文／丁粵輝 南昌大學(xué) 碩士研究生

聶志勇 南昌大學(xué) 副教授（通訊作者）

引言

在過去的人類歷史中，人類對生態(tài)的認知先后經(jīng)歷了兩個階段（無知生態(tài)和征服生態(tài)）?，F(xiàn)在正經(jīng)歷著第三階段——可持續(xù)發(fā)展生態(tài)。無知生態(tài)時期的人類對自然充滿著敬畏之心，人與自然的關(guān)系更多地表現(xiàn)為人類對自然生態(tài)消極地適應(yīng)，在建筑上因為技術(shù)落后，而表現(xiàn)為利用被動的方式來抵抗自然條件中不利的因素，建筑因此具備了地方性特色。在征服生態(tài)時代，人類經(jīng)過了工業(yè)革命，積累了大量的技術(shù)手段，人類改造自然的能力迅速增強。人類與自然的關(guān)系主要表現(xiàn)為人類相信利用技術(shù)可以對自然生態(tài)進行主動的、隨意的改造。在建筑領(lǐng)域，人們對建筑的功能需求逐漸復(fù)雜，建筑類型變得更加豐富。并且解決了照明、電力供應(yīng)、供水等問題，居住環(huán)境得到了很大的改善。特別是暖通空調(diào)設(shè)備等技術(shù)的發(fā)明，使得建筑室內(nèi)冷熱環(huán)境可以被人類自由地調(diào)控，建筑設(shè)計可以完全不考慮氣候因素，而用技術(shù)與自然界中的不利因素進行對抗。但是往后的歷史發(fā)展表明，這種用技術(shù)對抗自然的行為顯然讓人類付出了巨大的代價——環(huán)境的日益惡化使人類的生存環(huán)境受到威脅。經(jīng)歷征服生態(tài)階段后，隨之而來的就是自然環(huán)境被破壞和能源枯竭等問題，面對人類自身生存環(huán)境遭到威脅，人類不得不作出應(yīng)對。1992 年人類提出走可持續(xù)發(fā)展之路，全力維護人類賴以生存的地球環(huán)境[1]。在建筑領(lǐng)域為應(yīng)對環(huán)境惡化問題，建筑先驅(qū)們開始探尋一條建筑適應(yīng)氣候的道路，實現(xiàn)向無知生態(tài)階段的高級回歸。建筑業(yè)作為一個高能耗的行業(yè)，建筑在其全壽命周期中都向自然索取和交換著大量物質(zhì)和能量。在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，建筑業(yè)的相關(guān)從業(yè)人員應(yīng)當(dāng)擔(dān)負起相應(yīng)的時代責(zé)任。可持續(xù)發(fā)展背景下，綠色是時代話題，綠色建筑是建筑業(yè)的時代話題。綠色建筑自提出以來，國內(nèi)外已經(jīng)有了較多成熟的研究成果，隨著社會的發(fā)展，綠色建筑的內(nèi)涵也必將被不斷地豐富。

1 綠色建筑

1.1 綠色建筑的起源與定義

“生態(tài)建筑”自20 世紀60 年代提出后，生態(tài)與建筑融合的相關(guān)理論得到了建筑學(xué)界建筑先驅(qū)們的廣泛響應(yīng)[2]，他們積極地投入到新的建筑領(lǐng)域的探索當(dāng)中。十年后的能源危機造就了“節(jié)能建筑”[3]，而后逐漸發(fā)展成綠色建筑的概念。國內(nèi)對綠色建筑（Green Building）的定義為：“在全壽命期內(nèi)，節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑?！盵4]

1.2 綠色建筑設(shè)計

綠色建筑設(shè)計不僅強調(diào)在建筑設(shè)計過程中各方面的綠色決策的實施，更強調(diào)在全壽命周期中全面地貫徹綠色建筑理念以及被動適應(yīng)氣候的設(shè)計策略[5]。在計算機輔助設(shè)計技術(shù)出現(xiàn)之前，綠色建筑設(shè)計與數(shù)字技術(shù)聯(lián)系并不緊密，通常是建筑設(shè)計師依照個人經(jīng)驗和認識來針對建筑所處的氣候區(qū)域?qū)嵤┚G色建筑措施，這種設(shè)計方式往往在建筑節(jié)能方面無法進行精確的定量分析，例如楊經(jīng)文的生態(tài)建筑設(shè)計理論[6]。

