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關鍵詞:性能化建筑設計;bim技術;
中圖分類號:TU2文獻標識碼: A 文章編號:
一、建筑信息模型(BIM)
BIM已包含了所有的幾何模型信息、功能要求和構件性能,把一個項目的生命周期內的信息整合到一個建筑模型中。運用 BIM 技術,建筑師在設計過程中創建的虛擬建筑模型已經包含了大量設計信息,只要將模型導入相關的能量分析軟件,就可以得到相應的能量分析結果。通過相應的 BIM 應用軟件,在方案設計的初期階段就能夠方便快捷地得到直觀、準確的建筑能量性能反饋信息,幫助建筑師及時對方案做出分析和調整。
比如與 Ecotect 生態建筑大師設計軟件相結合,將BIM 模型輸入即可得出較為直觀的數字化的可視分析圖。可提供許多即時性分析,比如對模型的太陽輻射、熱、光學、聲學甚至建筑投資等綜合的技術分析;與CFD 類軟件結合,則可迅速分析建筑內的自然通風及對周邊氣流造成的影響;與Virtual Environ-ment(VE)軟件結合,可以在建筑前期對建筑的光照,太陽能及溫度效應進行模擬。
二、基于 BIM 技術的性能化建筑設計
被動設計是指應用自然界的陽光、風力、溫濕度的自然原理,以規劃、設計、環境配置的建筑手法來改善和創造舒適的室內外環境,盡量不消耗常規能源的設計方式。目的是盡量減少或者不使用常規能源供熱、制冷及照明,并創造高質量的室內外環境,設計策略強調的是依據當地的氣候特征進行設計,遵循建筑環境控制技術的原則,考慮建筑功能和形式的要求等。本文試圖從以下幾個方面討論 BIM 在性能化建筑設計中的應用。
(一)氣候特征分析
BIM技術可以將繁雜的氣象數據信息以圖表的可視化方式表達出來,以幫助建筑師直觀地認識建筑基地所處地區的氣象資料。
比如繪制出逐日的氣象參數數據;確定建筑最佳朝向;利用焓濕圖,分析各種被動策略的組合效果,可以調節設計參數,觀察圖形變化,找到適宜的被動策略。如圖 1 為采用被動太陽能采暖、蓄熱效應、高熱容圍護 + 夜間通風、自然通風、直接蒸發降溫和間接蒸發降溫多種被動策略措施的焓濕圖。通過這種可視化的界面,建筑師就可以定性地分析出適應本地氣候特征的最佳被動設計措施及其效果。
圖 1 多種被動措施的焓濕圖
(二)日照采光分析
在建筑設計階段處理好建筑日照與采光是實現建筑節能的根本環節和重要措施。基地地形起伏、建筑的布局形式都會對日照和采光產生較大的影響。所以對于基地進行合理模擬分析,尤其要對場地的日照遮擋情況進行準確分析。建筑師可以根據基地狀況運用Virtual Environment軟件進行初期的日照時數、陰影遮擋等模擬分析,根據模擬結果合理地進行建筑總平面布局、洞口設計,從而保證建筑能在冬季最大限度地接受太陽能輻射,夏季減少太陽輻射的影響。圖 2、3 所示為 Suncast 軟件和 Radiance 軟件對本溪黃柏峪生態小學所做的日照陰影分析和遮擋分析
圖 2 日陰影分析
圖 3 日照遮擋分析
(三)風環境分析
合理的自然通風不但可以使節能效果顯著,而且可以改善室內的居住空氣質量。建筑風環境模擬的目的就是希望對建筑物的空氣流動情況進行模擬和比較,來優化建筑的空間環境,減少建筑的能耗,充分利用自然資源。利用 BIM 技術創建的虛擬建筑模型,可以通過 IFC 數據標準將其導入 CFD 軟件中。通過BIM 與 CFD 技術的結合運用,建筑師可以方便、快捷地對建筑內、外環境的氣流流場進行模擬分析,對建筑的風環境做出分析和評價。從而進行建筑的優化設計。
圖 4 為某小區模擬室外的風場。通過可視化的結果可以看出小區內整體的風速和風向,合理調整規劃布局、建筑高低錯落布置等方法滿足小區內適宜的風環境。
