未来建筑师的两只手数字化技术低碳理念

1、未来建筑师的两只手：数字化技术+低碳理念以万通新新家园联排别墅建筑设计为例高路1（华东建筑设计（），200041）摘要：本文结合万通地产的一个科研项目具体设计过程，探索建筑师如何利用数字化/BIM 技术进行低碳建筑设计的方法，为建筑师在应对未来建筑设计信息化、低碳化的发展趋势提供一种思路和方法。：BIM、数字化技术、低碳、建筑设计方法1、研究背景：如今在建筑界，数字化技术发展如火如荼，凭借当前强大的数字建模技术、通用信息集成模型、网络协作、数字化管理等，数字化技术为建筑师提供了新的起点。广义的 BIM（Building Information），其含义逐渐被市场扩展成数字化技术之后，这个词语也

2、被炒M得沸沸扬扬，在很多人看来使用这项技术可以使建筑设计真正回归三和整体性的信息模型之中，并且建筑师能够很好的利用这项技术进行建筑创作而非辅助绘图。伴随着数字化技术的快速化发展，城市建筑也正在以指数级增长般快速的建设着，然而代价却是的生活环境没有得到更好的改善,作为建筑师的，这一切的发生都值得认真的思考，要为改善生存环境，进行绿色低碳的建筑贡献自己的一份力量。低碳绿色一方面体现在建筑具体的技术应用上，另一方面则体现在建筑前期策略的作者简介：高路，男，建筑师，国家（高级）绿色工程师，同济大学建筑系。主要研究方1向：BIM 标准及其理论研究，BIM 项目管理及其理论研究； ：:使用和式技术的适宜选

3、择。以上两方面的发展背景和国家未来的信息化和绿色低碳产业发展也是紧密联系的。那么未来建筑师就需要顺应历史潮流，做好准备，迎接新的，可以想象未来的建筑师除了掌握本专业的知识和拥有丰富的设计经验外，一只手要紧跟数字化技术，在虚拟设计、虚拟施工，甚至运维方面起到统领各专业的作用；另一只手要在设计之初就融入绿色低碳的理念，这样才能为建筑师控制绿色设计、绿色施工创造条件。2、项目介绍该项目位于顺义天竺新新家园分区规划中的一区的东北角（如图 1），该气候分区属于冷地区。的北侧为待建的 2层样板房，东侧临小区车行道和天竺东路，南侧为 3 层的低层联排别墅，其中北侧的地坪标高为 28.80m，南侧标高为 26

4、.70m，原型屋建筑面积大致 2200 平米(即每户 450 平米左右)，地上 3 层，1 层，层高为 3.30 米，为 13.5 米的五户联排别墅，设计整体理念依循式理念为主、主动式理念为辅的原则，结合零碳技术，打造零碳、绿色、健康的住宅。3、方案准备A、 方案策划本方案没有甲方的具体任务书，是作为一个科研项目进行的，故对于住宅的具体使用功能进行问卷，便于方案的开展，这里利用Web2.0 的技术在“问卷星”网上搭建问卷，通过即时聊天工具（如：MSN，）、校内网、开心网问卷系统的进行统计。其中问卷详见：htt/jq/552291.aspx通过该调研问卷的结果，对建筑功能面积的分配有了大致的任务

5、要求，可以为下一步设计工作作指导（如图 2）。图 1 项目区位，黑色虚线框位置为本案位置资料来源：万通提供图 2 万通联排别墅功能面积要求；资料来源：自绘1 区2 区B、气候分析图 3 年平均最低气温分布图资料来源：com图 4能资源分布图资料来源：中国气象局能资源评估中心图 5Ecotect气象数据分析（左：月平均温度 右：焓湿图 下：风频率、湿度图）资料来源：Ecotect 绘制该项目位于顺义，气候分区属于 IIA 区，根据图 3，4 可知最低平均温度有-15，不过能资源较为丰富。因此建筑在设计时需要充分考虑保温措施和充分利用能资源。根据图 5 给出室外空气参数：夏季空气调节计算干球温度：

