席卷全球的绿色建筑运动随着保护生态环境的绿色潮流诞生。1993年4月, 美国建筑师协会 (AIA) 和国际建筑师协会在芝加哥召开的关于可持续发展的设计会议确立和推动了美国的绿色建筑发展计划^[1]。“绿色建筑”作为一个专有名词, 最早于1994年出现在中国的学术期刊上。

“什么是Ourtopia?它位于不可实现的乌托邦 (Utopia) 与反乌托邦式的糟糕未来 (Dystopian Future) 之间。”^[2]“Ourtopia作为这样一个关键词, 修正了来自乌托邦那耀眼夺目但无法触及的梦想。”^[3]一栋“完美”的绿色建筑被称之为“Green-Ourtopia”, 它承载了行业各个部分对绿色建筑的美好想象, 并且人们也在积极寻找塑造它的方法。绿色建筑理想目标的实现, 要求建筑师冷静地面对当下的环境与条件, 通过积极思考与行动, 探索实现路径, 直面现状问题, 将理想转变为现实。

目前, 随着计算机模拟技术的进步、算法的优化以及算力的提升, 随时对建筑设计方案进行光、热、风、能耗、地表水汇集等方面模拟的时间和人力成本已经降至可以接受的水平。同时, 模拟验证分析工具在种类、问题针对性、数据可靠性等方面取得了巨大成就, 如美国能源部能源效率和可再生能源办公室就公布了392种建筑能源设计和分析软件^[4]。当前国内市场上模拟技术软件平台和工具很多, 涵盖了绿色建筑性能的诸多方面 (表1) 。

为更全面地实现绿色建筑目标, 提炼分析方法、设计策略、操作流程和组织逻辑, 理想状态是在建筑设计各阶段以设计模型为载体, 针对场地信息和设计参数进行模拟分析并迭代优化, 通过循环上升的设计成果和数据反馈, 逐步深入优化和提升设计方案。

基于模拟分析的设计成果迭代优化是绿色建筑目标实现的关键路径 (图1) 。在概念设计阶段, 设计团队通过现场踏勘、资料收集和数据分析, 对项目基地的区域生态环境、城市和历史文化进行充分的设计前期分析, 提出设计概念, 并转化为空间形态, 确立概念模型, 再针对概念模型进行规划布局、建筑形体、空间形态等方面的合理性评价。在初步设计阶段, 设计团队应深化建筑方案以形成推敲模型, 针对各项技术措施的效果进行模拟验证分析, 验证设计策略、技术应用的适用性, 并依据分析结果进行多轮方案调整。在施工图设计阶段, 设计团队要完成建筑设计的调整和技术策略的优化, 并对最终确定的设计策略进行分析和评价。

绿色建筑的本质与其他可持续发展行动一样, 需要通过改善建筑的设计、建造和使用等诸多环节, 减少人类活动对全球气候变化的影响, 最终目的是尽可能减少全球气候变化对人类子孙后代造成的负面影响。

近年来, 学术界逐渐意识到了绿色建筑应当具有本土化且适应地域气候的特征。为实现绿色建筑的理想, 建筑师首先应该具备的是“关怀全人类”的胸怀, 随后应当掌握相关的设计方法、技术和工具, 同时协调绿色建筑专家在设计全过程给予技术支持。

以台达杯国际太阳能竞赛为例, 组织方及评委均鼓励参赛团队从设计方法学角度, 根据赛题基地所在区域的气候特点和场地周边的实际情况, 通过适当的分析过程, 探索理想的绿色建筑设计策略, 设计出最契合需求的作品。本文选取公共建筑类37个获奖作品为研究案例, 进行绿色建筑目标实现路径的分析 (表2) 。

根据应用阶段和目标效用的不同, 绿色建筑分析方法可归纳为设计前期分析、模拟验证分析两类 (表3) 。设计前期分析是对区域生态环境、城市和历史文化等领域的设计基础条件进行的综合评价, 模拟验证分析则是对建筑设计参数的绿色目标进行验证。

对上述案例在绿色建筑分析方法的使用偏好和应用广泛性进行统计分析 (图2, 3) 可以看出:

(1) 随着对行业内地域气候适应意识的增强, 设计师对场地气候特点的分析与关注度越来越高, 其应用广泛性明显超出其他前期设计的分析方法。

(2) 区位和场地分析、当地建筑风貌分析、使用者行为特征分析等基础条件的分析应用也较为广泛。

(3) 夏热冬暖地区作品普遍应用风环境模拟分析, 夏热冬冷地区作品兼顾采光和通风环境模拟, 寒冷地区作品重点进行采光环境的相关模拟分析。

气候适应性绿色建筑设计策略可归纳为空间设计策略、围护结构设计策略、结构设计策略、设备系统策略 (表4) 。

空间设计策略多体现为对传统建筑空间形态的提炼和运用, 主要解决建筑通风、降温、保温等需求;围护结构设计策略为屋顶、墙体、门窗、幕墙、楼板等部位的设计原理及构造措施, 主要解决采光、通风、遮阳等需求;结构设计策略主要解决工业化生产、材料再利用、建筑安全等需求;设备系统策略则体现为主动技术的应用, 解决储能、用能等需求。

