太阳能建筑的信息模型建构

韦 亮 马丽慧

(华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

太阳能建筑通过建筑与太阳能主动式与被动式利用的一体化设计，开源与节流并举，减少碳排放的同时又提供给人舒适的环境。信息模型建构是对传统设计思维定式的革命，用建筑数据建模就能代表实体建筑的搭建，不消耗能源、不浪费材料但能反应真实结果。

1 太阳能建筑设计采用信息模型建构的缘由

1.1 虚实结合的必由之路

在太阳能建筑方案构思和施工图设计阶段，信息模型的建构能发挥传统设计无法比拟的优势——模型不是以往简单的纯视觉形象，模型所承载的信息尽可能接近真实的物质条件，搭建的过程符合建造逻辑，模型成果可以用来模拟实际建筑的运行能耗。“虚”代替“实”，在方案充分收集数据的基础上，破土动工之前就把建筑整个生命周期预先推演一遍，不用大费周章，代码运算反映了实际的物质和能量运动，所见即所得[1]。

1.2 参数化设计的大势所趋

对于每一项太阳能建筑设计都有多种主动式与被动式的技术可供建筑师选择，设计决策不能光靠个人经验，而是要有符合逻辑的根据。

太阳能建筑设计具有专业综合性的特点，比较一般的设计过程，强调建筑、设备、给排水和结构设计一体化，牵一发而动全身[2]。建筑设计的过程本质上就是一个决策的过程，信息模型建构软件Revit具有参数化设计互动的功能，简化了冗余的操作。Revit软件以建筑设计为主线，结构、给排水、设备等专业集成在一个平台上，让分散在各个专业不确定的影响因素以参数的模式成为程序的选项，让决策过程一目了然。

2 太阳能建筑模型建构的程序

2.1 信息模型建构的软件

Revit作为建筑与场地的一体化设计的纽带，并不能完成全部建构工作，还需要软件Ecotect(又称：生态建筑大师)辅助。Ecotect软件嵌入的Weather tool插件有分析气象条件的功能，建筑师通过其直观可视化的分析，可以得到准确的结论性图表，为太阳能建筑设计过程中采用合理的主动式和被动式利用技术提供参照。

2.2 日照计算

以日照间距系数为基础的传统计算方式已经不能满足太阳能建筑日照计算的要求，常用的SketchUp软件在分析日照时间及阴影轮廓时只考虑了建筑所处的经纬度，忽略了其他重要的影响因素。Weather tool的分析功能有了质的飞跃——提供了场地太阳能辐射分析，综合365 d中过热期以及欠热期的太阳能辐射热量，得出建筑形体的最佳朝向。

Weather tool进一步对方案各个立面上受到太阳能辐射强度进行分析比较，分析的结果对建筑单体和复杂建筑群设计布局有重要的指导意义。

2.3 气象条件的提炼

除了采集太阳能利用相关的日照条件、辐射量数据，太阳能建筑设计还要对项目所处位置的气象条件进行提炼，内容包括场地温湿度、风玫瑰图和降水量。建筑师利用Weather tool对气象数据进行各种针对性的可视化分析，再根据分析结果对太阳能建筑各种主、被动式技术进行针对性的取舍和优化。

利用Weather tool的链接搜索到基地的气象数据，点击焓湿图分析就可以人机互动。焓湿图上的坐标值对应基地的温度和湿度状态：X坐标对应的是气温，Y坐标对应的是绝对湿度。特别值得设计者关注的是代表人体热舒适的黄色多边形区域，调整设计参数使这一区域覆盖范围最大化[3]。

2.4 微型地理环境的建构

太阳能建筑设计如何针对具体的外部环境，营造出舒适的内部环境，强调由外而内的设计过程，重点是建构外部的场地信息化模型。太阳能建筑所处的场地环境对设计的影响尤为突出，建筑设计应该与实地调研紧密结合，强调针对场地地理位置具体问题具体分析，营造接近真实的场地，通过建构建筑模型、地形和气候使设计者“身临其境”。

2.5 太阳能利用设备通过“族”整合设计

太阳能建筑设计具有建筑技术上的特殊要求，以往的太阳能主动式利用设备都是在施工后期简单生硬的加在建筑屋顶或向阳墙面，叠加的设备既影响建筑外观，太阳能利用效率也大打折扣。