圖 4 某小區風場
(四)遮陽分析
遮陽設計是在夏季炎熱地區防熱的主要手法。尤其在太陽能建筑設計中,根據氣候條件綜合考慮利用太陽能的同時,合理的遮陽設計可以大大降低空調的能耗。圖 5、6 為南加州建筑學院、SOM和蓋里在印度所做的一個研究性項目。用 Ecotect 軟件對建筑西立面和南立面的年太陽輻射做出統計,并根據上一步計算,在立面的不同區域結合輻射值大小考慮了遮陽設施的疏密布置,在高輻射地方遮陽設置較密,低輻射地方遮陽設施較稀疏。
圖 5 建筑效果圖
圖 6 遮陽布置
(五)場地分析
BIM可以使建筑師在設計前期時注重場地的生態環境。比如建筑師可以利用 BIM 將綠化、水體整合到一個建筑的形式和功能中去,使設計之初就能考慮到建筑對場地的生態影響。圖 7 通過對場地進行熱輻射分析。了解場地的熱輻射情況,對場地景觀設計提供量化的數據依據,在輻射較大的地區,通過配置不同的綠化植被,起到隔熱、遮陽等作用。圖 8 為某小區的場地熱輻射分析。在小區輻射量比較大的區域內設置水體、常綠喬木、涼亭、廊架等休閑設施以利于隔熱或者避開主要活動的小區廣場區域,即滿足了人的使用需求,也改善了小區的微氣候環境。
圖 7 日總曝輻射量
圖 8 某小區內日均輻射總量
三、結束語
大自然的風、光、熱、水等環境因素,是影響建筑性能的決定性因素,在設計階段,引入BIM技術,能在設計過程中提供直觀的性能化分析數據,完善建筑設計,改善建筑的綜合性能。目前,BIM 技術已經深刻影響著建筑設計行業,其不但可以極大提高建筑設計行業的整體效率,而且還可以在建筑全生命周期內,優化設計、保證建筑設計質量。雖然,目前 BIM 技術在現實應用中還存在很多不足,比如:國內外建筑標準和規范的不同,與BIM技術相關的軟件較多,一體化平臺設計還有待逐步完善等。但隨著計算機技術的進步,BIM 技術在建筑設計中的應用會是未來的發展趨勢并逐步走向成熟。
作者簡介
北京豐臺橋南王莊子居住項目(澤信悅府)是全國首批按照新國標《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2014申報的綠色三星級設計標識和運行標識住宅項目,也是北京市第一個申報百年住宅評價的住宅項目。通過戶內外環境品質優良化設計、長效使用化設計、住宅產業化導向的技術集成、綠色低碳設計、風貌與意境營造等方面的闡述,探討了以適宜技術的集成運用實現住宅品質提升的設計方法。
0引言
當代住區與住宅的建設和使用,關乎廣大居住者的家庭生活品質、環境資源消耗、相關產業發展以及城市風貌的形成。因此,當代集合住宅的規劃設計應主要關注以下五方面的價值實現。
1)住區及套內環境品質應適應人們使用要求的提升。
2)住宅建筑應能夠長效化使用,并在建筑的全壽命期內具備適應住戶使用需求變化的性能。
3)住宅建筑的開發、建設及使用環節應促進和引領相關行業的產業發展。
4)住宅建筑開發、建設及使用中的綠色低碳化。
5)住宅建筑的形態應符合城市整體風貌要求,井有利于文化創新與傳承。
這些性能價值要求與我國“百年住宅”技術體系中“建筑產業化、建筑長壽化、品質優良化、綠色低碳化”的理念相符。因此,以上述五方面價值實現為目標,引導適宜技水在當代集合住宅中的集成應用,可以使住宅具備堪用、耐久、綠色的“百年”品質。本文以北京豐臺橋南王莊子居住項目(澤信悅府)為例,探討基于上述設計理念下技水集成住宅的設計方法。
1項目概況
北京豐臺橋南王莊子居住項目(澤信悅府)位于豐臺區看丹路,東距西四環主路約250m,周邊多為普通住宅區,區位地段并無特殊之處(見圖1)。用地面積3.4公頃,容積率要求1.85,形狀也較為規整,限高45m,規模體量也屬普通項目。因此,本項目的特征優勢只能來自于高品質的住宅本身。
