建筑围护结构评价体系与设计方法探讨

■金 倩 Jin Qian

0 引言

随着建筑技术的不断发展，围护结构在不同时期扮演着不同的角色。从最初的能量阻隔者(energy barriers)，到后来的能量传递者(energy movers)，再到如今的能量回收利用者(energy harvester)（图1、2）。这样一个转变过程，主要源自于人类对于围护结构通透性的追求，以及对削减室内跟室外之间的界限以获得更多阳光和新鲜空气的渴望，当然前提是保持较高的室内舒适度[1]。

最早对建筑围护结构性能提出具体要求的是1961年丹麦的（DEN）BR 1961《建筑条例》。如今，建筑围护结构作为室内环境与室外环境的分界面，设计师力求采取最有效的措施使其对热量、声音、光等环境条件进行有选择性的传递、过滤或阻隔，从而达到提高室内环境质量、降低建筑整体能耗的目的。为了这些目的，不可避免地会导致在设计过程中遇到一些矛盾与冲突。例如，提高窗墙比可以与外界环境建立更多联系，同时减少对人工照明的需求，但在炎热的夏天常常会导致太阳辐射过多地进入室内，降低室内热环境舒适度或引起制冷能耗的增加。而且，室外的天气条件和室内的环境质量需求也在不断变化，这使得建筑围护结构的设计变得更加复杂。例如，夜晚建筑能量的散失对于制冷期是有益的，但对于供暖期来说却是不利的。因此，我们需要一个可以同时考虑建筑围护结构多种性能和设计目标的评价体系和设计方法，进而在建筑围护结构的设计中给出比较综合的、系统化的最优解决方案。

1 针对围护结构的评价方法

当前的围护结构评价方法大多只适用于某些比较单一的方面。例如，《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2015）中提供了针对围护结构热工性能的权衡判断方法；Komerska和Radhi等采用了全生命周期法对围护结构的环境影响进行分析评估[4][5]; Ghazali等对多种太阳能光伏围护结构进行了经济性和节能性分析[6]。 Iwaro等提出了整体性能模型用以评估住宅围护结构的可持续性[7]。Singhaputtangkul等开发了一个基于智库的决策支持体系，可对高层住宅围护结构的各组成材料以及整体结构的环保性以及可建性进行评价[8]。经大量文献查阅，针对围护结构的综合性分析评价方法有以下三个：

图1 世界上第一座藻类驱动建筑:德国BIQ House[2]

图2 美国建筑科技和生态研究中心开发的高性能太阳能围护结构体系[3]

（1）Hendriks &Hens曾提出一个建筑围护结构性能参数列表（表1）和相应的评价方法[9]。通过先对列表中每个参数采用打分（1～5分），再使用加权平均数来体现建筑围护结构的总体性能。这个方法的优点在于，对于每个性能参数和建筑表皮的整体性能来说，都能得到一个量化的结果。但同时也存在两个不足之处：首先，对不同类型参数的权重分配是主观判断的，由主观因素存在差异而导致的权重因子的差别，会使得最终的总体性能指标差别很大。实际上，在后面的两种方法中也存在同样的问题。在样本数量比较少的时候，此问题尤其突出。第二，在围护结构的结构性能方面考虑得比较少，除了“抗物理撞击性”外，忽略了结构在其他状态作用下（例如风荷载、温度变化）的性能。

（2）Chen & Clements-Croome提出了包含37个关键性能指标的外墙系统评价体系（表2）[10]。与前一个评价体系相较，这个体系所包含的评价范围更广、各方面的性能指标分类更细。但是，这37个指标当中，有的是可量化的(例如“内含能”“维护成本”等)，有的指标却很难量化（例如“美学”），由此对评价结果产生更大的不确定性。另外，这个体系没有对独立参数和非独立参数进行区分。例如，在“节能性”指标中，建筑朝向是独立参数，其取值会影响建筑能耗等非独立参数，也就是说，在评价建筑能耗时会再次计算建筑朝向的影响。因此，建筑朝向这个指标与建筑能耗指标的并列存在不甚合理。

（3）孙林建立了夏热冬冷地区围护结构节能技术综合评价指标体系（表3）[11]，从技术性能、经济效益和社会效益三方面给出比较简便的评价和比较方法。该体系也基本适用于其他气候条件。与前两种体系相较，该体系在物理性能指标方面涵盖面最广。另外，施工工艺和成套技术的适应性也被考虑在内，这点对于新技术尤其重要，因为许多新技术在制造、施工等方面难度非常大，很有可能因达不到要求而对整体质量造成影响。此体系同时也存在一些局限。例如，没有考虑声学性能，且对经济性的评价不够全面，没有对设计、拆除、再利用等成本的单项评估。

