可持续建筑设计中的试验方法研究

高云庭

广东白云学院 艺术设计学院，广东 广州 510450

1 试验模型

可持续建筑设计本质上是规定性的，这种主观行为含有感性成份，规定性需要一定量的描述性阐释，感性也需要一定量的客观性检验。设计是科学与艺术的结合，但与它们不同的是，设计很少有出错的权利。一个科学理论或结论应用到实践中通常需要很长的时间周期，如果对其中的错误发现及时，科学家们是有时间对其做更正或补充的，并且这种错误总是可以促进或帮助科学的进步，再加上科学本身就具有探索、试验的属性，所以人们对科学的错误具有一定的容忍度。一个艺术作品的错误可以用语言批评来及时指出或矫正，避免其不良影响的传播。但是设计的情况完全不同，虽然设计的错误也可以促进设计反思，进而推动设计的进步，但一个设计会很快进入人们的生活，其中的错误即刻便会产生实实在在的影响，并且这种影响往往是不能回避的、长期的，有时还可能是深远的、不可承受的。所以，在方案的设计过程中必须要有一个客观试验的环节。

当建筑项目的某一设计方案初步确定时，为了更直观、形象、具体地了解建筑运行状态、项目整体影响时，即应选择适当的试验方式、工具，对建筑系统的整体或部分进行形式或功能的模拟。通过对自变量、无关变量的控制，分析其与因变量结果的关系，将系统内种种复杂的、不可见的、直接或间接的关系，以可见的、直观的、定性的或定量的方法表达出来，再进行比较、评估、改进的迭代过程，便可以获得最优化的设计方案。目前能够最透彻表达设计思想的模拟工具是虚拟现实技术，所有可用于设计试验的有效工具可以归为四类：

（1）手绘图：包括二维、三维的草图和效果图，适用于设计初期对概念、形式、色彩、材质、技术、场景等进行简单的描绘和表达，成本非常低、速度也较快。

（2）实物模型：实物材料制成的模型，在体量、造型、颜色、空间感等方面可以得到最为直观、真实的效果，还可模拟简单的几种物理环境，但成本略高、制作周期长。

（3）计算机三维模型：电脑软件制作的虚拟模型，方案设计和演示的灵活度极高，效果也非常逼真，造型、赋色、选材等的自由度非常大，可内外全方位静态或动态地展示建筑效果，成本非常低、模拟费时少。

（4）计算机动态模拟：电脑软件制作的参数化模型，模拟效果非常接近实际状态，能对建筑在功能、环境、社会等维度进行全面具体地模拟，较为准确地计算出功能状况、物理环境、环境影响、运行管理、空间情景等各项内容的动态情况和相应数据，成本非常低，模拟周期短。核心建模软件有Revit、Bently、ArchiCAD等，方案设计软件有Onuma、Planning System、Affinity等，可视化软件有3dsMAX、Artlantis、AccuRender、Maya、Lightscape等，造价管理软件有Innovaya、Solibri、鲁班等，机电分析软件有Designmaster、IES Virtual Environment、Trane Trace等，结构分析软件有ETABS、STAAD、Robot、PKPM等，可持续分析软件有Echotect、Green Building Studio、EnergyPlus、斯维尔、天正等，建筑全能耗模拟软件（比较流行的）主要有EnergyPlus、DOS-2、TRNSYS、DeST等，建筑光环境模拟软件（比较流行的）主要有Radiance、Desktop Radiance、Daysim，建筑声环境模拟软件主要有RAYNOISE、Cadna/A，建筑风环境模拟软件CFD主要有Fluent、Airpak、PHOENICS，综合模拟软件主要有ESP-r、Ecotect、IES。

设计试验模型（图1）有理论思维的形式，也有物质模型的形式，通常是在两者基础上形成的综合模型。它为分析研究提供了技术手段，一方面可以科学的描述建筑系统的结构要素和运行机制，另一方面可以预测建筑系统的未来情况。方案模拟的程度有简单与具体两个标准，前者的信息模型简单概括，方案建模较为快速；后者则要求有较为具体、准确和完备的信息来源，方案建模过程较为复杂、耗时。简单式常用于设计初期的定性试验，而具体式则往往用在设计后期的定量试验。设计试验的规模分为方案评估试验和方案优化试验两类，前者是对一个预案的效果模拟试验；后者是对方案中某个或若干要素的调整试验。

图1 可持续建筑设计试验的一般模型

建筑投入使用后的体验可能与最初的设想是难以形成“因果对等”关系的，也很难绝对准确地探测出建筑使用多年后的性能变化，以及所可能产生的环境、社会影响。设计试验的方式和工具很多，但每一个关乎设计本质的都或多或少有些瑕疵。试验环境是一个“中性社会环境”，而不是一个“发挥自身效果的具体社会环境”。所有模型也都存在不同程度“过度简化”，在内容、深度、计算精度和可靠性等方面都有一定的局限性。它们的全部复杂性和独特性总是不能100%的表现出来。虽然模拟的有意“整体性”并不总能令人满意地进行复制，但它在可持续建筑设计中目前仍可作为一种非常有效的设计方法来使用。

