建筑師和計算機模擬論文

　　摘 要：計算機模擬技術(shù)是讀圖時代綠色建筑設(shè)計的一個有效的媒介工具。他對建筑師提出了更高的要求。本文概述了計算機模擬技術(shù)的歷史和在建筑設(shè)計中的運用，并以此為基礎(chǔ)通過案例分析，解析了計算機模擬技術(shù)介入方案設(shè)計對建筑師提出的四點基本要求。

　　關(guān)鍵詞：計算機模擬； 媒介； 建筑師； 知識結(jié)構(gòu)

　　隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們的社會已經(jīng)步入了讀圖時代。計算機模擬技術(shù)是讀圖時代下綠色建筑設(shè)計的新媒介，它的出現(xiàn)對建筑師提出了新的要求，建筑師的知識結(jié)構(gòu)亟待更新。時代呼喚“升級版建筑師”。

　　1計算機模擬出現(xiàn)的時代背景

　　20世紀(jì)中期，能源、環(huán)境成為了全球關(guān)注的熱點問題。一部著作——《成長的極限》、兩次能源危機，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)開始反思對自身對環(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)的社會責(zé)任。

　　建筑設(shè)計中，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)�用計算機將不可見的環(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)計算使建筑物理環(huán)境的設(shè)計更加精準(zhǔn)化，從而達到節(jié)約能源的目的。計算機模擬技術(shù)就是這種時代背景下的產(chǎn)物。最早計算機模擬技術(shù)主要用于照明、暖通空調(diào)、通風(fēng)等方面的節(jié)能模擬。第二次石油危機過后，對節(jié)能的激勵減弱了，加之電腦技術(shù)的局限，計算機模擬一段時間內(nèi)銷聲匿跡。90年代初期，個人電腦的計算能力和儲存能力增強，計算機模擬得以發(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，計算機成了一種新的更為便捷的設(shè)計媒介工具，它通過對建筑信息、環(huán)境信息、計算模型的設(shè)計與運算，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“讀圖時代”。

　　2計算機模擬的類型及其在建筑設(shè)計中的應(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�師的必備素質(zhì)。目前，眾多模擬技術(shù)中能夠直接介入設(shè)計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)計中的作用不同可以分為參考性模擬和評價性模擬兩種。參考性模擬主要應(yīng)用在建筑設(shè)計的過程，其主要作用是預(yù)測建筑周邊的物理環(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)計依據(jù)，避免由建筑設(shè)計原因?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。評價性模擬的應(yīng)用有兩類，一是對重大項目設(shè)計階段結(jié)束之后施工階段開始之前，尤其是對建筑物理環(huán)境有特殊要求的建筑進行物理環(huán)境的準(zhǔn)確模擬。其主要作用是對建筑設(shè)計進行檢驗性評價，在施工之前提出合理化改進意見。二是對已建成建筑進行能耗模擬分析，其主要作用是對建筑做出合理評價，提取有效數(shù)據(jù)，為以后的建筑設(shè)計積累經(jīng)驗。這些模擬技術(shù)介入設(shè)計全過程，他們在優(yōu)化設(shè)計的同時對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建筑師與計算機模擬

　　計算機模擬技術(shù)的介入更新了傳統(tǒng)建筑設(shè)計的流程，除了在方案功能、流線、形體、結(jié)構(gòu)、材料和經(jīng)驗性環(huán)境預(yù)測等方面反復(fù)推敲外，設(shè)計流程多了計算機這一相對客觀的評價要素（設(shè)計流程如圖表4）。然而，計算機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，建筑師必須對建筑周邊環(huán)境的進行詳細(xì)的調(diào)研分析�；�地調(diào)研是建筑設(shè)計的基礎(chǔ)，更是將計算機模擬技術(shù)運用到建筑設(shè)計中的基礎(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)進行分析，得出項目必須解決和重點考慮的環(huán)境問題，決定是否需要進行模擬，具體運用什么軟件進行模擬計算。下圖是筆者在一次國際生態(tài)住宅設(shè)計競賽中的獲獎方案。該方案選址在馬來西亞的一個小鎮(zhèn)。基地氣候終年濕熱，降水豐富，地處靜風(fēng)區(qū)，除偶遇臺風(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，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，并運用CFD軟件分別對整體規(guī)劃的風(fēng)環(huán)境和單體建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進行模擬，借此優(yōu)化建筑微環(huán)境。

　　其次，建筑師應(yīng)該對建筑物理環(huán)境的基本評價指標(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)計算機技術(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，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，能夠直觀地對建筑微環(huán)境的物理指標(biāo)給出感性評價。計算機模擬技術(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算機模擬能否物盡其用的關(guān)鍵因素。下圖是對某生態(tài)建筑屋頂遮陽的計算機模擬，分析不同的遮陽形式對大廳室內(nèi)各層熱舒適狀況的影響。該項目所用的評價指標(biāo)為美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會（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應(yīng)的冷熱感覺及健康狀況。當(dāng)SET大于30℃的時候，一般認(rèn)為不舒適。建筑師只有對模擬圖充分理解，計算機模擬才能夠?qū)�建筑設(shè)計真正起到指導(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。一個建筑是否合理、是否節(jié)能不是單憑計算機軟件算出來。優(yōu)秀的建筑設(shè)計是其成為一個綠色建筑典范的前提。如果方案設(shè)計理念就有悖于節(jié)能環(huán)保，即使再出色的計算機模擬也只能是亡羊補牢。有一段時期，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)濟花銷，而非綠色節(jié)能。近幾年，我國與意大利合作設(shè)計了一座很有影響力的綠色建筑。下圖是設(shè)計過程中利用日照軟件進行優(yōu)化設(shè)計的模擬圖。勿庸質(zhì)疑，在方案設(shè)計中該項目運用了先進的模擬技術(shù)，經(jīng)過了仔細(xì)的計算與分析。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。

　　最后要說的是一個態(tài)度問題。建筑師對計算機模擬技術(shù)的使用應(yīng)該有一個科學(xué)的客觀的態(tài)度。當(dāng)代的一些建筑實踐中，對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)計周期短，建筑師要考慮的因素多，計算機模擬是對建筑師提出的額外要求，增加了建筑師的工作量；另一種觀點認(rèn)為計算機模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的，并且給建筑設(shè)計提供了有力的科學(xué)依據(jù)，比主觀的審美趣味更具說服力，可以用計算機“算”出建筑。這兩種觀點在目前的建筑實踐中都不是對計算機模擬的客觀評價。計算機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)驗來判定，并且在建筑中始終是輔助設(shè)計的手段。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驗性帶來的設(shè)計困難，從而提高了建筑設(shè)計的質(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。計算機模擬可以成為建筑師設(shè)計靈感的源泉，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)模運用，現(xiàn)在又迎來了以計算機媒介技術(shù)為主要標(biāo)志的讀圖時代。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性。媒介手段的改善必將會在設(shè)計方法、施工方法、設(shè)計理念等諸多方面打破傳統(tǒng)的建筑設(shè)計范式，相應(yīng)地也會改變建筑師的工作方法和知識結(jié)構(gòu)。這樣的時代背景呼喚著兼具節(jié)能工程師和設(shè)計師雙重能力的建筑師

　　參考文獻：

　　[1] 賴德林著.綠色建筑.[M].臺灣，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)計實例分析.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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