建筑师和计算机模拟

摘 要：计算机模拟技术是读图时代绿色建筑设计的一个有效的媒介工具.他对建筑师提出了更高的要求.本文概述了计算机模拟技术的历史和在建筑设计中的运用,并以此为基础通过案例分析,解析了计算机模拟技术介入方案设计对建筑师提出的四点基本要求.

关 键 词：计算机模拟；媒介；建筑师；知识结构

Abstract:ComputersimulationisanefficaciouediatoolforecologicalarchitectureintheintheEraofPicturesReading.Itrequireuchmoreknowledgethanbeforeasanarchitect.Thisarticleprovidesanoverviewofthehistoryofputersimulationandtheuseofsimulationintheprocessofthearchitecturedesign.Thenthroughthecasestudies,thearticleproposeorefundamentalpointstothearchitectsaboutthearchitecturedesignwiththehelpofputersimulation.

Keywords:putersimulation；media；architect,structureofknowledge

中图分类号：TU201.4

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2009）06-0054-03

随着信息技术的飞速发展,我们的社会已经步入了读图时代.计算机模拟技术是读图时代下绿色建筑设计的新媒介,它的出现对建筑师提出了新的要求,建筑师的知识结构亟待更新.时代呼唤“升级版建筑师”.

1计算机模拟出现的时代背景

20世纪中期,能源、环境成为了全球关注的热点问题.一部著作――《成长的极限》、两次能源危机,打破了欧伯罗斯的神话,自然给人类敲醒了警钟.作为全球能耗大户的建筑行业开始反思对自身对环境的影响,节能、环保成为了当代建筑师共同肩负的社会责任.

建筑设计中,能源、环境是建筑师和工程师都必须考虑的因素.20世纪60年代,一些工程师尝试利用计算机将不可见的环境、能源因素可视化,并希望通过理性的科学分析与大量的数据计算使建筑物理环境的设计更加精准化,从而达到节约能源的目的.计算机模拟技术就是这种时代背景下的产物.最早计算机模拟技术主要用于照明、暖通空调、通风等方面的节能模拟.第二次石油危机过后,对节能的激励减弱了,加之电脑技术的局限,计算机模拟一段时间内销声匿迹.90年代初期,个人电脑的计算能力和储存能力增强,计算机模拟得以发展普及,并越来越多地引起了建筑师的关注.于是在建筑和自然之间,计算机成了一种新的更为便捷的设计媒介工具,它通过对建筑信息、环境信息、计算模型的设计与运算,将不可见的物理环境通过图示颜色等可视化方式表现出来,绿色建筑也步入了“读图时代”.

2计算机模拟的类型及其在建筑设计中的应用

随着模拟技术的日趋成熟,建筑物理环境的模拟已经成为绿色建筑设计过程中不可或缺的媒介工具,环境模拟正在从工程师的“专利技术”变为建筑师的必备素质.目前,众多模拟技术中能够直接介入设计易操作的主要以下几种（见图表2）.这些模拟软件按其在建筑设计中的作用不同可以分为参考性模拟和评价性模拟两种.参考性模拟主要应用在建筑设计的过程,其主要作用是预测建筑周边的物理环境并使之图示化.参考性模拟的主要目的是为建筑师提供设计依据,避免由建筑设计原因导致的“不舒适”环境,如CFD风环境模拟软件、ECOTECH建筑环境分析软件等等.评价性模拟的应用有两类,一是对重大项目设计阶段结束之后施工阶段开始之前,尤其是对建筑物理环境有特殊要求的建筑进行物理环境的准确模拟.其主要作用是对建筑设计进行检验性评价,在施工之前提出合理化改进意见.二是对已建成建筑进行能耗模拟分析,其主要作用是对建筑做出合理评价,提取有效数据,为以后的建筑设计积累经验.这些模拟技术介入设计全过程,他们在优化设计的同时对建筑师在建筑物理环境方面的基本修养提出了更高的要求.

3建筑师与计算机模拟

计算机模拟技术的介入更新了传统建筑设计的流程,除了在方案功能、流线、形体、结构、材料和经验性环境预测等方面反复推敲外,设计流程多了计算机这一相对客观的评价要素（设计流程如图表4）.然而,计算机模拟犹如建筑师手中的欧伯罗斯魔杖,如何能够使其发挥积极作用,给建筑师提出了更高的要求.

