金雯雨 張元

摘要：在可持續(xù)視角下，現(xiàn)代社會對建筑節(jié)能的要求越來越高。建筑表皮作為連接建筑內(nèi)部與外界的重要界面，不但是整個建筑外觀形象的代表，同時也是決定建筑內(nèi)部節(jié)能性能。本文主要研究利于建筑節(jié)能的建筑表皮生成設(shè)計方法，通過優(yōu)化建筑表皮節(jié)能性能，減少建筑室內(nèi)能源消耗。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能技術(shù);性能優(yōu)化;生成設(shè)計

1 ?建筑節(jié)能技術(shù)

1.1 可持續(xù)發(fā)展與建筑節(jié)能

可持續(xù)發(fā)展背景下，降低能源消耗是重中之重。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，全球經(jīng)濟生產(chǎn)暴增，但同時也消耗了大量的化石能源，造成了嚴重的環(huán)境污染。而后在全球范圍內(nèi)開始提倡和要求節(jié)能減排，保護自然環(huán)境。我國在2020聯(lián)合國大會上提出中國將施行政策和措施以嚴格控制二氧化碳的排放，預(yù)計在2060年實現(xiàn)碳中和。

1.2 氣候適應(yīng)性建筑設(shè)計策略

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑逐漸擺脫了地域氣候的影響，特別是從現(xiàn)代主義開始，建筑由工業(yè)化的標(biāo)準構(gòu)件快速修建，并在世界范圍內(nèi)復(fù)制，室內(nèi)空間依賴暖通系統(tǒng)維持宜居環(huán)境。在人們滿足于科技帶來宜居室內(nèi)環(huán)境的同時，也面臨著室外逐漸惡化的自然環(huán)境。因此，人們提出建筑應(yīng)適應(yīng)氣候環(huán)境，應(yīng)合理的利用自然環(huán)境資源，通過建筑空間和形式，建造宜居室內(nèi)環(huán)境從而實現(xiàn)建筑節(jié)能。

2 ?建筑表皮技術(shù)的發(fā)展

建筑表皮主要是指建筑的圍護體系，表皮之內(nèi)是人生活和工作的環(huán)境，表皮之外是大自然的環(huán)境。在氣候適應(yīng)性建筑的研究和設(shè)計工作中，建筑表皮是最重要的研究對象之一。從功能上講，建筑表皮不僅是一個分割空間的界面，而且是一個相對建筑整體獨立的介質(zhì)系統(tǒng)，其能夠組織自然能源的儲存和釋放，從而控制建筑物理環(huán)境，影響建筑空間的舒適度和建筑能源消耗。

2.1 古代時期建筑表皮

建筑表皮的形式和功能主要是結(jié)合氣候因素、就地取材，以最簡單實用的方式達到居住目的。根據(jù)歷史考察發(fā)現(xiàn)，我國古代主要包括兩種類型的建筑，長江流域主要是在巢居的基礎(chǔ)上演變而來的干闌式建筑，黃河流域主要是在穴居的基礎(chǔ)上演變而來的木骨泥墻建筑。隨著人類建造技術(shù)的提高，建筑都發(fā)展為由墻體和屋頂構(gòu)成，形式因人文、氣候以及資源具有差異。中世紀之前的歐洲，公共建筑的立面非常相似，在統(tǒng)治階級的控制下，將建筑表皮轉(zhuǎn)化為面向城市展示的特殊載體[1]。文藝復(fù)興時期，建筑立面的設(shè)計更加形式化，所有建筑的立面都具有老教堂和宮殿立面的式樣。

2.2 近現(xiàn)代建筑表皮

2.2.1 鑲嵌生形方法

隨著參數(shù)化方法、建筑信息模型和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，非標(biāo)準性模塊構(gòu)建也不再是不可克服的困難，已有很多成功的案例實踐，位于法國巴黎的JEANBOUIN體育場，建筑外表皮也有裂紋的圖案，其建筑體量巨大，但復(fù)雜而輕盈的建筑表皮削弱了其厚重感，內(nèi)部自然光線明亮，實現(xiàn)了功能明確、形式優(yōu)美和節(jié)能的目標(biāo)。通過鏤空面板削減了建筑厚重的體量感，使建筑更加輕盈和精致，建筑內(nèi)外均有良好的光影效果[2]。

在上海自然歷史博物館的設(shè)計，通過骨架的截面尺寸拉開層次感，從而減弱了不規(guī)則曲面立面的厚重感。以此生形的建筑立面生動且美觀;輕盈鏤空的建筑表皮使得室內(nèi)空間具有良好的自然采光，營造了動態(tài)的建筑空間。

