控制要求

美国、英国等发达国家的建筑师需要负责编制项目“技术标准(technical specification)”，并在不同的设计阶段进行不断的优化调整，可以形象地说他们的很多设计工作是“写出来”，而不是“画出来的”。

我国设计工作很多只是止步于图面上，多依据“标准”开展设计。实际上，即使标准规定得再详细，也不可能做到穷尽所有事项，只有根据不同项目的具体情况，结合流程和内容节点控制要求制定详细的项目级“技术标准”(技术规范书)，形成“一案一标”的前置性能控制要求，并在项目实施过程中不断优化调整，才能使绿色设计的流程控制有了精细化落地的抓手。

2.3 选取重点节能空间

本研究针对100多个不同类型的公共建筑项目，以及《建筑设计资料集》对于各类型公共建筑不同功能空间的分类，整理出260个功能空间。经过归类整理，从中归纳出74类主要的功能空间，再经过针对建筑师的问卷调查，并依据《全国民用建筑工程设计技术措施》和相关标准规范中对主要功能空间负荷指标的规定，合并简化为32类节能重点空间。通过对各类功能空间的供暖热负荷及电负荷模拟计算，形成节能重点空间的负荷区间取值。

2.4 确定重点节能空间影响因子

针对重点节能空间建筑师通过其优化设计进行有效控制，首先应以空间面积、空间大小、空间在建筑中所处的位置、空间的功能复合性等为影响因子；其次再以围护结构、通风采光、窗墙比等主动、被动技术手段的应用情况进行数据模拟；最终通过大量设计项目在协同设计平台的应用，形成大数据叠加，通过机器学习不断进行自我修正，最终形成技术应用的影响系数区间。

2.5 搭建绿色建筑协同设计模板

随着新一代信息技术的应用，可以将协同设计流程与方法应用于设计平台之中，其中绿色建筑协同设计模板作为开展工作的基础，应包括：量化分析、数值约束、设计要点和性能要求等关键要点。与传统设计方法相比，其优越性具体体现为：①能够明确重点节能空间、各类空间节能影响率；②前期多方案自查比选方便快捷且科学合理；③对于优先应用被动技术，可直观估算各技术手段的节能率；④实时比对舒适性、能耗、经济等指标根据不同技术手段选择的变动情况；⑤将后期暖通模拟基本系数简化、前置，形成与建筑师的有效沟通。

3 协同设计流程编制

3.1 场地规划设计应符合以下设计流程和节点控制要求

1)城市环境呼应与场地资源利用保护，包括：符合上位规划和城市设计要求，场地布局与城市环境进行呼应，对场地既有设施和现有资源环境进行利用和保护。

2)对场地规划布局进行环境模拟分析，包括：日照环境、风环境、光环境、声环境、遮阴环境等模拟分析。

3)场地交通与公共设施规划布局合理，包括：场地人行、车行流线和停车设施布局合理；形成开放共享的服务设施和公共空间；室外设施完备，材料安全、耐用、易于维护。

4)优化调整公共空间环境舒适与利用率，包括：提供多样化的室外空间；公共空间具有舒适度，满足多季节、多时段使用需求；公共空间具有吸引力，促进使用者交流。

3.2 建筑方案设计应符合以下设计流程和节点控制要求

1)优化调整建筑形态和重点耗能功能空间布局，包括：优化调整建筑形态、体型控制、重点耗能功能空间布局。

2)优化调整窗墙体界面有利于利用自然资源，包括：优化调整不同朝向，周边自然环境资源影响建筑开窗和窗墙、幕墙比例；优化调整窗体开启方式和比例。

3)建筑利用自然资源优化模拟分析，包括：对地上地下建筑主要功能空间的光环境、日照环境、自然通风环境进行模拟分析；对窗洞口和构件以及导光构件进行模拟分析。

3.3 技术设计应符合以下设计流程和节点控制要求

1)完成模数和构造节点性能优化设计，包括：对空间模数和用材模数协调进行优化设计；对墙面、窗体、幕墙、地面、吊顶和隔墙等构造节点进行优化设计；对围护结构和内隔墙的热工性能、防水性能、隔声性能等构造节点进行优化设计；对管线集成和安装节点进行优化设计。

2)结构设计涉及建筑功能、建筑形态、模数、装配和基坑等优化，包括：结合建筑功能进行结构优化设计；结合建筑形态进行结构优化设计；空间和构件符合模数化设计要求；采用工业化装配结构；结合实际施工条件进行基坑开挖优化设计。

3)围护设计涉及建筑性能指标的认定，包括：对围护结构防火性能、热工性能、防水性能、隔声性能等进行优化设计。

4)机电设计涉及设备系统性能指标的认定，包括：对空调热源和冷源、输配系统、监控与计量和末端装置等进行优化设计；对供配电系统、照明系统、电气设备进行优化设计；对直流供电充电桩配置、蓄能系统等进行优选优化设计；对信息网络和智能运维系统进行优选优化设计；对可再生能源利用进行优选优化设计。