尽管如此，当我们把所有的可用试验结果都放在一起，还是可以拼贴出一个设计师思考的大致图景的。建立因果当量关系最好的方法——事实上也是唯一具有完全说服力的方法——就是进行精心设计的试验，这样才有利于控制尽可能多的潜在变量的影响。［1］另外值得注意的是，其他类似建筑设计试验的量化研究数据结论［1］，即便是试验条件相同，也不可随便用于本试验分析中，特别是感性维度的分析，除非那些结论已被认定是归于普遍经验的范畴。悉心的方法运用可以更好地发挥设计试验的作用，帮助项目方案获得更完善的功能与价值。

2 试验三路径

不论是单一要素还是一套方案的设计试验，其内容和过程都是具有相当的复杂度，目前还不太可能将可持续建筑项目以一个完全整体进行模拟试验。做建筑物及空间环境、使用中的真实情景、各种功能的运作情况三个交互影响部分的模拟和试验，是评估和优化设计效果的有效途径。

2.1 形态模拟

形态模拟是建筑本体和形象的表现，也是方案设计的结果呈现。对建筑的造型、色彩、材料、体量、空间、环境的模拟试验，可以运用草图、效果图、实物模型、计算机三维模型来展开。草图和效果图的设计试验在概念设计和方案早期能推动设计初步方案的迭代进程。实物模型在对建筑实体、构成形式、空间环境的模拟效果上，特别是在一些对精神功能、文化情感有特殊要求的项目中，其具象化、真实性是其他模拟媒介不可替代的。计算机三维模型可以制作尺度准确的平面图、立面图、剖面图，以及精细逼真的二维、三维效果图和三维动画，能够非常清晰地模拟出方案的建筑形态，并且对任意形态要素做细节试验都非常容易，设计者可以任意视点、视角审视建筑、感受空间，以验证、评价形态方案是否符合设计目标。在不同设计阶段将几种试验工具按恰当的比例组合起来，对建筑形态及表达语汇进行多方式、多维度的检查与推敲，可以很好地获得建筑形态设计试验的效果和意义。

2.2 场景模拟

场景模拟是建筑使用的真实情况呈现，也是空间环境感受、认知、行为状态的表达。对环境舒适程度的模拟试验，可以运用实物模型、计算机动态模拟来展开。简单式的实物模拟作为计算机模拟的一种辅助，在设计的初期和中期发挥着部分作用。在计算机中能模拟室内环境的光照、温度、湿度、风、声响等，室外环境的光照、热辐射、空气温湿度、主导风、雨雪等。对环境中人员分布和动态的模拟试验，可以运用草图、效果图、计算机三维模型、计算机动态模拟来展开。草图和效果图适用于设计初期静态场景的快速试验。计算机三维模型可以就静态场景和一般动态场景进行试验。在计算机动态模拟方式中可以模拟日常动态流线、人群活跃区域、楼道与场地交通、紧急疏散、工作疲劳程度、垃圾管理等场景情态。虚拟现实模拟可以让观者“有机会”进入空间，带给观者“真正的”实时场景，360°全息沉浸式体验，可以让人充分完全地感知和体察空间环境，这是目前多要素场景试验的最佳方式。当然，全景式体验也有其不足之处，可能对空气流动感、气味的准确模拟技术可以很快实现，但对触摸感的模拟很难在短时间内做到，空间准确度也有待进一步提升。但就目前的成熟应用技术来看，一个经过良好试验设计的场景模拟允许对假设情形的真实世界观点，可以在不破坏其自然环境含义的前提下，就环境品质或场所现象进行孤立的试验和探究。

2.3 功能模拟

功能模拟是建筑性能与状态的展现，也是一种时间承诺的演绎。对建筑硬件功能、设备运行、环境效应等的模拟试验，可以运用计算机动态模拟来展开。在计算机中能模拟建筑结构强度与承重，围护结构热工性能、通风性能、采光性能、日照与遮挡、太阳能利用效率、机械设备功率与工况、生命周期里的性能变化及消耗、排放等内容。BIM（建筑信息模型技术，Building Information Modeling）是研究者们普遍认同的首个也是目前最好的四维“空间--时间信息模型”［2］，它的系列软件能够将建筑的所有功能性相关变量以一种整体统合的方式复制出来，包括几何信息、结构信息、建造信息、功能信息、环境信息、运转信息、时间信息等资源信息，通过虚拟建筑的建造模拟，BIM所有构成元素的控制参数和文本信息都能智能化地修改、编辑，可以进行单一或多项条件的动态模拟。通过虚拟建筑的运行模拟，可以试验建筑项目在真实时间周期内的功能价值与环境影响，预演建筑在建成后长时间周期内的表现。数字化模拟各种运转状态下的条件交互反馈和要素拟合结果，是试验建筑功能水平和建筑生命状态的有效途径。

3 结论

设计试验法在可持续建筑设计过程中能发挥重要的作用，它可以具象化、信息化、及时化的方式创造出一个最为接近真实状态的设计结果，并以一种探索性、比照性的迭代思维反映出设计方案与预期目的的关系。该方法具有明显的就事论事、反馈迅速、结果清楚的特点，就设计方案的运行情况，良好运行的条件和该条件允许的范围等问题，能给出具有参考价值的答案。设计试验法适用于项目设计方案的分析、测试、调整与决策阶段，是一种增强设计呈现能力，完善方案优化路径，提升项目可持续品质的有效设计方法。