2.2.2 分形生形方法

分形理論有很好的應(yīng)用和發(fā)展，在建筑學(xué)領(lǐng)域也有學(xué)者和建筑師進行理論研究與應(yīng)用，結(jié)合建筑表皮形成生動的室內(nèi)空間，如斯圖加特國際機場，受到大樹的啟發(fā)，使用了分形結(jié)構(gòu)，作為屋頂建筑表皮的支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)部分占據(jù)了較少的室內(nèi)空間。大埃及博物館運用了謝爾賓斯基三角分形，在立面上使用了半透明的石材進行鋪裝，將立面劃分為有節(jié)奏感的肌理。

2.2.3編織生形方法

從原始社會開始人類便開始掌握編織技術(shù)，從竹籃編織到房屋建造，編織技術(shù)隨處可見。編織因其使用的材料、交叉方式和目的而產(chǎn)生較大的差異，同為線狀物體的編織，漁網(wǎng)和布料呈現(xiàn)了完全不同的結(jié)果如今通過數(shù)字化設(shè)計方法和智能建造能夠?qū)⑿屡d材料運用于大型建筑表皮。

編織生形的方法運用建筑表皮中主要分為兩類，一類是作為建筑表皮的紋路肌理，或是表達傳統(tǒng)文化，或是單純的最求建筑形式;一類是將編織作為表皮系統(tǒng)相對獨立的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使用新型復(fù)合材料，通過編織，使簡直表皮呈現(xiàn)出雜亂而規(guī)律的結(jié)構(gòu)之美[3]。

坂茂設(shè)計的法國蓬皮杜梅斯中心，屋頂表皮使用復(fù)合木材編織而成，成為建筑最吸引眼球的部分，其設(shè)計靈感來源于中國草帽和竹籃的編織方法。屋頂結(jié)構(gòu)使用了將六邊形和三角形組合的編織方式，以適應(yīng)大曲率的曲面。

3 ?建筑節(jié)能優(yōu)化與設(shè)計

3.1 建筑表皮性能優(yōu)化

建筑節(jié)能與建筑從規(guī)劃設(shè)計到改建拆除的全生命周期相關(guān)，每一個過程都直接決定了建筑項目的總能源消耗。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑表皮越來越成為一個相對獨立的“介質(zhì)”系統(tǒng)，其對建筑節(jié)能性能有決定性的作用，但建筑表皮的形式、材料、構(gòu)造、氣候環(huán)境、經(jīng)濟條件等都是建筑表皮節(jié)能性能的關(guān)鍵因素[4]。

3.2 機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于建筑節(jié)能表皮的生成設(shè)計

作為人工智能的核心研究領(lǐng)域之一，機器學(xué)習(xí)是人工智能發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，其主擅長從數(shù)據(jù)中習(xí)得規(guī)律和知識，主要包括監(jiān)督學(xué)習(xí)、弱監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)，本文中只涉及到了監(jiān)督學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)就是在已知輸入和輸出的情況下訓(xùn)練出一個模型，將輸入映射到輸出。監(jiān)督學(xué)習(xí)主要包括：決策樹、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、樸素貝葉斯等[5]。建筑師使用機器學(xué)習(xí)模型可以在通過修改參數(shù)組的同時，快速的得到關(guān)于建筑表皮方案性能的反饋，根據(jù)方案既定概念、形式美學(xué)和性能反饋再修改和完善初步方案設(shè)計。建筑師使用結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型的生成設(shè)計方法能大大提高了初步方案設(shè)計效率。

4 ?結(jié)論

建筑表皮作為于分隔內(nèi)部與外界的介質(zhì)系統(tǒng)，對其進行節(jié)能性能的優(yōu)化和生成設(shè)計需要綜合多種影響。建筑作為社會最主要物質(zhì)載體，在形式上直接勾勒了一個民族或一個城市的文化和形象，在節(jié)能性能上直接決定了一個國家或一個城市總能源消耗的高低。在當(dāng)下大數(shù)據(jù)時代，人工智能幾乎滲透到各個領(lǐng)域，作為建筑師應(yīng)充分利用所有可得的數(shù)據(jù)資源，運用人工智能對海量數(shù)據(jù)高效處理和學(xué)習(xí)的能力，將其科學(xué)性和高效性應(yīng)用于方案設(shè)計和建筑節(jié)能策略設(shè)計與維護。

參考文獻：

[1]林鋒.建筑表皮的生成[D].東南大學(xué)，2005.

[2]王蓉蓉.基于空間鑲嵌規(guī)則模式的建筑表皮設(shè)計研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[3]張衛(wèi)寧.從節(jié)能視角看建筑玻璃表皮[D].華中科技大學(xué)，2005.

[4]林周賽.建筑表皮的生態(tài)設(shè)計策略初探[D].天津大學(xué)，2016.

[5]司秉卉.建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計中優(yōu)化算法的效能研究[D].東南大學(xué)，2019.

作者簡介：金雯雨（2000.05—），女，黑龍江省人，蒙古族，本科，天津城建大學(xué)，研究方向：設(shè)計學(xué)。

張元（1998.01——），男，天津人，漢族，碩士，天津城建大學(xué)，研究方向：城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計。