1建築整合設計理念
“整體思維”是壹種科學的思維方式，具有主體性、整體性和多元性的特征。它強調系統與外部環境以及系統內部各要素之間雙向互動的整合效應，具有明顯的現代思維特征。“集成設計”(集成設計sim？範？Delane在20世紀80年代提出)就是用整合思維模式來指導設計工作[5]。從整體設計的思想出發，根據建築與外部環境相互作用的不同性質，對建築內部的子系統進行不同的劃分。例如，在由屋頂、墻體、門窗等子系統組成的建築圍護結構體系中，各子系統的穩定性和熱工性能反映了建築圍護結構的綜合性能；又如體現建築視覺審美要求的外觀造型系統，是由不同形狀、大小、材質、色彩的建築元素通過壹定的比例和尺度搭配關系構成的。建築壹體化設計是將建築視為壹個由若幹子系統組成的整體系統，並對各種影響因素進行分類組合(圖1)。在建築集成設計過程中，充分分析各子系統的優勢和相互影響，通過壹個動態的演化過程，協調它們的矛盾，優化它們的結構邏輯，使整個系統的性能在發揮各自優勢的同時得到優化。而且通過系統集成設計，往往可以提高整體性能指標，甚至優於各部分性能指標的簡單疊加(圖2)。
2無源集成設計原則
2.1系統原則
從宏觀戰略系統的角度來看，建築的整體宏觀績效是其內部各層次子系統微觀績效的體現。類似於“短板”原理的描述，由於個體微觀表現的明顯缺陷，宏觀表現總會大打折扣。比如冬天只要有壹個門窗隔熱性能不好，室內采暖效果就會明顯降低。因此，被動策略的設計和整合需要系統性和全面性，任何局部表現的完善都不容忽視。從單壹策略組合來看，在優化玻璃隔熱性能的過程中，單純將玻璃厚度增加到原來的兩倍，隔熱性能的提升相當小，只有不到1%；但如果把總厚度相同的玻璃分成兩部分，在玻璃之間留壹個空隙做真空玻璃，隔熱性能會成倍提高，達到“1+1 > 2”的效果[6]。所以有系統整合的策略方案往往能事半功倍。在單壹策略有效性提升空間不大的情況下，可以進行多種策略的整合設計，達到提升績效的目的。系統性原則幫助建築師建立系統觀，以系統集成的思維進行被動集成設計[7]，靈活運用各種有效的技術策略，全面系統地解決問題。
2.2開放性原則
被動策略的集成設計對建築師的綜合能力是壹個很大的考驗，因為集成設計是壹個開放的平臺系統，系統內部系統隨著設計過程解體重構，從而優化內部關系；同時，被動的新技術、新方法的不斷出現，為集成設計系統的內部關系創造了新的變量，系統通過對這些變量的梳理和整合，可以實現更新、優化和升級。例如，功能復合化的趨勢顛覆了傳統博物館以展覽為主的單壹空間功能模式，取而代之的是融合了大量服務和商業功能的靈活復雜的空間模式。這對被動設計策略的發展既是機遇也是挑戰。新的功能空間模式和不同的室內環境氣候要求必然會改變被動式策略集成設計系統的內在聯系。開放性原則要求建築師不斷吸收新的被動技術策略以及與策略相關的其他方面的設計創新。對於被動的策略整合設計，應該采取更加靈活開放的態度來對待建築的發展與變革。
2.3創新原則
整合設計的系統性和開放性原則要求建築師具備創新能力，運用創新思維綜合解決設計問題。過去，傳統的被動設計模式將過多的建築設計創意投入到建築方案設計階段。在創新原則的指導下，建築師需要參與建築設計的全過程，在選址規劃、建築設計、結構設計等各個環節綜合考慮被動設計策略的運用。同時，建築師要理清各種被動策略與功能、空間、結構設備等其他技術問題的關系，最終完成具體的建築方案。綜合各種因素形成的建築方案，需要建築師創造性的規劃設計。這種形式不再是基於形式美原則的簡單雕琢和塑造，而是由內而外對建築本質特征的具體表達。這個設計和思考的過程本身就是壹種創新。