2 綠色建筑發(fā)展中的制約因素

2.1 建筑生產(chǎn)成本的增加

既往的研究成果表明，相較于傳統(tǒng)建筑，綠色建筑生產(chǎn)成本的增加主要在綠色建筑施工技術(shù)使用方面[7]。將“綠色建筑”關(guān)鍵詞在中國知網(wǎng)中文文獻庫進行檢索，使用VOSviewer 軟件對檢索數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)可視化。從中文數(shù)據(jù)庫文獻聚類圖（圖1）可以看出對于綠色建筑而言，國內(nèi)學(xué)者更多偏向于對綠色建筑理論的研究，并且在綠色節(jié)能材料方面也有比較成熟的研究成果，但是對相關(guān)建筑技術(shù)的研究一直以來都存在一定的缺失。國內(nèi)綠色建筑生產(chǎn)需要獲取成熟的技術(shù)研究成果的成本因此而增加[8]。由于房地產(chǎn)開發(fā)的趨利性，開發(fā)者并不愿意看到建筑造價被提高，現(xiàn)行的法律法規(guī)也并沒有強制業(yè)主要增加前期的投入成本來換取建筑后期使用和報廢時節(jié)約成本的效益。這就使得相關(guān)單位對綠色建筑建設(shè)的積極性往往建立在相關(guān)的政府補貼政策上，當(dāng)?shù)玫秸a貼政策時，其綠色建筑建設(shè)的積極性更高。此外，綠色建筑技術(shù)的盲目堆疊使用也是綠色建筑建造成本增加的一個原因。有的綠色建筑項目為了達到綠色建筑評估標(biāo)準，在不考慮適用性的情況下將能夠采用的綠色建筑技術(shù)都應(yīng)用到建筑項目中，技術(shù)的堆疊雖然能夠提升建筑的綠色性能，但建造的成本也隨之上升。

圖1 中文數(shù)據(jù)庫文獻聚類圖（圖片來源：作者自繪）

2.2 相關(guān)技術(shù)要求高

由于綠色建筑在我國的發(fā)展歷史相對較短，因此相較于傳統(tǒng)的建筑，綠色建筑的建造過程更加復(fù)雜，在建筑設(shè)計和施工階段都對相關(guān)人員的技術(shù)水平有更高的要求。尤其在綠色建筑生產(chǎn)的過程中，設(shè)計處于領(lǐng)導(dǎo)性的地位，建筑設(shè)計師需要控制整個設(shè)計過程，綜合考慮各種因素和要求來實施綠色策略。這個過程往往會涉及多個專業(yè)領(lǐng)域，這就使得綠色建筑設(shè)計要求建筑設(shè)計師有更加廣泛的業(yè)務(wù)能力，并且花費大量的時間進行跨領(lǐng)域協(xié)作。但是在實際實踐當(dāng)中，由于全球化進程帶來的進一步分工細化，大部分建筑設(shè)計師無論是在學(xué)校接受專業(yè)教育或是在從事建筑設(shè)計的過程中都很少會與其他領(lǐng)域產(chǎn)生交集。導(dǎo)致在綠色建筑設(shè)計過程中，雖然對節(jié)能環(huán)保具有很強的意識，但是卻常常因為知識儲備不足而無法應(yīng)對復(fù)雜的綠色建筑設(shè)計。

3 綠色建筑數(shù)字化設(shè)計

3.1 綠色建筑數(shù)字化設(shè)計

20 世紀計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，計算機輔助設(shè)計逐漸出現(xiàn)在建筑師的視野，并在建筑行業(yè)掀起了一場技術(shù)革命。而如今計算機輔助設(shè)計與綠色建筑結(jié)合已經(jīng)成為一個熱門話題。依靠計算機輔助設(shè)計，綠色建筑設(shè)計不再過分依賴建筑設(shè)計師個人的經(jīng)驗和認識來實施綠色建筑措施，而是以數(shù)據(jù)為導(dǎo)向，可以將很多綠色措施定量化，提前預(yù)測建筑節(jié)能效果。其中數(shù)字生成設(shè)計與性能數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合是綠色建筑數(shù)字化設(shè)計的重要領(lǐng)域。此類設(shè)計方法可以輔助建筑師快速有效地對建筑設(shè)計方案進行生成和演化，并且在后期方便建筑師對建筑方案進行深化性的定量調(diào)整[9]。近些年來，數(shù)字技術(shù)節(jié)能設(shè)計研究受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，如以風(fēng)環(huán)境為導(dǎo)向的建筑節(jié)能設(shè)計研究。此類實驗以建筑通防風(fēng)設(shè)計為目標(biāo)，制定一系列建筑自生成的規(guī)則。風(fēng)環(huán)境模擬數(shù)據(jù)全部可以由實際測量得來，在計算機中驅(qū)動建筑形態(tài)的生成，得到一系列建筑設(shè)計解集。這類實驗對提高建筑被動式節(jié)能有極大的促進作用，比如建筑在夏季時可以有更多的自然通風(fēng)，冬季時有更強的保溫和防風(fēng)效果。并應(yīng)用遺傳優(yōu)化算法——在眾多的解空間中搜索相對最優(yōu)的解集，根據(jù)解空間中不同節(jié)能設(shè)計方案體現(xiàn)出來的節(jié)能性能水平，不斷地進行疊加計算，保留有利因素至下一次計算中，如此周而復(fù)始地迭代使得建筑綠色性能不斷被提高，建筑師最終可以得到一個最優(yōu)的綠色性能設(shè)計方案[10]。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用使得綠色建筑設(shè)計過程中可以通過模擬實驗來對建筑性能進行定量的分析，進而不斷地改善節(jié)能措施以及加強建筑被動式節(jié)能設(shè)計，避免增加技術(shù)成本。此外，定量的性能分析還使得綠色建筑評價結(jié)果更加直觀，建筑師可以根據(jù)業(yè)主確定的綠色建筑等級來考慮具體的決策。

