我国《绿色建筑评价标准》 (GB/T50378-2014) 和《民用建筑绿色设计规范》 (JGJ/T229-2010) 已正式发布多年, 绿色建筑也发展到了大规模推行和在部分地区强制实施的阶段^[1];然而, 众多处在设计一线的建筑师, 面对国家大力推行绿色建筑的要求, 尽管有积极参与的愿望, 却常常感觉无从下手^[2]。在实际项目中, 为达到星级认证目标, 建筑师常在设计完成之后, 将方案送至专门的绿建团队或咨询机构进行后期“刷绿”的工作^[3], 或为了凑分数而进行“创可贴式”的后期调整^[4]。这不仅使绿色建筑的运营效果欠佳, 也违背了其设计与评价的初衷^[5]。

实践证明, 建筑设计标准/规范中的指标, 特别是简明而具体的量化指标 (如体形系数、窗墙比等) , 对方案设计走向具有重要的引导和控制作用。为了改变绿色建筑评价重结果、轻过程, 设计与评价“两张皮”的现象, 帮助建筑师在绿色建筑设计中发挥更加积极的作用, 有必要针对如何构建适合建筑师使用的绿色建筑方案设计阶段导控指标的问题进行深入研究。

近年来, 学术界针对绿色建筑方案设计阶段的过程导控与评价问题已经开展了一定的研究工作。例如, 夏海山等提出了基于过程性评价模式的导控体系框架^[5];褚冬竹等探讨了设计生成与评价的一体化机制^[6];杨鸿玮等研究了数字模拟如何在方案设计阶段的建筑布局、体量构成、室外环境、建筑细部等层面发挥导控作用^[7]。近年来, 性能和目标驱动下的参数化设计也为绿色建筑方案设计阶段的导控探索了新的思路和方法。例如, 李紫微等探究了参数化性能优化方法在设计中的应用, 提出了性能导向的参数化设计流程^[8];孙澄等从数形关联、多性能指标优化和设计评价一体化等方面解析了寒冷气候区低能耗公共建筑空间性能驱动设计体系的技术特征等^[9];Shen Liyin等基于数据挖掘和实例推理的方法, 为建筑师借鉴类似绿色建筑案例中的成功经验以及提高设计有效性和适用性, 探索了新的途径^[10];Touloupaki等系统梳理了近10年三维性能模拟辅助工具在设计初期方案优化方面的应用, 认为其在提升建筑性能方面具有极大潜力, 但仍有许多困难需要克服, 因此有必要开展更多研究^[11]。

综上所述, 既有研究涉及了方案设计阶段的导控体系、机制、流程、软件、平台和辅助工具等多个方面, 然而关于“如何构建适合普通建筑师使用的、贴合其思维特征和决策需求的绿色建筑方案设计阶段导控指标”的问题, 仍未得到系统分析和充分解答。

适合建筑师使用的绿色建筑方案设计阶段导控指标应符合三条基本原则。

(1) 目标关联。没有明确的设计目标, 导控就失去了意义, 因此导控指标与方案设计预期目标之间应具有清晰、明确的逻辑关联。

(2) 决策关联。导控的目的是指导设计决策, 因此导控指标与设计决策点之间也应具有清晰、明确的逻辑关联。

(3) 快速判断。如果指标判断耗时过长, 会直接影响设计思维的连续性, 因此方案设计阶段的导控指标应能够快速得出判断结果。

为构建符合上述基本原则的导控指标, 提出以下三个概念。

指标的“作用距离”指的是指标与方案设计决策点之间逻辑关联的复杂程度。例如, 当导控指标是“节能量”时, 由于其与方案设计决策点 (如平面形状) 之间的逻辑关联复杂且模糊, 其作用距离就很长;如果将导控指标换为“体形系数”, 其与方案设计决策点之间的逻辑关联就变得相对简单、清晰, 指标的作用距离就被大大缩短了。

指标的“作用距离”越长, 其导控作用越难以把控。为便于建筑师理解和使用, 应尽量构建“作用距离”较短 (即与具体决策点之间逻辑关联相对更加简单、明确) 的导控指标。

指标的“操作时间”指完成指标判断所需要的时间, 由操作步骤的多少和完成每个步骤的难易程度共同决定。例如, “朝向”指标可直接判断, 其操作时间最短;“窗地比”及“体形系数”指标判断的步骤少且简单, 其操作时间较短;“场地风环境”指标判断的步骤多且复杂, 其操作时间最长。为构建可快速判断的导控指标, 应尽量减少指标判断的步骤和复杂程度, 以缩短操作时间。

“操作时间”与“作用距离”概念密切相关。“作用距离”较短的指标, 其“操作时间”通常也相对较短。基于“作用距离/操作时间”概念, 可以将绿色建筑指标大致分为三类 (图1) 。