在信息模型中，太阳能主动式利用的设备，如太阳能光电板、集热板与建筑的承重、围护结构一样都是各种各样的“族”——具有各自属性的图元集合，在搭建过程中可以无缝衔接，融为一体。以光伏发电技术为例，在Revit中建构与光伏发电系统“族”结合的建筑构造“族”，恰当地安排光电板的位置，确定光伏设备最佳的倾角，进而估算光伏系统的年发电量。

2.6 太阳能技术与模型艺术的结合

以往的太阳能建筑重技术集成，轻造型艺术，外观看起来“奇奇怪怪”是其设计的短板。太阳能建筑不能满足公众审美要求的主要原因不外是形象设计对决策过程影响力小，效果反馈滞后，设计交互体验欠佳。

有了信息模型这个设计平台，即便是没受过正统美学教育的工程师也可以通过实时的虚拟现实来判断建筑的美丑，建筑不再是笼罩在迷雾中不可知的形象，而是展示在公众视野下的模型。在最终确定太阳能建筑方案前，Revit虚拟建构的模型受到科学与美学共同作用，建筑艺术与技术相得益彰。

对于非建筑专业的设计者，大多数时间只是关注建筑外立面效果如何，从外部看建筑，信息模型建构强调从室内向外看的体验，因为更多的时间人们都是在建筑物内活动，以前决策者忽略的恰恰是最应该关注的人的空间体验，因此建筑设计师建筑技术与艺术结合思想在Revit软件的协助下可以充分体现。

3 太阳能建筑信息模型建构的项目实践

3.1 北京市昌平区实验小学

基于信息模型的建构，笔者在设计的北京市昌平区实验小学项目方案时，通过Revit建构信息模型，导出gbXML格式到Ecotect软件，以参数化分析结果为指导，最终把太阳能建筑的设计理念落实为实际的工程。

设计之初，笔者先提取项目场地的日照、气象条件作为方案的设计依据。因为小学是住宅区的配套公建，周边都是高层住宅，能满足日照条件的可用基地很少，以日照分析的数据布置建筑群的总体布局。与简单的考虑冬季大寒日建筑功能房间满足2 h满窗日照不同，设计进一步综合考虑夏季炎热时间段，完善建筑减少太阳光直射的方案，增加建筑自遮阳与采光窗适应性变化的一体化设计。

太阳能建筑除了形体自身开窗要南北通透实现自然通风之外，针对小学校建筑，还要顾及校园场地的室外活动。笔者通过信息模型的建构，模拟整个校园的风场环境，最初的方案分析显示大操场冬季有很凛冽的寒风，学生冬天室外活动时体感会很冷，于是调整校园的整体布局，让各个单体建筑围合成一个背风的三合院，再次分析发现操场的近地风速大大降低，优化了使用环境。

3.2 谷雨杯全国大学生可持续建筑设计竞赛

结合笔者指导此次竞赛过程中的思考，运用信息模型建构技术贯穿设计始终，以Revit软件为主线探索太阳能建筑创作的新思路。

学生选定基地为长城风景旅游区——白羊峪村。经过实地调研，通过Revit结合Ecotect软件对场地环境信息建构，包括对白羊峪地区一年中二十四节气的日照角度和强度的数据提取，确定东南向17.5°为最佳朝向，建筑朝这个方向可以在四季最大限度地利用太阳能，方案的建筑规划朝向基本与分析结果一致。

抽取完成日照和气象条件后，通过Revit攫取顺应地势的曲线，开始对场地建模。收集的信息集中一个模型内研究，便于研究人员进行探索和分析，也使小组成员获得高效的设计互动。待场地模型确立后，把建筑不同的方案放置其中，各个专业的知识触类旁通，使得方案得到全方位的优化。参赛方案最终通过在Revit建构的模型推敲，结合场地分析，确定建筑形态呈环抱状架于湖面之上。

4 结语

信息模型建构不仅拥有了三维可视化的工具，更重要的是通过工具的提升，突破了太阳能建筑设计建筑技术与艺术之间的壁垒，设计者能使用参数化的思考方式来完成建筑方案。依靠先进的信息模型建构技术支撑，建筑师可以创造出更加科学的太阳能建筑。