对以上案例进行建筑设计策略分析可以看出, 设计策略的选用偏好具有明显的地域差异 (图4) 。

(1) 寒冷地区最常用的设计策略是太阳能热水系统, 夏热冬冷地区最常用的设计策略是集热蓄热墙, 夏热冬暖地区最常用的设计策略则是通风天窗。

(2) 为了使冬季获得更多热量, 寒冷地区、夏热冬冷地区较多地选择了阳光间;为了获得更好的遮阳效果, 夏热冬暖地区则更重视屋面、墙面的立体绿化。

(3) 雨水收集系统作为一项通用技术, 各个地区普遍采取了这一策略, 反映了大家对水资源的重视。

同时, 设计案例在空间形态和技术应用层面, 通过充分利用项目所在地的自然环境, 挖掘区域生态环境的特殊条件给场地带来的潜在价值, 权衡限制因素给设计项目带来的利弊, 尊重区域建筑的文化内涵, 关注使用者的舒适需求等途径, 达到建立和塑造人与建筑和谐关系的目的, 为未来绿色公共建筑的设计和建造提供了一些新启示。

一方面, 应注重传统建筑空间形态与新技术应用的有机结合。例如, 2017届作品“风·巷 (泉州) ”“土生土长 (西安) ”分别从闽南、西北的传统建筑中寻找灵感, 借鉴“冷巷”“地坑院”的典型地域气候适应性建筑空间特征和性能优势, 通过传统建筑空间形态与现代节能技术的集成应用, 促进绿色建筑理念的落实 (图5～8) ;同年作品“荼蘼·院落 (西安) ”“颐行颐养 (西安) ”“老厝新生 (泉州) ”利用传统建筑的坡屋面形式, 通过建筑空间的高度变化、太阳能系统与屋面的创新性结合, 实现建筑自然通风、采光、遮阳和可再生能源利用等绿色设计目标, 后两个项目图示见图9～12;2013届作品“老人之家 (青岛) ”在抽象提取青岛地区传统建筑形态、营造独特舒适公共空间的同时, 增加向阳坡屋面以布置太阳能光热设备。

另一方面, 延续和改进地方传统工艺, 优化和提升传统技术性能。例如, 2017届作品“会聚 (西安) ”“半院 (西安) ”采用传统的建筑材料, 改进传统民居的胡基墙、夯土墙的构造工法, 优化墙体的保温隔热性能;2009届作品“蜀光 (绵阳) ”运用当地传统材料与构造工艺, 设计竹廊架、木屋架等建筑结构形式, 形成屋顶空气缓冲层, 利用热压作用增加空气自然对流, 实现室内舒适度的提升, 有效控制建造成本。

综上, 气候特点分析、区位和场地分析、当地建筑风貌分析、使用者行为特征分析等绿色建筑分析方法应用广泛, 这与参赛团队对地域气候适应意识普遍增强, 对场地价值挖掘、地域文脉传承、使用者空间感知优化等设计基本目标的设定密不可分。建筑设计策略在空间设计、围护结构、设备系统等方面均呈现出明显的地域差异。从表面上看, 建筑设计策略的地域差异源于地域气候特征和使用舒适度需求的差异, 其在不同气候区的应用侧重点不同, 但背后的分析方法和设计逻辑是一致的。

鉴于本次研究案例是竞赛作品, 其方案多为初步设计阶段, 且受设计团队对绿色技术的认知以及应用深度等方面的影响, 上述地域气候适应型绿色建筑分析方法和建筑设计策略的应用效果需以竞赛落成作品的实际运行情况为依据, 开展进一步的验证。

受社会发展、经济水平、人文环境、技术积累等因素的综合制约, 我国绿色建筑设计领域在绿色建筑目标实现路径方面, 存在诸多亟待解决的现实难题。

(1) 技术策略的应用目标模糊, 应用效果评价导向缺失。

无法忽视的是, 我国绿色技术团队的咨询服务时常处于设计完成后再附加绿色技术的状态, 技术策略的选用缺乏设计前期策划、过程中优化、完成后验证等环节, 导致相应的技术策略难以在建筑全生命周期中实现良好的绿色效益。

(2) 设计成果相关参数理论计算和实际效果偏离。

绿色建筑项目受投资成本和设计周期的局限, 常常在方案设计阶段存在模拟验证迭代循环次数不够和设计策略的效果验证不足的困境。同时, 因各项技术策略的效能在具体的建筑设计空间中存在潜在冲突, 造成设计成果相关参数理论计算与实际效果的偏离, 以至于部分高星级绿色建筑的公共建筑节能效果并不理想。

(3) 现有设计团队组织模式与设计流程存在局限。

随着新技术策略的应用和不断发展, 数字化设计工具持续升级, 传统设计团队的组织模式和设计流程出现了角色不适应、配合不顺畅的情况, 原有的管理方法也表现出了一定的局限性。能源管理、气候分析等新兴领域咨询团队应运而生, 不断演进的设计流程、前置的专业配合、增加的前期工作量给设计团队的组织模式重构和设计流程再造带来挑战。

面对上述难题, 为推动绿色建筑理想目标的实现, 需要从以下四个方面着手改进。

(1) 从地域气候适应性入手, 在继承地域传统技术系统适应自然、改造自然原则的基础上, 理性评估各项技术策略的必要性、适用性和可实施性, 因地制宜地选择绿色建筑相关技术策略。

(2) 借助博弈思维, 同步推动建筑设计方案发展与绿色建筑性能深化, 确保设计策略之间互不矛盾, 协同后产生放大效用。

(3) 针对绿色建筑设计团队的组织结构, 进行适应性调整, 完善团队角色, 明确人员分工, 构建协作机制。

(4) 针对理想目标下的绿色建筑设计流程, 将施工、维护阶段的问题前置到设计策划阶段解决, 从组建团队开始, 依次进行方案、技术、部品、工艺、运维的设计, 并层层反馈, 形成闭环管理。

图片来源

图1～4为作者自绘;图5～12来源于台达杯国际太阳能建筑设计竞赛组委会。