3被動集成設計內容
從系統的角度來看，被動戰略集成設計的內容分為兩個層次。第壹，被動式設計策略系統內的集成設計直接影響建築的外部氣候調節性能、室內熱舒適性和設備能耗。其次，被動策略體系與其他建築體系設計的整合，包括功能設計、結構技術設計、造型設計，決定了建築在適用性、安全性、美觀性等各方面的整體表現。
3.1物理性能集成
被動氣候調節能力反映了建築的物理性能。在屋頂的保溫設計中，可以采用增加保溫層、安裝架空通風屋頂、蓄水屋頂或種植屋頂等單壹策略，也可以采用多種策略，在保溫層屋頂的基礎上增加架空通風屋頂的功能，或者結合蓄水和種植的做法，設置屋頂蓄水種植園，實現屋頂保溫[8]。單向策略的效果最好是什麽樣的，多策略的運用能更理想嗎？這需要對被動設計策略的物理特性進行綜合設計。在物理整合的設計中，我們需要考慮策略之間的矛盾和協同。矛盾體現的是相互制約和權衡的影響，協同體現的是戰略的相互促進和乘數效應。比如夏季可以利用遮陽和自然通風進行室內降溫。如果外遮陽形式不當，會影響窗戶的開啟或阻止自然風進入室內；再如:上面提到的蓄水與種植相結合，在保證提高屋頂保溫性能的前提下，利用蓄水池提高土壤的保水性，使屋頂種植效果更加理想。因此，被動策略的物理整合設計要求建築師充分了解各種策略的功能和用法，采用合理的建築形式，避免策略之間的矛盾，促進策略之間的協調。
3.2功能使用集成
建築內部的使用功能是由不同的系統協調的，需要空間滿足功能容量、照明、功能使用的設備和設施、舒適的溫度、濕度和潔凈的空氣。這些因素對被動戰略的采用提出了不同的要求。以壹個博物館建築的展廳為例，展示對象對空間尺度和室內環境的要求是展廳內部功能要求的基本標準。對於要求恒溫恒濕的展廳，采用自然通風和大面積自然采光策略明顯不合理，通風和光線造成的溫濕度波動違背了功能使用要求；而增加展廳墻體的蓄熱量是保持內部溫度穩定、降低空調能耗的合理策略。相反，就會展建築展廳而言，展品沒有恒溫恒濕的環境要求，可以利用自然通風和自然采光來節省空調和照明能源[9，10]。當然，使用功能並不僅限於被動策略。相反，在某些情況下，它可以促進展廳。比如自然通風和天窗的展廳使用空間大，有利於熱壓形式的自然通風，而頂部的自然采光口通過太陽輻射增加熱壓通風的效果，為散熱通風提供風道。
3.3結構技術集成
建築的被動設計策略應該通過具體的建築構件來實現，而這些的實現需要結構技術的有力支撐。在性能相同的前提下，不同的策略對結構技術的影響不同。合理的策略不僅可以簡化結構設計的難度，降低結構的荷載，還可以利用結構體系原有的物理特性提高策略的有效性。簡單來說，利用幕墻龍骨與框架材料的分離關系設置玻璃幕墻外遮陽百葉，是簡化結構形式、符合結構特點的合理方法。同樣，在沒有充分理由的情況下，如果采用加厚墻體的策略來提高蓄熱，結構體系的荷載會增加，因此最好采用帶空氣夾層的輕質墻體。此外，被動策略還可以利用結構本身的蓄熱。如鋼筋混凝土大跨度結構梁和采用剪力墻結構的交通核心都是很好的蓄熱體。這些蓄熱體在建築中的合理布置，可以大大提高整體的熱穩定性，降低內部空調的能耗[11]。
3.4造型的美學整合
被動的設計策略最終落實到具體的建築形式中。將符合被動式設計策略的氣候調節性能的各種空間、構件、材料作為美學設計元素，並考慮它們與組合的形式美關系，符合視覺審美和地域文化表達的建築外觀造型就是被動式設計策略的美學整合。比如建築外窗的遮陽設計中選擇了水平遮陽板。遮陽板的形狀可以是厚的立方體混凝土板，也可以是薄的流線型或彎曲的金屬板。建築師在設計選型時，不僅要考慮遮陽構件本身的造型是否美觀，還要考慮遮陽構件、窗戶與整個建築立面之間的尺度和比例關系是否協調。審美多元化趨勢為被動策略的造型美學整合設計提供了積極的創作環境，使建築師的創造力發揮得更加自由；基於地域氣候適應性的被動策略也可以深入挖掘建築的地域特色，促進建築文化地域特色的延續和發展。