總體布局規劃有7棟住宅樓,1500m2的配套商業用房。6棟10~11層住宅樓為普通商品房,環繞著中心綠地,呈南北兩行格局排布;15層的公租房住宅樓及居住公共服務設施布置在地塊北側;2層高、約1500m2配套商業用房臨北側、東側城市道路,便于商業經營活動展開。整個小區建筑群體整齊有序,自然采光和通風良好,交通便捷,環境舒適(見圖2,3)。
商品住宅樓均為板式住宅樓,一梯兩戶,套型南北通透,通風性、采光性俱佳;建筑層高為2.95和3.05m,有效提高了住宅樓的品質;建筑形體方正規整,有利于建筑節能。
結合項目規劃布局,景觀設計以“十字形軸線”的景觀構架構成,用十字形景觀軸串聯起四組主要的院落空間,每組院落各具特色的種植主題,造就了相似空間中形態各異的園林景觀。
本項目采用土建裝修一體化設計以及工業化內裝技術,同時集成了多項成熟技術,通過適用的新技術、新部品、新工藝提高了住宅的健康要素。
本項目是全國首批按照新國標《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2014申報的綠色三星級設計標識和運行標識住宅項目,也是北京市第一個申報百年住宅評價的住宅項目。
2設計特點—追求“百年品質”的技術集成
這里的所謂“百年”,是指住宅的品質優良,能夠提供健康舒適的環境;值得并且滿足居住者在住宅結構改良后往往可達百年壽命期的長效化使用。在追求“百年品質”實現的設計過程中,以住宅的全壽命周期適用為目標,在規劃、設計環節集中考慮建造、使用、維護和拆除再利用全過程。通過提高結構的跨度和耐久性,賦予空間可變性和設備的可維護性;實現居住功能舒適、建筑節能、材料可循環、環境健康潔凈,建造集成和配套完善,力圖奉獻一座可持續使用百年以上的優質住宅。
2.1以戶內外環境品質優良化為導向的技術集成
戶內外環境包括住區環境、住宅單體及套內環境,其品質直接影響著人們的起居使用,是住宅承載、塑造生活效用的本質體現。在從住區到戶內的各層次環境中,可從生理一心理關懷、聲光熱等物理性能優化,以及通用適老等方面進行品質優化提升。
2.1.1住區環境品質提升
本項目設計采用南北向的行列式線性布局,6棟住宅樓(普通商品房)行列間因日照間距的要求錯動排布,自然形成三組相互關聯、層)欠豐富的院落空間,活躍了小區的空間形態。小區核心空間東西通透,無視線遮擋,環繞核心空間的中心綠地布置商品房,打造優良品質房型。5號公租房住宅樓及居住公共服務設施沿街布置,交通便利,同時與商品樓完全脫開設置,避免與商品房之間的相互干擾,室外環境人性化(見圖4)。
本項目地下汽車庫集中設置,這樣有利于增加實土綠化面積,最大化創造小區內的景觀資源。同時根據老年人的生理特點,在室外環境設計中體現“全健康”的理念,為老年人設置了無障礙步道、無障礙設施等,便于老年人活動,有益于老年人身心健康。
在交通流線設計方面,人車分流,停車場均設于地下,為小區營造安全的室外活動場所。
2.1.2單體適用性能設計
1)單元平面設計特點
本項目商品房為南北通透全板式布局,建筑結構布置規整,套型采用標準化設計,開間進深都模數化,保證所有單元開間享有同等充足的日照、采光及開闊的視野。本項目還對所有套型的廚衛空間進行模塊化設計,管道、設備設施等各占其位,實現對空間的合理利用。
2)套內功能設計特點
住宅套內電梯相對獨立、貫通人戶,在便捷、安全的基礎上更提升居住品位;朝北廚房緊鄰人口處,L形操作臺實用方便;服務陽臺區集中設置的儲藏空間和洗衣空間增加了使用功能便捷性和有效性;衛生間的位置相對隱蔽且使用方便,盡量做到洗浴分開;空調室外機的位置結合立面整體設計,遠離臥室等安靜區域。同時戶內空間設計充分考慮了老年人的活動特點,從功能布局到空間尺度的詳細設計充分滿足了老年人的生理和心理需求(見圖5)。
