集技术与美学一体的“气候参数化”设计惊艳获奖，800㎡学生团队作品将落地！
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和你聊聊有趣的、不为人知的
小故事
气候、空间、人
这几个关键词越来越频繁受到关注
同时“气候工程师”
也带着各种高新技术闪亮登场
那么身为建筑师
我们在传统设计与高技术的叠加下
到底应该如何更新我们的设计方法呢？
不是设计好之后拿软件模拟验证一下，
也不再是堆砌建筑技术，
而是“气候参数化设计”
真正从生态可持续的角度出发，
去设计建筑空间与环境
在刚刚过去的首届绿建大会国际可持续建筑竞赛中，北京交通大学的绿芯团队给出了他们的答卷，对建筑和环境的深入研究和设计让他们最终获得了铜奖，此次便邀请他们来介绍自己的研究成果与设计作品。
北京交通大学SD可持续设计工作室赛队
成员：陈鑫星、陈茁、金怡淳、刘骁锐、罗懿鹭、蒋子凌
指导老师：李珺杰、周艺南、万博
1
设计背景
首届国际可持续建筑竞赛由第十五届绿建大会举办，设想以预选的可再生能源、新能源、新材料，新技术为设计创作媒介，就像为绘画作品提供画材的方式，以建筑技术手法艺术地创造出符合设定气候区气候特征的绿色建筑作品。
不同于技术堆砌式设计，竞赛要求成果符合被动优先，主动辅助，成本经济可控并具有设定气候区内可推广性。
对于成果的评判主要有以下三个角度：
● 从建筑学本体角度出发，竞赛成果需要侧重考虑建筑设计本身、建筑文化的传承及规划示范园区内部微气候环境的适应性设计；
● 从美学人文的角度，涉及建筑造型、比例及整体设计的当代审美价值，社会人文的继承创新价值等；
● 从工程实践的角度，针对目前可实现的绿色建筑适用技术（含新技术、新产品和新材料）的有效综合应用；
因此如何进行建筑功能，造型审美和绿建技术的一体化设计是我们的重点和难点！
竞赛场地位于江苏省常州市绿色建筑示范区内，竞赛单体建筑的主要功能是办公和展示
建筑今后的用途为企业营销中心办公楼，单体总面积控制在800m²左右，最高不超过4层，建筑高度不超过24米。
获奖的作品将会继续深化，最终被真实建造！
因此区别于我们学生常参加的概念竞赛，更需要从多维度的角度去思考设计。
用地区位
平时就把目光聚焦在可持续建筑设计的我们自然不会错过这样一次实践的机会。
参赛队伍们需要从50个不同的地块内抽取设计场地，我们抽到的是第37号地，运气很好抽到了靠近主入口的优异位置，但是也带来了直面城市风流的挑战。
场地位置
2
气候设计策略
首先我们对场地进行气候分析，以得到相应的气候设计策略。
场地位于江苏省常州市，为典型的夏热冬冷地区，潮湿多雨。在设计的最初阶段，我们查阅了大量的当地气候条件和相关论文资料，包括：当地太阳辐射分析、最舒适的温湿度区间、当地逐月风量以及温湿度、降雨量等等。我们根据每个月的风玫瑰图，确定中庭的开口朝向为东南方向。常州当地冬夏两季温湿度差距较大，降雨量也存在季节变化，因此设计需要对冬夏两个季节分别进行建筑被动调节的措施。
常州年平均气象条件
我们比较了不同气候策略在一年中的效率，被动太阳得热在全年都是需要考虑的要素，其影响时间占到了38.6%。而面对5-9月夏季潮湿多雨的气候条件自然通风也占到了20.6%的时间比例，因此最终选择被动太阳得热和自然通风作为主要的节能策略
3
初步设计概念
在确定了策略之后，我们开始探索能与策略对应的设计概念。
每年当地都会举办“灯会”，我们发现“花灯”的结构其实与建筑有异曲同工之妙：花灯的灯罩是由绵纸或纸糊成，走马灯作为一个比较特殊的花灯形式——拥有双层灯罩，如此以来便可形成两层不同样式的纹理，灯芯受热膨胀产生热力后使得双层纹理旋转，创造出变换更加丰富的灯影效果。受此启发，我们联想到在设计中建筑中庭和表皮能否使用这种效应，作为整个建筑的热环境调节器呢?