6、33.2；夏季空气调节日平均计算温度：28.6；夏季空气调节计算湿球温度：26.4；夏季通风计算干球温度：30冬季空气调节计算干-12；冬季采暖室外计算干-9；图 7 Ecotect式策略分析资料来源：自绘在 Ecotect 中默认会对式技术中的蓄热体、夜间通风、能加热、自然通风、直接蒸发散热、间接蒸发散热进行分析，在该案例中，导入这个地区气象数据后，分析图表很明显的展示了上述式技术的一个共同特点就是这些技术在春季、秋季的过渡季节效果明显，其次第一张、第二张图分别代表的蓄热体技术和夜间通风技术在过渡季节效果最为明显，这就意味着在设计时蓄热技术非常重要，在白天能充分外界的热量，而到晚上通过空气循

7、球温度：球温度：冬季空调室外计算相对湿度：45%；冬季通风计算干球温度：-5；室外风速：冬季：2.8m/s；夏季：1.9m/s；大气压力：冬季：102040Pa；夏季：99860Pa环又能将这些热量散发到建筑的，结合建筑的策略，阳光房和墙体蓄热就是必须考虑在内了（如图 7）。根据 Ecotect 最佳朝向分析可知建筑南偏东 17.5的方向是全年利用能最好的朝向。在本项目中的设计条件中，原规划建筑的朝向已经考虑到这一点，在接下来的建筑方案设计中可以坚持原有规划布局（如图 8）图 8Ecotect 最佳朝向分析资料来源：自绘C、 场地分析本项目位于顺义天竺地区，原址为老式住宅，属于旧楼拆迁再建项目

8、。此外场地内，不含天然水体、农耕地以及濒危动物栖息地，同时场地水平标高高于市洪水水位警戒线，这样的选址能够减少建筑物位置对环境的不利影响。在建筑的总平面设计中将人行设在建筑北面，车行设在建筑南侧，主要是充分利用现状规划条件和地形低的特点（北侧规划道路标高：28.80m；南侧规划道路标高：26.70m)。参照 LEED-NC 的绿色建筑设计指南，低碳建筑的建筑密度需要有一定的控制，通过Earth，可以看到建筑位于已开发的地区，周边具有成住宅区并满足 10 户/英亩的密度要求，同时在 1/2 英里（800 米）范围内具有至少十个便利设施（如图 6-9），这样的场地选择利于绿地的保护和保存动植物和自

9、然资源。在周边交通方面，根据 EMSI 的 LEED2009NC，要求项目 1/4英里（400 米）内有 2 条或以上线路，借助Earth 的 Map切换功能，很容易找到本案相应位置 400 米范围内包括多条线路（如图 9）4、建筑策略A、低碳建筑技术的选用根据对本案的任务书、气候分析、场地分析，开始用草图对建筑方案的将会使用的一些技术要点进行思考并整理下表:图 10 万通原型屋低碳技术要点草图推敲；资料来源：自绘序号万通原型屋拟采用技术和建筑策略1超级保温结构，即墙体、楼板采用高蓄热体的 GGBS 水泥材料2南向屋面接受 光辐射进行光伏发电，北向屋面设计成屋顶绿化建筑南立面平行 夏至日照射角

10、度，形成自身遮阴系统3透光能薄膜灌木种植屋顶花园4辐射天花板和地板5风帽系统：风力寻向，并进行热回收同时回收 70%的显热和潜热。B、建筑形体的推导图 11 形体推导过程图；资料来源：自绘Step1在给定的红线要求、要求（13.5m）、南侧建筑投影推导出形体。Step2通过 SUN（众智日照）进行日照包络体推导，形成建筑北侧屋面倾角。SN6冬天和夏天：所有的 护门窗关闭，被动式热回收通风策略，通过电扇来辅助解决 负荷的降温。春天和秋天：过度季节，所有窗打开，交叉通风，自然通风.Step3让建筑南立面平行夏至日高度角，形成建筑自身阴影系统。Step4考虑建筑自然通风，建筑进深易在 16 米以内，