(1) A类指与决策点之间逻辑关联简单, 可以直接判断的指标, 其作用距离/操作时间最短。

(2) B类指与决策点之间逻辑关联较简单, 仅需稍作计算或查阅少量资料即可判断的指标, 其作用距离/操作时间一般。

(3) C类指与决策点之间逻辑关联复杂, 需经软件模拟、复杂计算或查阅大量资料才能判断的指标, 其作用距离/操作时间最长。

为了在指标判断过程中尽量保持设计思维的连续性, 应尽量构建可快速判断的A或B类指标。

指标的“导控位置”, 指其在设计意向形成过程中发挥作用的相对位置。根据导控位置的不同, 指标的导控方式可分为三类 (图2) 。

(1) 前置导控, 指在设计意向形成之前, 预先设定指标的导控方式。

(2) 伴随导控, 指在设计意向形成过程中, 随时进行判断和反馈的导控方式。

(3) 跟随导控, 指在设计意向形成之后再进行判断和反馈的导控方式。

在方案进行过程中, 为了更好地发挥导控作用, 应尽量构建前置/伴随类导控指标。当然, 在方案设计之前, 可用原则策略来引导其总体走向;方案设计之后, 可用性能指标来评价其最终成果。评价结果反馈到新一轮方案设计之前, 也可在一定程度上对其起到前置导控的作用。

分析我国既有《绿色建筑评价标准》 (GB/T50378-2014) (后文简称《绿标》) , 可提取建筑专业相关指标54项, 主要为面向方案设计成果的定量化评价指标。从作用距离/操作时间的角度对其进行分类汇总, 结果如下。

(1) C类指标最多 (31项) 。例如4.1.4建筑规划布局应满足日照标准, 且不得降低周边建筑的日照标准——需要做日照模拟;4.2.5场地内环境噪声符合现行国家标准《声环境质量标准》 (GB3096-2008) 的有关规定——需要做噪声模拟或查阅环评报告等;4.2.6场地内风环境有利于冬季室外行走、活动舒适和建筑的自然通风——需要做风环境模拟等。

(2) B类指标较少 (20项) 。例如4.2.1节约、集约利用土地——需要计算人均居住用地面积和容积率;4.2.2场地内合理设置绿化用地——需要计算绿地率、人均公共绿地面积等;4.2.3合理开发利用地下空间——需要计算地下建筑面积百分比等。

(3) A类指标最少 (3项) 。例如4.2.4建筑及照明设计避免产生光污染——需要判断是否选择玻璃幕墙, 如果“是”, 玻璃可见光反射比是否大于0.2——可直接判断;11.2.9合理选用废弃场地进行建设或充分利用尚可使用的旧建筑——可直接判断;11.2.10应用建筑信息模型 (BIM) 技术——可直接判断。

分析我国既有《民用建筑绿色设计规范》 (JGJ/T229-2010) (后文简称《绿规》) , 可提取建筑专业相关指标89条, 其中强制性指标65条、推荐性指标24条, 主要为面向方案设计过程的定性化 (原则策略类) 导控指标。例如4.1.2绿色设计策划宜采用团队合作的工作模式;5.1.2场地规划与设计应通过协调场地开发强度和场地资源, 满足场地和建筑的绿色目标与可持续运营的要求;7.3.2材料选择时应评估其资源的消耗量, 选择资源消耗少、可集约化生产的建筑材料和产品;6.5.2除严寒地区外, 主要功能空间的外窗夏季的热负荷较大时, 该外窗应设置外遮阳设施, 并应对夏季遮阳和冬季阳光利用进行综合分析, 其中天窗、东西向外窗宜设置活动外遮阳;6.6.2毗邻城市交通干道的建筑应加强外墙、外窗、外门的隔声性能等。

综上, 我国既有绿色建筑标准/规范提出了面向方案设计成果的定量化评价指标, 也提出了面向方案设计过程的定性化导控指标, 而面向方案设计过程的定量化导控指标依然缺乏。

由于《绿标》已明确规定了我国绿色建筑的性能指标和设计目标以及绿色建筑方案设计阶段的导控指标, 可以《绿标》为基础和起点进行构建, 进而形成“目标关联”的导控指标。

目前, 国内已有不少针对绿色性能目标导向下的设计方法研究, 包括借助性能模拟、参数化和遗传算法等辅助设计途径达到绿色性能目标的方法等。例如, 刘凯等提出并讨论了在方案设计阶段, 以特定建筑性能为目标函数, 通过软件内置遗传算法获得性能最优方案的设计方法^[12];李紫薇提出在方案初期以性能目标引领设计, 把自然采光、通风、热舒适性、整体能量需求等作为参数化目标函数的设计方法等^[8]。此类研究为“目标关联”的绿色建筑方案设计阶段导控指标的构建提供了参考。