4被動戰略集成設計模式
被動戰略的集成設計模式是壹個設計-分析-評估-設計的動態演化過程，需要綜合考慮更多的設計影響因素，分析、比較、判斷和系統集成的過程更加復雜。整合設計模式的引入需要兩個方面:壹是充分了解和辨析建築各組成部分與影響設計的諸多因素之間的關系，進行全面客觀的基礎數據(包括氣候、文化)二是搭建強大的整合設計平臺。欲善其事，必先利其器。對於不同類型和需求的設計因素的系統集成和優化，傳統的人工設計評價體系只能起到杯水車薪的作用，建立集設計、分析、評價於壹體的高效集成設計平臺意義重大。
4.1被動戰略整合設計流程
4.1.1集合準備階段這個階段是被動策略整合設計的基礎階段，是後續設計階段的準備。其工作包括以下四個方面:壹是針對設計區域氣候環境數據的收集和整理，分析並提出適用的環境應對策略，包括可利用的環境氣候資源、被動設計策略和主動設備技術[12]。第二，解讀設計任務書，對業主和使用人進行調查和訪談，了解設計項目的基本功能組合關系和使用要求，分析單個功能空間的使用特點、空間尺度和能耗標準，區分不同功能空間的使用差異，在滿足項目流程使用和研究其歷史演變和發展趨勢的基礎上，列出更多有利於建築壹體化設計整體功能組合關系的備選方案。再次，列舉設計項目中可能用到的結構選型和技術，收集整理當地可利用的施工技術資源，在權衡可行性、安全性和經濟性的基礎上，分析結構和施工技術的區域適宜性以及結構體系選擇的合理範圍。第四，收集整理同類型項目的空間造型案例，分析其設計手法和藝術處理的特點和規律；挖掘項目區建築的文化和地域特色；收集現有的當地材料，並判斷它們在戰略上的協同作用；提出了形式美學中需要表達的關鍵意圖，並結合地域特色總結了各種形態、空間、符號的設計可能性。4.1.2分析設計階段如果說收集和準備階段是被動策略集成設計的各種資源和可能性的枚舉，那麽分析設計階段就是將這些資源和可能的復雜系統進行整合，形成壹個建築設計方案，將影響建築設計的各種因素綜合表達在具體的建築形式上。這個過程是通過系統內部因素的矛盾與合作、分化與重構，建立動態平衡秩序系統的過程。對於架構師來說，這個階段的工作需要用面向主題和面向對象兩種思維方式來處理。壹、主題化是基於設計主體的主觀想法，即建築師通常憑借自己對大量資料的理解和分析、對設計理論的學習和研究以及長期的工程實踐，通過理性的思維分析，確定壹個主要的概念方案意圖，然後在此基礎上進行深化和調整，最終形成設計方案。其優點是建築師主導設計方向明確，設計深化周期短，從而快速獲得壹個成型的設計方案，提高工作效率。但缺點是設計方案的正確性完全取決於建築師的個人能力，這對建築師的綜合素質提出了極高的要求。該方法適用於規模小、功能簡單、設計復雜度低的項目。二、目標優化是優化設計方案綜合性能的壹種方式，通過對多個設計方案的對比分析，進行優化或合並，形成最終方案。通常壹個建築設計項目的所有設計問題都不會只有壹個解決方案，每個解決方案都有自己的優缺點。對多個方案進行比較，優化其中壹個方案或合理組合幾個方案的優點，可以降低設計不合理的概率，使最終的設計方案各方面表現良好。但這種方法也會帶來設計工作量的成倍增加，方案的優化會壹步步變成壹個漫長的過程，設計周期會延長，大量的人力和技術投入會降低工作的效率。