11、北立面平行南立面。Step5对南侧屋顶进行屋顶最佳倾角分析，得出 17（方法：见图 5-3）。C、建筑材料该项目位于寒冷地带，如前文所述保温尤为重要，万通项目墙体、楼板也需采用超级保温结构，这里通过 BIM的 REVIT 对材料的构造添加进虚拟材料库中。其中东西侧外墙的超级保温结构，墙体构造形式由内而外，2 混 凝 土 板 （ 密 度 1400kg/m3 3 ） +175mm空气层 75mmG混凝土砌块+300mmxps+外材料。建筑的门窗都是+150mmG双层中空 LOW-E 玻璃，窗框都有很好的断桥设计，外部和框架是被隔开的，紧固件不连通断热桥，这样热流经框架使框架热性能降低到接近门窗中心

12、性能值水平，其 U 值可达到 1.6W/m2K（如图 12）。G混凝土是利用炼钢厂的废弃高炉矿渣做为骨料的混凝土，是低碳建筑的优良材料密度1400kg/m3 的建筑材料有较好的蓄热能力23Step6根据现状建筑的总面宽来定五户联排的总面宽，推导得每户面宽 7.8 米图 12 超级保温墙体构造层资料来源：自绘D、建筑结构万通项目主体结构采用轻钢装配式，这是因为林木资源紧缺，加之防火以及抗震的要求，原型屋建筑的结构采用国内比较成熟又能够形成很好强度和刚度的轻钢结构（S 构造），同时轻钢结构的内含碳系数也相对比较低，符合低碳建筑材料的要求（如图 13）。在本方案设计中考虑地处 8 级抗震地区，在楼梯

13、这个抗震薄弱的位置增设了南北交叉的钢结构斜撑，使建筑楼梯的南北部分整体性更好，同时也不失建筑错层时的空间趣味性。图 13 混凝土、钢骨混凝土、轻钢结构建筑内含 CO2 排放量系数资料来源：著，绿色建筑，中国建筑工业E、建筑信息模型图 14 形体推导过程图；资料来源：自绘图纸说明分项展开图1：基本骨架2、钢楼梯（楼梯踏面是钢化防火夹丝玻璃，设计通过顶部天窗可以给采光，充分利用自然光减少白天人工光的使用）3、G 混凝土楼板和装配式悬挂式阳台。4 、装配式 G 超级保温墙体（墙体异性，现场施工可能会有少量湿作业）5、装配式玻璃幕墙体系（外层表皮）形成扩大阳光房和自然通风系统。图 15 万通原型屋信息

14、化模型方案展示图；资料来源：自绘图纸说明图纸展示1、-3.300标高平面（-NF1）6、屋顶能透光薄膜电池和风帽换热除湿装置。2、-1.650标高平面（-SF1）3 、0.000标高平面（NF1）4 、1.650标高平面（SF1）5 、3.300标高平面（NF2）6 、4.950标高平面（SF2）7 、6.600标高平面（NF3）8 、8.250标高平面（SF3）9、东西立面10、南立面10、北立面11、横剖面 1-112、纵剖面 2-213、局部详图 114、局部详图 215、局部16、剖视图17、碰撞检查18、图5、能耗模拟A、设计参数：1、室外设计参数2室内设计参数3空调房间热工指标传热

15、系数 K 值 W/(m2K)外墙0.11W/(m2K)；屋面0.15W/(m2K)；外窗1.6W/(m2K)。B、能耗计算模型：能耗模拟建筑模型以五户联排别墅整体进行，模型通过 REVIT 中的体量模型导出为中间格式GBXML 格式进入Design Builder 中进行能内容名称夏季冬季新风量m3/h 人噪声dB(A)温度湿度%温度湿度%卧式、书房266520/30/餐厅、客厅276520/30/活动房、房276518/30/夏季空气调节计算干球温度：33.2；夏季空气调节日平均计算温度：28.6；夏季空气调节计算湿球温度：26.4；夏季通风计算干球温度：30冬季空气调节计算干球温度：-12

16、；冬季采暖室外计算干球温度：-9；冬季空调室外计算相对湿度：45%；冬季通风计算干球温度：-5；室外风速：冬季：2.8m/s；夏季：1.9m/s；大气压力：冬季：102040Pa；夏季：99860Pa耗模拟分析，再稍加调整和对建筑材料计算参数进行指定即可。（如图 15）该建筑能耗模拟模型如实反映该建筑外观与特点，南面设置阳光房区域，该区域上下连通，且与大气相通，将室外热空气从屋顶高点排出，可以起到降低空调负荷的作用，这一特点在模型中也得到了反映。图 15 万通原型屋能耗模型建立资料来源：自绘C、能耗模拟结果：万通原型屋减排基准以节能建筑为基准，以同样的建筑设计形式，能耗模拟对比建筑采用上世纪