表1 建筑表皮各性能参数[9]

表2 关键性能指标[10]

2 围护结构设计工具和软件

围护结构的设计工具可分为概念设计软件和深化设计软件两大类。概念设计软件操作简单，使用较方便，可以在较短时间内提供比较粗略的计算结果来辅助初期的设计。例如，MIT Design Advisor[12]可同时对四种围护结构设计方案下的建筑能耗、室内光照、热舒适度、以及全生命周期的花费进行对比计算（图3）。其优势是用户友好的界面和较短的计算耗时，但计算是基于一些简化的假设，且无法模拟比较复杂的围护结构体系。另外一个计算工具是英国皇家屋宇设备工程师学会的玻璃围护结构环境性能工具[13]。这个工具内包含了37种玻璃围护结构，设计师在简单建模后只需输入设计目标和设计限制条件，该工具就可给出满足需求的围护结构类型。但此工具的局限也在于仅从既有的围护结构类型中进行选择，且无法进行比较系统化的优化设计。

表3 夏热冬冷地区围护结构节能技术综合评价指标体系[11]

深化设计工具/软件可通过动态的热学、光学以及声学模拟，对建筑围护结构进行更加精确的、系统化的评估和优化设计。由于建筑围护结构会在外界环境条件和室内条件变化的影响下，与建筑内部的多种设计因素（例如人工照明、制冷供暖系统等）协同作用，当前比较通用的方法是以对建筑整体性能的需求为导向，以建筑整体为研究对象，将建筑性能模拟技术与系统化的优化方法相结合，通过对围护结构相关设计目标的优化计算，最终确定最佳的围护结构解决方案（图4）。Zemella等将建筑性能模拟软件EnergyPlus与进化神经网络设计方法（Evolutionary Neural Network Design）相结合[14]，对某典型办公空间的外墙进行环保和节能分析和优化设计，得出最佳外墙解决方案。Wang等以提高室内舒适度为目的[15]，利用建筑性能模拟软件TAS配合参数研究法，对新加坡自然通风的住宅建筑围护结构的导热系数、朝向、窗墙比和遮阳宽度进行了具体设计。此类方法的优势在于可获得比较精确的计算结果，但相对前一类软件来说，建模操作比较复杂，需要更多专业知识才可操作，且模型程序运算时间较长。

图3 MIT Design Advisor 应用界面[12]

图4 以需求为导向的建筑围护结构设计方法

3 围护结构设计和评价体系存在的问题

随着围护结构技术的飞速发展，围护结构的评价体系和设计方法也迎来了前所未有的挑战。新材料和新技术（如适应性表皮）的诞生，以及围护结构体系多功能化的发展趋势，要求针对围护结构的设计方法和评价体系不断更新完善。具体包括：

（1）现有围护结构设计方法的研究对象存在单一性，即所针对的围护结构材料和类型比较局限。大多数设计方法仅适用于某些特定的围护结构类型和材料，无法进行广泛地应用。尤其对于当今前沿的一些围护结构技术，例如适应性表皮，尚找不到一套广泛适用的设计方法。另外，对既有围护结构材料体系的相关属性、产品信息缺乏一个比较可靠的、覆盖范围比较广的数据来源。例如许多材料构件的内含能无从获得，这就使相应的环境评估无法进行。因此，伴随新技术的开发，需要将相应的设计方法和评价体系尽快在现有体系上建立完善起来，以适应工程设计的需求。

（2） 现有围护结构的评价体系涉及范围和标准存在局限性。大多数评价体系仅针对某些方面的性能指标评价（例如仅考虑节能性而忽略维护成本），无法对围护结构进行非常全面的、综合的、可靠性强的评价。本文第一部分中提到的三个相对来说比较全面的评价方法，也存在性能指标选择及量化方面的问题。

（3）评价体系和设计方法的可靠性有待提高。现有评价体系和设计方法很大程度上依赖于计算机辅助模拟，其可靠性也相应地取决于计算机模拟的可靠度。因此，通过短期甚至长期的实验监测，对模拟结果进行部分或全部验证，对尚存在误差的模型进行修正，可以有效提高其可靠度和应用价值。

4 结语

本文以建筑围护结构为研究对象，对其评价体系和设计方法展开讨论。通过文献查阅，发现大部分评价体系涉及的范围比较单一，于是挑选了相对来说综合性更强的三种评价体系进行对比分析。同时也对相关的概念设计工具和深化设计工具的特点进行了讨论。在此基础之上，指出了目前围护结构的设计评价所面临的具体问题和挑战，并提出了具体可行的建议，为围护结构系统化、综合化的设计评价方法建立提供了参考。

参考文献：

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