3)室內聲環境優化
本項目設計建筑平面、空間布局合理,沒有明顯的噪聲干擾問題。項目降噪系統設計由景觀降噪、外圍護系統幕墻系統降噪、雙層中空Low-E鍍膜玻璃外窗系統降嗓、衛生間同層排水降噪、設備間降噪、電梯井降噪、水管管材降噪等部分組成,實現室內外環境的清新和靜謐。
4)室內光環境優化
在滿足節能要求下,住宅開窗盡量寬大,實現良好的套內采光設計。各居室的采光系數、采光窗洞口的窗地面積比均優于設計標準值。同時在緊張的地面環境中,協調布置地下汽車庫斗形采光天窗,使其既可作為地面景觀小品,又可為地下車庫補充自然采光,增加視覺舒適度,提升品質(見圖6)。
本項目設計所有商品房住宅樓南向外門窗都設置了展開后可以全部遮蔽窗戶的手動遮陽卷簾,減少陽光照射和輻射,提高了居住品質,更有利于建筑節能(見圖7)。
5)室內設備設施
商品房戶內衛生間設計為非降板式同層排水技術,排水管線置于管道間內,衛生間排水管不穿越本層樓板,并可在本層維修。
戶內空調采暖新風系統,采用地板采曖+新風+VRV系統,采用地板送風,過濾PM2,5達到95%以上。該系統熱舒適度高,室內空氣品質好,控制靈活,節省能源,同時還節約了室內的使用空間(見圖8)。
戶內設置了軟化水處理設備,保證高品質水質及延長用水設備壽命。
2.2以長效使用為導向的技術集成
住宅中,結構構件的壽命周期往往長于設備設施的使用年限,而住戶生活樣態的改變又需要空間布局可變。妥善處理這幾者間的矛盾,使得空間布局可變、設備設施可更換維修,以便匹配結構體的使用周期,即成為可長效化使用的住宅。
2.2.1主體耐久性設計
為保證其長壽命建筑的要求,本工程按100年設計使用年限進行設計,全面提高結構安全性與耐久性。目前國內尚沒有百年住宅相關標準,結構設計叉寸此進行了探索和創新(見圖9)。
2.2.2外圍護系統設計
建筑外立面為整體掛裝式陶板幕墻體系,加厚了外保溫層,可提高保溫隔熱性能;因為整體呼吸式幕墻設計可以充分隔聲減噪;陶板由天然陶土配石英砂擠壓成型,質感良好美觀,并且便于維修更換(見圖10)。
2.2.3內部空間可變性設計
整個住宅套內空間除了結構外墻外,只有一道橫向剪力墻,結構樓板為大板構造,這為空間靈活可變提供了可能性;戶內隔墻為輕鋼龍骨隔墻,干法施工,方便快捷,按需組合,靈敏劃分空間,同時容易撤除,可有效節約人工,加快施工進度(見圖11)。
2.2.4填充體部分長期維護性設計
本項目以SI建造體系為基礎,可實現80%的管線與主體結構分離。與傳統設計方法不同,SI體系將支撐體部分和填充體部分相分離,從根本上杜絕了由于運行中的裝修、改造、維護等活動對建筑主體安全的影響。本)欠設計力爭減少或消除在結構體中的各種管線預埋,通過設置管道夾層、線路夾層、管線吊頂內明裝等方式將設備從結構體中解放出來(見圖12)。Sl建造體系充分實現了在建筑全生命周期各個階段的施工可視、質量可控、部品可換的目標。
2.3以住宅產業化為導向的技術運用
建筑,尤其是住宅的產業化有利于實現節能減排,推進綠色安全施工,提高住宅工程質量,改善人居環境以及促進產業化結構調整,是住宅建設發展的趨勢。推進住宅產業化的核心是要實現住宅設計標準化、部品部件生產工廠化、現場施工裝配化和土建裝修一體化。規劃設計是實現產業化的重要啟動環節。
1)集成化設計
本、欠設計從設計初期就建立各專業的統一標準,這種集成化設計在統一標準的指引下,有效保證了設計理念前后的一致性和完整性,保證了高品質的設計質量。
2)工業化內裝
室內設計采用裝配式部品、裝配化施工方式。室內精裝修采用輕鋼龍骨石膏板/水泥壓力板隔墻體系、輕鋼龍骨石膏板吊頂體系、廚房整體櫥柜、衛生間整體衛浴系統。整個施工過程干法施工,無現場污染,提高工作效率。