17、80 年代的材料与采暖方式，冬季以燃煤锅炉供暖，夏季采用风冷热泵为空调冷源（如图 16）。Revit 体量模型Design Builder 分析模型图 16 五户联排别墅能耗对比汇总; 资料来源：自绘项目名称基准建筑设计建筑建筑墙体建筑屋顶空调负荷日耗电总量CO2 产生量设计目标建筑的主要减碳表现在空调能耗上，目标建筑较基准建筑减碳量 88%。光伏发电的额定电功率 130W 的能薄膜 450m2（峰值效率 70%），平均每天发电 4 小时，采用玻璃夹层与单晶硅结合 的 发 电 形 式 ， 计 算 光 伏 薄 膜 年 发 电 量 约 ：450*0.13*0.7*4*365=59787KWH，由于

18、能耗模拟计算包括了车库的能耗，所以模拟计算出的能耗应小于实际能耗，所以，光伏发电量基本可以满足建筑所需的电力需求。参照发改委 2009 年华北区域电网基准线排放因子（如下图 17），可以得到万通原型屋每年运营期的CO2 的排放量为：（71757-59787）*1.0069*0.001=12.053t CO2，这个数值平均到住户每个人身上的话，基本上已经使建筑在使用期接近零碳排放了。图 17 2009 年中国区域电网基准线排放因子资料来源：发改委：关于2009 年中国区域电网基准线排放因子的公告房间用电照明空调主机、水泵其它热水合计设计耗电量（kWh）1843613937341425244071

19、759基准耗电量（kWh）25050416802806905240293306148886、总结建议本文基于万通地产的一个科研项目的设计过程总结了一个粗略的设计方法及设计流程，这点是比较值得欣慰的，但是当一个建筑师真正面对各种不同建筑类型的时候，低碳或是数字化技术的应用又会根据具体的设计条件和建筑特点变得不同，所以本文只是希望起到一点抛砖引玉的效果，另外，建筑师在这个时代要真正有所作为还需要行业及社会的成熟和进步来支持。几点建议：一、对于建筑行业：1、数据库：中国要建设和推广低碳建筑，除了近期要进一步完善建筑节能体系之外，中长期需要建立自己的数据库，对各种不同建筑材料如钢材、水泥、玻璃、铝制品

20、和装修材料，以及建筑设备（空调等）等在生产过程中的能耗量做出全面统计和分析。同时，对不同地区厂家生产的各种建筑材料其能耗进行标识和追踪，建造时才能有更节能、减碳的方案可选择。2、建筑技术体系：中国需要设计、研发和建立适合国内市场需求且经济成本上可行的建筑技术体系。通过这种体系，更有效地降低排放量，使之成为切实降低建筑物碳排放量的建筑结构体系，如建立轻钢、新型轻质混凝土结构、复合材料结构体系等的追踪，使建筑材料的碳排放量计算有科学依据。最后在设计和开发过程中，需要综合考虑各方面，如要求减少排放量、进行建筑开发的规划设计、建筑结构的造型、建筑材料的选择等。3、可回收建材：针对人类工业化生产过程中有

21、害物质并危害人类健康等恶劣，通过使用环保并且可回收的建材去消解工业产品中的废弃物，这样不仅能够达到创造健康舒适的建筑使用空间，也可以减少人类建设活动对环境产生的影响。4、多采用低品位能源4：采取利用低品位能源进行建筑整体性或基础性调温，而高品位的能源如电力、煤气等等，进行局部性、精细性调温，作为绿色建筑的通则。比如建科院厅设计成自然通风，平时基本可以不开空调，只有在特别炎热的夏季，在通风降温的基础上，再采取座位空调的送风，来增强建筑内的舒适度，平均下来能耗就比普通建筑要低得多。现在有些建筑采用玻璃幕墙全封闭式，夏天一晒，尽管将空调开足，也难以降温。据测算，北方建筑夏季一扇窗子就相当于一个 40