5)给排水设计涉及生活和设备用水系统性能指标的认定，包括：优化调整卫生器具的用水效率等级；对绿化灌溉系统进行优化设计；对空调冷却水系统进行优化设计；保证生活饮用水水质符合技术要求。

6)室外环境设计环境丰富度和雨水利用优化设计，包括：进行使室外环境符合绿化充分、景观层次丰富、环境整洁美观的优化设计；优化场地竖向设计，对雨水收集利用、排放和海绵渗透进行优化设计。

3.4 设计选材应符合以下设计流程和节点控制要求

1)外界面利用废弃、自然材料和复合材料选材优化，包括：界面表皮材料利用自然资源就地取材和废旧材料；外饰采用单元式幕墙、多功能复合墙体等集成墙板材料；室外环境材料采用自然资源就地取材和废旧材料；采用以废弃物和建筑垃圾为原料生产的利废建材。

2)建筑内装修采用一体化集成产品选材优化，包括：采用装配式装修、选用厨卫集成模块。

3)材料同寿命族群和部品部件之间寿命匹配选材优化，包括：建立相近使用年限的同寿命期族群适配材料组合；活动配件选用长寿命产品，并考虑部品之间合理的寿命匹配，构造便于通用性拆换。

3.5 设计交付与调适应符合以下设计流程和节点控制要求

1)交付前对建筑围护系统和各设备系统进行设计调适，包括：围护结构和设施系统调适；空调、照明系统调适。

2)开展运行能耗与设计工况对比分析，包括：围护结构热工性能测试与设计工况对比；空调、照明、插座等系统运行能耗与设计工况对比分析；可再生能源利用与设计工况对比分析。

3)开展室内外环境质量与设计工况对比分析和用户满意度评价，包括：测试天然采光、混合采光、人工照明质量；测试室内空气质量、室内热舒适度、过渡季自然通风质量；室内外环境的用户满意度评价。

4 北京大兴国际机场南航运控指挥中心绿色设计

北京大兴国际机场南航运控指挥中心是集航运3C运控指挥、飞行签派出勤、飞行训练、飞行空勤周转、飞行体检康复、飞行数据中心、航勤配套服务和航运管理等功能于一体的大型综合体建筑，建筑规模50万m2，是亚洲规模最大的航空运控指挥中心，如图1所示。

图1 整体建设效果实景

由于该项目建设周期较短且采用设计总承包方式，项目组按上述全过程设计流程、步骤和节点控制要求进行管理，将规划设计、建筑结构、机电设备、部品部件、装配施工、装饰装修、景观环境和各类专项设计以及工艺加工、绿色选材和成本管控等工作流程汇集于一体进行管理。制定了每个步骤相应的设计策略、控制要点、优化要点和目标值，并在关键的设计节点进行仿真模拟分析要求。分析不同的功能空间能耗特征，明确节能重点空间，给出相应的关键技术索引，获得了三星级绿色建筑设计标识，形成的流程管理平台申请了软件著作权。过程中形成的绿色协同设计流程和节点管控构架如图2所示。

图2 南航运控指挥中心协同设计流程和节点管控构架

该项目建设规模大、建设周期短、建设标准高。只有通过这种科学的协同设计流程管理方法，才能保证项目高质量、高品质的实施。①在项目前期就制定了项目“技术标准”(技术规范书)，形成了前置性能控制要求。②建立“高颗粒度”的绿色协同设计流程，有效组织了土建、装修、景观、专项、标识等多专业的一体化并行协同设计。③设计优化与施工深化并行协同，节点设计、设备选型、选材等深化设计结合过程管理和运行管理的要求进行优化，既保证了建筑质量、品质，又保证了成本控制、运行实效及建设工期。

该项目采用高性能装配式围护结构，达到80%节能率和1.71W/m2·K的整体围护结构传热系数；地板和整体墙板全部采用弹性可变管线空间，解决了大型航空运控设施信息化功能升级调整慢的问题。

为使长时间在封闭狭小机舱工作的空勤人员在此能够得到心情舒缓，项目跨越城市市政道路设计了1条连接各功能建筑群的“空中绿廊”，可供休憩、交流，拥有良好的天然采光、观景视线良好。中庭空间随处可见绿植，所有健身空间和配套服务空间均可天然采光，在室内交通空间节点设计具有良好景色和天然采光的“家庭式相聚单元”，让空勤人员可以放下一天的疲惫并得到充分的身心休息，建成效果如图3～9所示。

图3 高性能装配式围护结构及庭院环境

图4 连接各功能建筑群的“空中绿廊”

图5 “空中绿廊”庭院环境

图8 具有良好景色和天然采光的“家庭式相聚单元”

图9 可有自然天光的空勤人员签派空间