因此，該方法適用於功能復雜、設計難度大、設計周期長的大型工程項目。4.1.3綜合評價階段綜合評價階段不是設計的最終階段。當設計方案的綜合評價結論不理想時，綜合評價會對該階段的設計分析工作進行反饋和調整，重新整合各種設計要素的關系後形成修改後的新方案，再回到該階段進行綜合評價，經過多次循環後形成最終的理想方案。在下文中，集成評估階段的工作分為兩類:客觀指標和主觀因素。從物理性能、功能使用和結構技術方面對被動式建築策略集成設計的評價屬於客觀指標評價類型，其中物理性能集成的評價取決於被動式設計的有效性，最終體現在各種計算機模擬數據和氣候適應調整的能耗數據中。功能使用和結構技術壹體化設計的評價主要體現在建築指標和結構造價的合理性上。僅僅為了滿足被動的設計策略而造成使用上的劣勢和施工難度的提高是不合理的，也不符合壹體化設計的基本原則。對造型美學的評價是主觀因素，包括形式美的基本原則，文化地域性的形式表達，以及建築師、業主、使用者和城市居民的審美取向。對於這部分評估工作，通常采用公示和公眾投票的評估方式，應更多地考慮專業人士和業主的意見。具體操作方法視項目實際情況而定。
4.2被動戰略集成設計的數字平臺
被動策略集成設計數字化設計平臺是基於被動策略集成設計的理論和設計工作流程框架，通過界面軟件的編程，集成建築信息建模軟件、參數化編程軟件和建築環境性能模擬軟件的設計輔助工具。它采用參數化編程，在建築三維模型上實現建築功能結構的參數要求和組合邏輯，通過接口程序使建築調節環境的物理性能和建築三維模型在數據上鏈接，依靠計算機高效處理大量數據的能力，實現建築環境性能模擬、建築信息建模和建築形態建模三個過程之間的數值關聯和交互設計(圖3)。被動策略集成設計的數字化設計平臺分為三部分:建築性能仿真平臺、建築信息建模平臺和參數化編程平臺。建築性能模擬平臺包括:氣候環境模擬分析軟件:AutodeskEcotectAnalysis、流體模擬分析軟件:Phoenics、Fluent和熱能消耗模擬分析軟件:EnergyPlus等。建築信息建模平臺有:Rhinceros、Sketchup、3dmax；參數化編程軟件包括Grasshopper和Rhinscript；同時還需要壹個接口編程軟件:Geco，用於環境仿真中的數據交互，使數據與各個設計平臺高效鏈接。GECO可以將性能仿真平臺AutodeskEcotectAnalysis的數據信息導入參數化編程軟件Grasshopper。被動式策略集成設計數字化設計平臺集成了熱環境、風環境和光環境的模擬分析功能，使建築的空間舒適度指標得到更系統的分析和收集。通過直觀、形象的交互界面，揭示了建築各因素對能耗構成的影響以及建築與環境動態作用的客觀規律，使整合設計的內容落實到客觀的科學數據中，對被動式策略的整合設計具有重要的理論意義和應用價值。采用數字化設計平臺的被動策略集成設計模式(圖4)。
基於被動策略的建築集成設計模式是信息社會條件下綠色建築設計理論與實踐的有益探索。首先，壹體化設計模式提高了被動設計策略的有效性，充分發揮了多種策略的整體綜合性能，對建築氣候適應性和節能減排具有積極的現實意義；其次，壹體化設計模式體現了被動式策略與建築的功能技術、文化藝術的高度壹致性，對綠色建築設計的發展具有深遠的理論意義；最後，集成設計數字化平臺的構建大大提高了被動設計的效率，對建築設計方法的改進和升級具有現實意義。
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