22、0 瓦的电灯泡，十扇窗子就是 4000 瓦，要用 5000 瓦以上的空调能量才能抵消。如果建筑采用外遮阳方式，就可以减少 90%以上的射入建筑物的能热量及所需的制冷能耗。5、可再生能源的全面应用：实际上，能、地热能、风能、电梯的下降再生能都可以用来发电，应该把这些利用起来。比如利用能光伏发电板进行聚能发电、能聚热，用光导管导进太阳光用于车库直接照明。可以把集中起来，产生沼气，然后再带动微型的燃气轮机运转。屋顶风力发电、污水热泵、水源热泵、地源热泵，可以利用的能源还有很多，完全可以组成一个新的能源体系。所谓低品位能源包括热能、生物能等，二者之间是可以互相转化的。，高品位的能源是指电力、机械功、4

23、燃气和液体http:等，是相对那些不易利用的易造成浪费的能源而言的。/question/15688021.html6、推行建筑配件化：我国建筑施工整个过程产生的建筑占城市的 30%以上，住宅的二次装修也造成了很大的浪费，因此有条件的城市第一步必须要推行全装修。据测算，一旦推行全装修，全国每年可以减少 300 亿元价值的资源消耗气体的排放也可以大幅度减少。我国毛坯房的供应比例之高是世界上少有的。如果在试行全装修，绿色建筑二星级就可以有条件达到。还没有任何一个城市这样做，万科地产已宣布其开发的所有住宅都做成全装修。第二步就是在全装修的基础上，推行建筑的构件化和配件化。用现代技术精密制造的建筑构件来

24、组装建筑，建筑的施工速度会大大加快，也能节约大量的材料和能源。据估计，采取配件化的企业与采取传统生产方式的企业相比，前者节约 20%能耗，节约水耗 63%，节约木材 87%，每平米产生的量减少 90%，没有，工地变得非常整洁，噪声影响也大大降低。57、本土的低碳建筑规范需要出台指导：现在世界上已经有很多绿色建筑的评估系统和标准，英国有 BREEAM 体系，它是同时为建筑师和开发商提供相关技术的，适用范围十分广泛，学术价值比较高；有 LEED 绿色建筑评估体系，它是需求、以市场为驱动的绿色建筑评估系统，是目前最流行的；中国也有以LEED 系统为蓝本发展来的三星级绿色建筑评价标准，当然、全世界的这

25、些体系还有很多，它们各有自己的优势和特点。如今低碳建筑的出现，“”可以关系到的社会各个层面，我国需要一个本土“生态城改造分级”，2010 年版，P166。研究会主编：中国低碳生态城市发展2010，5中国建筑工业的低碳建筑规范去指导建筑设计，真正的做到建筑全方位的可持续。8、建筑设计行业数字化技术：低碳建筑包含的结构、管线是相当复杂的，数字化设计在许多方面可以很好的应对低碳建筑中容易出现，目前，设计中许多年长有丰富工程经验的建筑师对新出现的设数字化设计了解到并不多，而年轻人对熟悉却缺少工程经验，数字化技术，老中青三代才能更好的沟通，在设计领域把低碳建筑做的更成熟。二、对于社会：1、继续推进：市场

26、需求广阔，中国可再生能源中长期发展规划设定，到 2020 年可再生能源占能源总量达到15%，对风电、能发电和生物质发电等可再生能源并网发电 进行；同时，口众多能源需求巨大，必将催生对替代传统化石能源的可再生能源的极大需求，从而降低可再生能源的利用成本促使其普遍应用，比如中国能热水器产业其生产和应用均已居世界前列。2、充分利用投资：开发利用可再生能源需要投入巨资进行技术研发和基础设施建设，而目前国内该领域的充沛，CDM 机制为新能源开发利用项目融通大量，中国也建立了可再生能源发展专项，目前新能源及可再生能源领域的民间投资较为活跃。3、采用符合国情的政策：这里可以参照市的做法，他们发布Copenhagen Climate Plan，提倡发展节能市有严格的，进行推广节能建筑。对房屋保温层和门窗密封程度都有严格规定，墙壁厚达三层，中间层是特殊保温材料，夏天隔热，冬天防寒。窗户也有严格的要求，外边的冷（热），空气不会轻易进来。家家户户都使用节能灯，晚间通往郊外的路没