——基于参数可视化角度的可持续性建造研究
北京交通大学 北京市海淀区 100000
摘要：本文在方案优化的基础上，引入参数化的手段，将影响建筑空间环境品质的因素进行逻辑化建构。对比传统点对点式的独立因子，力求通过BIM分析体系，建立从设计到建再到环境适应的完整控制链，实现对建筑物理环境的宏观调控。
关键词：参数化 可持续性设计 模块化 BIM技术
1 研究背景
传统模式是利用计算机模拟进行一对一的静态评估，即建筑师需要提供一个既定方案，然后将数字模型输入模拟软件进行计算。而基于Dynamo参数化平台的BIM技术软件，具有在参数化动态生形方面的强大优势，实现了即时的参数化动态模拟过程。模拟结果可以通过 Dynamo 的原始功能进行储存和整理，最终还可以以动画的形式呈现出动态的模拟过程，实现生形、模拟的可视化同步。借助这样一个过程性的动态模拟及后期数据整理，为建筑师提供“最优解”成为可能。
2 参数化信息匹配
2.1 热学环境变量分析
热量传递的方式包括导热、对流和辐射。尽管传统的建筑界面设计方法也考虑了热量的阻挡和传递，气候协同的建筑界面设计更突出了一种整合设计与能量传递的思维。这是由外部气候资源与内部能量需求之间的动态关系所决定的。表达了双层屋顶在夏季利用烟囱效应进行热压通风的动力变量和在冬季利用温室效应作为蓄热腔体的温度变量。这个设想是通过环境参数化的描述曲线对建筑界面进行重新定义，使其适应建成环境中的能量流动，控制能量在时间维度和空间维度上的转化，由此形成的气候协同的建筑界面就能够有效平衡能量消耗的峰值和谷值，改善这些与传统建筑界面形式有关的能量状况。
2.2 光学环境变量分析
从本案另一个重要概念——“半透明膜材料导光”出发，将屋顶光线引入内部空间，不仅从模块排布上需要优化调整，更需要对加入半透明ETFE膜材料的透光性能进行独立研究。而利用半透明材料对光线进行可控性引导，就需要将直射光线纳入研究范围中。前期所做的研究工作均是以抽象的全阴天空为基本天空模型，重点反映空间几何形态对室内均匀天光分布情况的影响。全阴天空模型不对应具体的地理环境，而考虑直射光线必须对特定地点的太阳变化情况做基本了解。从前期简单几何形态屋顶的采光性能研究可以发现，屋顶洞口的尺寸是影响其整体采光性能的关键参数。首先建立一种以正多边形为洞口的模块基本形态，通过对洞口尺寸的渐变控制，完成多种模块形态的大量生成。洞口尺寸的渐变以表面与动态移动的参考点之间的垂直距离为控制参数，随着参考点的逐渐上升，洞口尺寸在一定范围内发生渐大或渐小的变化。在上述控制原则基础上，对洞口加以一定范围内的随机的水平侧移，使得 方案形态变化更加多样，差异性增强，所涵盖的不同采光可能也大大增多。以此生形逻辑为基础，进行自动的逐一的模拟计算，其模拟结果将成为屋顶模块分布形态初步优选的重要来源。
3 基于BIM的双层屋顶结构体系优化
房屋建筑物顶部屋面全年受阳光热辐射，是建筑物受热最多也是最集中的部位。对于普通单层建筑，夏季屋面所得热量占建筑各面总热量的37%左右，而在冬季则能占到50%以上，导致屋顶面隔热能力的强弱直接影响了屋内的内热环境和能耗状况。在分析了屋内热量的来源及能量的传递方式后，综合考虑热辐射及采光效益，采用双层通风铝板作为优化手段。夏季部分铝板开启，在双层屋面间形成一个通风层。上层铝板直接受到太阳热辐射作用，并将其大部分进行了反射，形成了第一道屏障；第二层ETFE膜结构由于其极低的导热系数，将剩下的热量中的又一大部分阻隔在外，构成第二道屏障。夏季尽量将屋脊处铝板开启，上部温度相对较高，热空气上升形成对流，此时通风口的空气就会产生“烟囱效应”，产生推动铝板层间空气流动的动力，温度较低的空气从屋檐被吸入，在铝板层间经换热后温度升高，由屋檐出风口排出，这个过程带走了铝板层间的又一部分热量。同时由于坡屋顶的构造，通过风压通风原理带走双层屋面间空气从而带走热量。冬季铝板闭合，使得双层结构形成的空气间层储存太阳的辐射热量，提高室内温度。
当设计细化到建筑外表面的玻璃与铝板究竟以何种规律排布，铝板如何适应环境变化进行开闭，可以使得空气间层在室外温度过高时能防热，而在室外温度过低时可以蓄热这一问题时，通过“环境参数化”的设计方法，进行物理模型及数字技术的测试，以及对外力影响、数字计量等各种因素进行环境和性能模拟，创造出被动式与主动式相结合的策略，将会使得建筑体更加适合能量的新陈代谢。
4 总结
动态建筑信息建模技术能够有效增强设计者对建筑信息的参数化控制能力，实现多层级建筑信息的自适应协同，达成建筑信息与性能模拟数据的自动化交互。可见，动态建筑信息建模技术为“性能驱动”思维导向下的建筑设计研究与实践奠定了技术基础，是数字化节能设计领域的重要研究方向。
参考文献
[1]张德海，陈娜，韩进宇.《基于BIM的模块化设计方法在装配式建筑中的应用》.《土木建筑工程信息技术》.2014年第6期.
[2]王嘉亮.《仿生·动态·可持续——基于生物气候适应性的动态建筑表皮研究》.《建筑技术科学》.2015.
[3]孙澄，韩韵松，庄典.《性能驱动思维下的动态建筑信息建模技术研究》.《建筑学报》.2017.
[4]Sun Cheng, Han Yansong and Zhuang Dian. Research on Dynamic Building Information Modeling with Performance-driven Thinking. Chinese Journal of Architecture.2017.
论文作者:刘轩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/24
标签：建筑论文; 热量论文; 铝板论文; 动态论文; 参数论文; 屋顶论文; 洞口论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;