3)土建裝修一體化設計
土建設計與精裝修設計同步進行,對土建設計和裝修設計協調統一,實現設計的標準化與模數化,減少浪費,提高工作效率。
4)打造科學化管理的技術基礎
通過信息化手段,即BIM技術的應用,實現設計數據與部品加工、施工現場、后期物業管理的數據連接。本項目在設計中全程使用了BIM設計技術。’ 5)裝配式剪力墻體系
5號公租房住宅樓及居住公共服務設施采用裝配式剪力墻體系。裝配式剪力墻結構體系(PC)屬于住宅產業化結構體系,在王莊子項目中,5號樓按照裝配式剪力墻結構體系(PC)設計。在設計過程中對裝配式剪力墻結構體系(PC)進行了積極的探索和創新。5號樓大部分主體結構采用鋼筋混凝土預制構件拼裝。預制構件拆分如圖13所示。
2.4綠色低碳設計
本項目是全國首批按照新版綠色建筑評價標準申報的三星級設計及運行標識的住宅項目。新的評價標準和原評價標準相比,各類評價指標條款數量增加;定性評價多深化為定量評價,使原來較為寬泛的標準更加清晰化。
本項目設計中,對建筑全壽命周期內節能、節地、節水、節材、保護環境等性能進行綜合評價,將住宅規劃設計階段、開發建設階段、部品生產階段以及運行維護階段低碳節能技術加以整合,形成一整套綠色低碳集成技術措施。
在本項目的綠色低碳化設計中,強調綠色技術的適宜選用,比如:針對商品房和公租房的不同特點,分別配置了變頻VRV空調系統、分體空調系統。這兩種系統并非最新空調系統,但是這兩種空調系統技術成熟、性能高效、靈活可控、舒適健康。同時,根據北京的氣候特點,堅持配置了新風系統,空氣過濾效率> 95%0再如,雖然注重建筑產業化的技術引導,但并未配置整體式衛浴間。雖然其集成特質將衛浴空間的每部分融為一體,省事省時、結構合理、材質優良,但是因為產品設計、物流配送等費用造成的成本增加,整體衛浴室間的價格昂貴,同時新產品技術并不成熟,產品后期維修等都還存在問題。最后從實際角度出發,本項目還是選擇了技術相對成熟,價格相對合理的同層排水技術及相應的設備設施。
作為大量建造的綠色集合住宅,不應成為各種高新技術簡單堆砌的昂貴產品,而應該成為由更經濟、可靠、更具推廣意義的適宜技木集成,只有這樣綠色建筑才能健康發展。
2.5合群風貌與特色意境的營造
用地位置、規模體量、限高等規劃條件因素決定本項目不屬于地標建筑,而應采取合群的形態融人周邊環境,成為城市有機整體生長的一部分。同時,從環境藝水的整體性出發,應整合建筑形態設計、景觀設計及室內設計。
2.5.1色彩定位遵循區域建筑風貌設計導則
本項目遵循《豐臺區建筑風貌設計導則》,汲取周邊區域色彩,選取鍺紅色作為項目主要色調,輔以灰色,構成沉穩、經久的整體意象,符合該區域色彩定位。建筑立面設計強調規整、簡潔,以窗墻比例等手法構成清晰明確的立面特征,杜絕多余的純裝飾性構件。
2.5.2“新中式”特色意境整體營造
本項目為建筑、景觀、室內一體化設計,這為設計團隊創造連續的整體環境意境提供了條件。以北方宅院為原型,著力營造“傳統意味,現代形式”的“新中式”整體環境意境,以呼應北京作為“具有現代活力的古都”的城市特征。體現傳統文化意象的窗格符號經過簡潔抽象的轉化后,融人空調位裝飾板、人口門廳等處,豐富完善建筑細部設計(見圖14)。景觀設計、內裝設計也連貫采用同樣的符號,融傳統意味于現代形式的院門、景墻、廊架、特色燈具、路標小品等(見圖15~17)。
3結語
本項目并非一味地采用高精尖技術,而較多地采用了適應建設成本、技術可靠性高的適宜技術。以追求“百年品質”為理念導向,系統地集成運用多項技術,通過提高住宅的技術含量,提升了住區、住宅的品質。希望這樣的技術集成運用實踐能夠對關心住區、住宅建設的同行有所啟發。