首先,建筑师必须对建筑周边环境的进行详细的调研分析.基地调研是建筑设计的基础,更是将计算机模拟技术运用到建筑设计中的基础.建筑师必须根据建筑所在环境的背景资料,气象数据进行分析,得出项目必须解决和重点考虑的环境问题,决定是否需要进行模拟,具体运用什么软件进行模拟计算.下图是笔者在一次国际生态住宅设计竞赛中的获奖方案.该方案选址在马来西亚的一个小镇.基地气候终年湿热,降水丰富,地处静风区,除偶遇台风外,年均风速小于5m/s.在这里解决生态的关键问题是风环境的设计,良好的自然通风有利于潮湿空气蒸发,从而带走部分热量.因而方案从规划到单体,十分注重通风环境的设计,并运用CFD软件分别对整体规划的风环境和单体建筑室内风环境进行模拟,借此优化建筑微环境.

其次,建筑师应该对建筑物理环境的基本评价指标有所了解,也就是说建筑师要能读图、读懂图.在还没有出现计算机技术以前,建筑师关注自然环境,通过自己和他人的亲身体验,模糊的定义建筑物理环境的好坏.这种情况下建筑师通过长期的生活体验,能够直观地对建筑微环境的物理指标给出感性评价.计算机模拟技术出现后,冷、热、干、湿等一系列形容词一下子变成了色块和阿拉伯数字.建筑师能否正确的、适当地解读模拟图的含义成为计算机模拟能否物尽其用的关键因素.下图是对某生态建筑屋顶遮阳的计算机模拟,分析不同的遮阳形式对大厅室内各层热舒适状况的影响.该项目所用的评价指标为美国供热制冷空调工程师协会（ASHRAE）推荐的标准有效温度SET,其可表示人在太阳辐射条件下对应的冷热感觉及健康状况.当SET大于30℃的时候,一般认为不舒适.建筑师只有对模拟图充分理解,计算机模拟才能够对建筑设计真正起到指导作用.

再次,建筑师要担当起总体把握设计方案、理性分析环境条件、合理选择技术手段的重任.一个建筑是否合理、是否节能不是单凭计算机软件算出来.优秀的建筑设计是其成为一个绿色建筑典范的前提.如果方案设计理念就有悖于节能环保,即使再出色的计算机模拟也只能是亡羊补牢.有一段时期,我国北方出现了大量的全玻璃的绿色建筑.众所周知,我国北方地区冬天寒冷,节能重点在于冬季的保温隔热.而一般用于结构的玻璃隔热系数远远小于混凝土,这决定了玻璃建筑在保温方面存在天生缺陷.玻璃建筑晶莹的表皮带来的是大量的空调能耗和经济花销,而非绿色节能.近几年,我国与意大利合作设计了一座很有影响力的绿色建筑.下图是设计过程中利用日照软件进行优化设计的模拟图.勿庸质疑,在方案设计中该项目运用了先进的模拟技术,经过了仔细的计算与分析.然而再高明的模拟技术也无法避免通体的玻璃幕墙带来的空调能耗和过亿的造价.

最后要说的是一个态度问题.建筑师对计算机模拟技术的使用应该有一个科学的客观的态度.当代的一些建筑实践中,对建筑模拟有两种有失偏颇的看法：一种认为现阶段建筑的设计周期短,建筑师要考虑的因素多,计算机模拟是对建筑师提出的额外要求,增加了建筑师的工作量；另一种观点认为计算机模拟的结果是准确的,并且给建筑设计提供了有力的科学依据,比主观的审美趣味更具说服力,可以用计算机“算”出建筑.这两种观点在目前的建筑实践中都不是对计算机模拟的客观评价.计算机模拟仅仅是一种媒介工具,他的适用性需要建筑师凭借理性分析和经验来判定,并且在建筑中始终是辅助设计的手段.这很像建筑表现中的,精美帅气的图固然能够在一定程度上解决建筑的不可实验性带来的设计困难,从而提高了建筑设计的质量.但是,图却无法表现佛罗伦萨的沧桑和爱琴海边小镇的宁静.计算机模拟可以成为建筑师设计灵感的源泉,但绝不能成为束缚建筑师创造力的缰绳.

4结语

建筑是艺术与技术共同作用的产物.从原始棚屋起,建筑技术发展的过程中经历了以拱券结构和城市基础设施建设为主要成就,关注建筑结构特征的古罗马时代,也经历了工业革命带来的新材料、新能源的大规模运用,现在又迎来了以计算机媒介技术为主要标志的读图时代.模拟技术展示了以前不可见的环境和过程因素,建筑改变了他的不可试验性.媒介手段的改善必将会在设计方法、施工方法、设计理念等诸多方面打破传统的建筑设计范式,相应地也会改变建筑师的工作方法和知识结构.这样的时代背景呼唤着兼具节能工程师和设计师双重能力的建筑师