如前所述, 为贴近建筑师的决策行为, 便于其理解和使用, 应构建作用距离较短、“决策关联”度较高的导控指标。在既有《绿标》中, C类指标作用距离最长, 如要在其基础上转化构建方案设计阶段导控指标, 必须设法缩短其作用距离, 提高其“决策关联”度。例如, 针对《绿标》中“4.1.4建筑规划布局应满足日照标准, 且不得降低周边建筑的日照标准”指标, 首先需要明确方案设计中哪些具体的决策点 (如朝向、间距、形态、高度等) 与之具有逻辑关联, 其次需要理清每个决策点与之具有怎样的逻辑关联, 以形成概念清晰的逻辑链条, 最后构建与具体决策点具有直接逻辑关联的导控指标。

“快速判断”的指标, 即操作时间较短的指标。既有《绿标》中C类指标操作时间长, 如要在其基础上转化构建方案设计阶段导控指标, 可通过以下途径缩短其操作时间。

(1) 将性能模拟功能集成到辅助设计软件中, 使指标判断结果随设计进展即时、快速呈现。

该途径针对需要经过大量软件模拟才能判断的C类指标进行转化构建。现在的绿色建筑方案设计中, 大多采用“后置导控 (设计之后进行模拟验证) ”形式, 建筑师需要通过不断试错的方式逐步积累经验和改进方案^[8,11]。通过将高效的环境性能模拟软件集成到建筑师常用的辅助设计软件 (如SketchUp) 中, 使模拟计算结果随方案进展即时、快速呈现, 便可将“后置导控”变为“伴随导控”, 大大缩短指标操作时间, 从而使C类指标转变为可快速判断的A或B类指标。

如今性能驱动下的参数化辅助优化设计已成为一个较活跃的研究领域^[11,13], 其相关成果正逐步用于实践。例如, 诺曼·福斯特在伦敦市政厅方案设计中, 为达到使太阳直射量最小的性能目标, 基于软件模拟结果, 对简化的方案形体和曲面走向不断进行建筑高度、宽度、倾斜度等参数微调, 最终生成既符合性能目标, 又具有视觉美感的设计方案^[14]。需要注意的是, 由于方案设计阶段 (特别是早期阶段) 建筑形体还比较粗略, 所能提供的设计参数非常有限且可变因素很多, 因此模拟计算软件必须能够在有限的已知参数条件下进行有指导意义的快速判断^[15], 这对相关软件的开发提出了较大挑战。

(2) 将相关基础数据库集成到辅助设计软件中, 使指标判断结果伴随设计进展即时、快速呈现。

该途径针对需要查阅大量基础数据资料才能判断的C类指标进行转化构建。通过准确收集和科学分析相关基础数据资料 (如碳排放、地理气候、材料含能数据等) , 并使分析结果随方案进展即时、快速呈现, 可大大缩短指标的操作时间, 从而使C类指标转变为可快速判断的A或B类指标。国内外在该方向已开展大量研究, 在BIM等集成化平台支持下, 数据信息正在不断补充、完善并集成到辅助设计软件之中。例如, 通过Grasshopper的插件Ladybug可链接到温度、湿度、太阳辐射等基础气象数据库, 籍此对设计方案的气候等相关性能指标 (如日照指标) 进行快速判断, 并在Rhino中进行可视化呈现。

(3) 基于性能评价指标与方案设计决策点间的逻辑关联分析, 构建新的导控指标。

该途径面向广大普通建筑师的方案设计需求, 力图提出简明、易懂且不依赖软件模拟即可快速判断的前置/伴随类导控指标。如前所述, 既有绿色建筑规范/标准已包含此类指标 (如朝向、体形系数、窗地比、窗墙比等) , 但其数量十分有限。要构建新的、具有普适意义的方案设计阶段的前置/伴随类导控指标, 需要开展大量前期基础研究, 目前相关研究成果尚不多见。作者所在的国家“十三五”重点研发计划项目团队, 针对该类指标的构建已取得部分前期研究成果 (如基于“太阳能利用”的性能目标, 提出“有效日照面积比”“被动式太阳能利用面积比”“日照体形系数”等方案设计阶段前置导控指标) 。由于篇幅所限, 指标构建相关具体分析不再赘述。

研究探讨了绿色建筑方案设计阶段导控指标的构建原则和思路。在理论层面, 提出了目标关联、决策关联和快速判断的基本原则, 同时提出并探讨了作用距离、操作时间和导控位置的基本概念;在实践层面, 结合对既有绿色建筑标准/规范的条文分析, 对方案设计阶段导控指标的转化构建提出了路径建议, 可为相关研究和思考提供参考和借鉴。

关于“如何使单一的导控指标有效适应和满足不同视角下多样的目标和需求”, 以及“如何使确定的导控指标有效适应方案进展过程中各种模糊和不确定因素”等更进一步的研究问题, 还需通过更加系统、深入的后续研究来逐步解答。

图片来源

图1, 2均为作者自绘。