3.2 綠色建筑數(shù)字化設(shè)計協(xié)作平臺

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）對設(shè)計師在操作綠色建筑設(shè)計上有很大的幫助。建筑信息模型技術(shù)集成了從建筑設(shè)計方案到建筑施工再到建筑運行管理的所有建筑信息，有利于各個專業(yè)系統(tǒng)之間在建筑設(shè)計方案和優(yōu)化過程中進行協(xié)同以及建筑信息的儲存、管理和交流，從而使建筑設(shè)計師與跨領(lǐng)域的從業(yè)人員聯(lián)系更加密切，解決建筑師花費大量精力在多個專業(yè)領(lǐng)域的問題，并且減少施工過程中因設(shè)計錯誤而發(fā)生反復(fù)協(xié)調(diào)導(dǎo)致工期延長，從而節(jié)約施工成本。BIM在建筑信息方面的完備性、協(xié)調(diào)性、互動性等特征，使其在建筑設(shè)計的實踐層面得到廣泛應(yīng)用[11]。美國Inyim 博士等人開發(fā)了以時間、成本和環(huán)境影響三個標(biāo)準為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，并利用Revit 插件工具擴展建筑構(gòu)件和材料信息，以此確定更好的建筑項目設(shè)計[12]。英國建筑學(xué)家Oti 等人試圖對建筑生命周期成本、碳排放和生態(tài)足跡三個指標(biāo)進行研究和分析，以此來完成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概念設(shè)計階段的決策過程[13]。

3.3 綠色建筑數(shù)字裝配助力全產(chǎn)業(yè)升級

產(chǎn)業(yè)化是發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)的有效手段，綠色建筑產(chǎn)業(yè)化是大力發(fā)展綠色建筑的最終結(jié)果。建筑產(chǎn)業(yè)化使得綠色建筑將屬性優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，逐漸形成綠色低碳的城市空間。數(shù)字裝配技術(shù)集合了數(shù)字設(shè)計工具和建筑生產(chǎn)機器人，使得設(shè)計和建造同時進行，在數(shù)字設(shè)計工具當(dāng)中，每一個構(gòu)建都可以進一步導(dǎo)出為機床或者是機器人可識別的生產(chǎn)加工語言。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用豐富了建筑預(yù)制裝配的內(nèi)涵，并且能夠拓寬傳統(tǒng)建筑預(yù)制裝配的范圍。傳統(tǒng)的建筑預(yù)制裝配往往是針對標(biāo)準化的構(gòu)建進行大批量生產(chǎn)，一定程度上難以滿足建筑差異性的要求，而借助數(shù)字裝配技術(shù)可以較好地解決此類矛盾。袁烽等人利用Grasshopper與Kukaprc、FURobot 進行模擬加工和測試生產(chǎn)，在虛擬的數(shù)字模型中提前設(shè)計了建筑機器人的預(yù)制生產(chǎn)流程，協(xié)助設(shè)計團隊理順方案的建造邏輯，并且利用模型來指導(dǎo)部分構(gòu)建的現(xiàn)場裝配工作[14]。

結(jié)語

數(shù)字技術(shù)推動下的綠色建筑設(shè)計，改變以往依靠建筑設(shè)計師基于經(jīng)驗認識來進行綠色建筑中的各項設(shè)計決策以及調(diào)整建筑的形態(tài)、形式和材料的設(shè)計思路。首先，數(shù)字技術(shù)使得綠色建筑可以從精準量化的角度出發(fā)，實施準確的、有效的綠色建筑決策；其次，數(shù)字技術(shù)可以為綠色建筑設(shè)計提供管理、交流的多領(lǐng)域協(xié)作平臺，加強建筑設(shè)計與其他各領(lǐng)域的交流合作，優(yōu)化設(shè)計流程；最后，數(shù)字技術(shù)的數(shù)據(jù)流使綠色建筑的數(shù)字裝配成為可能，進一步促進綠色建筑產(chǎn)業(yè)化升級，全面提升綠色建筑的應(yīng)用價值。