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建筑師和計算機模擬論文
摘 要：計算機模擬技術是讀圖時代綠色建筑設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的歷史和在建筑設計中的運用，并以此為基礎通過案例分析，解析了計算機模擬技術介入方案設計對建筑師提出的四點基本要求。
關鍵詞：計算機模擬； 媒介； 建筑師； 知識結構
隨著信息技術的飛速發(fā)展，我們的社會已經步入了讀圖時代。計算機模擬技術是讀圖時代下綠色建筑設計的新媒介，它的出現對建筑師提出了新的要求，建筑師的知識結構亟待更新。時代呼喚“升級版建筑師”。
1計算機模擬出現的時代背景
20世紀中期，能源、環(huán)境成為了全球關注的熱點問題。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)保成為了當代建筑師共同肩負的社會責任。
建筑設計中，能源、環(huán)境是建筑師和工程師都必須考慮的因素。20世紀60年代，一些工程師嘗試利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分析與大量的數據計算使建筑物理環(huán)境的設計更加精準化，從而達到節(jié)約能源的目的。計算機模擬技術就是這種時代背景下的產物。最早計算機模擬技術主要用于照明、暖通空調、通風等方面的節(jié)能模擬。第二次石油危機過后，對節(jié)能的激勵減弱了，加之電腦技術的局限，計算機模擬一段時間內銷聲匿跡。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計媒介工具，它通過對建筑信息、環(huán)境信息、計算模型的設計與運算，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計中的應用
隨著模擬技術的日趨成熟，建筑物理環(huán)境的模擬已經成為綠色建筑設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”變?yōu)榻ㄖ䦷煹谋貍渌刭|。目前，眾多模擬技術中能夠直接介入設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。參考性模擬主要應用在建筑設計的過程，其主要作用是預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計依據，避免由建筑設計原因導致的“不舒適”環(huán)境，如CFD風環(huán)境模擬軟件、ECOTECH建筑環(huán)境分析軟件等等。評價性模擬的應用有兩類，一是對重大項目設計階段結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)境的準確模擬。其主要作用是對建筑設計進行檢驗性評價，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，提取有效數據，為以后的建筑設計積累經驗。這些模擬技術介入設計全過程，他們在優(yōu)化設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
計算機模擬技術的介入更新了傳統(tǒng)建筑設計的流程，除了在方案功能、流線、形體、結構、材料和經驗性環(huán)境預測等方面反復推敲外，設計流程多了計算機這一相對客觀的評價要素（設計流程如圖表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)境的進行詳細的調研分析�；卣{研是建筑設計的基礎，更是將計算機模擬技術運用到建筑設計中的基礎。建筑師必須根據建筑所在環(huán)境的背景資料，氣象數據進行分析，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)�；貧夂蚪K年濕熱，降水豐富，地處靜風區(qū)，除偶遇臺風外，年均風速小于5m/s。在這里解決生態(tài)的關鍵問題是風環(huán)境的設計，良好的自然通風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，十分注重通風環(huán)境的設計，并運用CFD軟件分別對整體規(guī)劃的風環(huán)境和單體建筑室內風環(huán)境進行模擬，借此優(yōu)化建筑微環(huán)境。
其次，建筑師應該對建筑物理環(huán)境的基本評價指標有所了解，也就是說建筑師要能讀圖、讀懂圖。在還沒有出現計算機技術以前，建筑師關注自然環(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)境的物理指標給出感性評價。計算機模擬技術出現后，冷、熱、干、濕等一系列形容詞一下子變成了色塊和阿拉伯數字。建筑師能否正確的、適當地解讀模擬圖的含義成為計算機模擬能否物盡其用的關鍵因素。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各層熱舒適狀況的影響。該項目所用的評價指標為美國供熱制冷空調工程師協(xié)會（ASHRAE）推薦的標準有效溫度SET，其可表示人在太陽輻射條件下對應的冷熱感覺及健康狀況。當SET大于30℃的時候，一般認為不舒適。建筑師只有對模擬圖充分理解，計算機模擬才能夠對建筑設計真正起到指導作用。
再次，建筑師要擔當起總體把握設計方案、理性分析環(huán)境條件、合理選擇技術手段的重任。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)秀的建筑設計是其成為一個綠色建筑典范的前提。如果方案設計理念就有悖于節(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。而一般用于外圍結構的玻璃隔熱系數遠遠小于混凝土，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能耗和經濟花銷，而非綠色節(jié)能。近幾年，我國與意大利合作設計了一座很有影響力的綠色建筑。下圖是設計過程中利用日照軟件進行優(yōu)化設計的模擬圖。勿庸質疑，在方案設計中該項目運用了先進的模擬技術，經過了仔細的計算與分析。然而再高明的模擬技術也無法避免通體的玻璃幕墻帶來的空調能耗和過億的造價。
最后要說的是一個態(tài)度問題。建筑師對計算機模擬技術的使用應該有一個科學的客觀的態(tài)度。當代的一些建筑實踐中，對建筑模擬有兩種有失偏頗的看法：一種認為現階段建筑的設計周期短，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；另一種觀點認為計算機模擬的結果是準確的，并且給建筑設計提供了有力的科學依據，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驗來判定，并且在建筑中始終是輔助設計的手段。這很像建筑表現中的透視，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計困難，從而提高了建筑設計的質量。但是，透視圖卻無法表現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結語
建筑是藝術與技術共同作用的產物。從原始棚屋起，建筑技術發(fā)展的過程中經歷了以拱券結構和城市基礎設施建設為主要成就，關注建筑結構特征的古羅馬時代，也經歷了工業(yè)革命帶來的新材料、新能源的大規(guī)模運用，現在又迎來了以計算機媒介技術為主要標志的讀圖時代。模擬技術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計方法、施工方法、設計理念等諸多方面打破傳統(tǒng)的建筑設計范式，相應地也會改變建筑師的工作方法和知識結構。這樣的時代背景呼喚著兼具節(jié)能工程師和設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.清華大學建筑環(huán)境模擬輔助設計課件.研究生課程，2006年.
[3] 林波榮，朱穎心，李曉峰.基于模擬技術的綠色建筑規(guī)劃設計實例分析.建筑科學.2006年，第4期.
[4] 林波榮，朱穎心，江億.生態(tài)建筑室外環(huán)境設計中的技術問題.21世紀綠色城市論壇論文集.2001年10月.
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