常州花灯
我们提取了灯笼中的灯罩和灯芯要素，将其对应建立内外双层表皮体系与拔风中庭体系。结合“花灯”的概念体系，同时对应数据所得的气候策略，开始了整个建筑设计的形体生成部分。
1.首先根据任务书确定的功能，确定了四层的体量；
2.根据场地外部风环境对底层进行切割，来改善底层微气候环境；
3.插入中庭，并通过模拟确定最佳的倾角和大小；
4.交通组织，将垂直交通放于建筑北侧，集中使用空间的同时阻挡冬季北侧寒风；
5.为了消解方形体量带来的呆板，并且根据切割产生的三角切面，赋予以三角为模块的表皮系统；
6.光伏屋顶：采用太阳能薄膜等材料，推动建筑设备一体化设计。
传统灯笼编织的方法多种多样，其中最普遍也最简洁的为菱形和六边形的编织方法，从中我们提取出基本的几何单元“正三角形”，作为我们表皮的几何原型。
我们总体的设计策略是设计“绿·芯”中庭，通过参数化设计及其模拟优化得到最佳形态，并使得建筑的内外双层表皮形成冬夏两种不同的建筑使用模式，带来绿色生态可持续的建筑系统。
这张剖面很清晰的表达了拔风中庭以及双层表皮系统：
夏季风经过水池降温，结合烟囱效应调节建筑内部风环境；
双层表皮结合了遮阳，通风，产能进行一体化控制；
雨季的时候，中庭可以收集雨水，并在水池集中进行回收利用。
4
参数化生成
在深化设计中，项目利用了软件模拟来进行辅助设计。
随着计算机模拟技术的快速发展，手工计算、风洞模拟等研究手段已被各种软件模拟逐步替代，FLUENT等流体动力学软件，ENVI-met等风热环境和日射环境藕合模拟软件都以其较高的可靠性和较为全面的性能被广泛应用于绿色建筑气候模拟中。然而这些也存在一些不足，当前常用的软件模拟存在模型数据连接不便，变量组合多等问题，常常需要手工设计大量方案并分别模拟比较，花费大量时间和精力。
因此本项目尝试使用一种新的模拟优化算法，比如在参数化建模平台Grasshopper (GH)上选用Ladybug平台进行环境分析，（包含Ladybug，Honeybee, Butterfly三个组件分别连接相应的风、光、热气候计算软件，在一个平台就能做所有的模拟，是不是很厉害！），并用同一平台的插件Galapagos进行遗传算法搜索寻优。
Ladybug平台软件关系图
Butterfly软件常用计算
由此，形态生成、气候模拟和搜索寻优三个模块可以集成在同一个平台上运行，利用这个平台重点模拟中庭生成的参数化设计及其气候模拟。由于室内风环境的复杂性，前期我们只模拟了中庭内部并对目标进行简化，使得中庭的烟囱效应达到最大，即出口处产生的风速最高。
参考论文后自绘
项目设想出一种气候参数化建筑生成步骤，每一个建筑生成步骤都由一个目标值进行控制 ，即单目标优化。（考虑到竞赛的时间限制和操作难度，一开始只采用了单目标优化，而在竞赛之后的研究中，我们尝试使用多目标优化，后文会进一步介绍）
气候参数化建筑生成步骤
1.根据场地太阳辐射分析生成最佳场地布局；
尽管我们场地位于最南边，但与周边建筑距离很近，因此为了减少两侧建筑对我们采光辐射的遮挡，我们进行辐射模拟后得到可建边界。
2.结合年辐射收益量生成建筑最佳朝向；
作为可持续建筑，后期我们会考虑光伏板的铺设，因此朝向就需要通过对年辐射收益来进行确定。
3.考虑室外自然通风的形体切割设计；
常州夏季多东南风，但我们的朝向无法正对东南，因此我们对底层进行切割后，缓解风流造成的不舒适区域，且创造中庭进风的环境。
4.结合室内自然通风的中庭设计；
对参数化生成的多种中庭进行对比，确定通风效果最高的设计。
5.根据年总能耗值得表皮遮阳形态；
由于竞赛的时间限制，之后的两步是需要我们后期补充，前期只是作为一种设想，根据遮阳的具体类型和参数，帮助在夏季遮阳冬季采光，减少夏天空调冬天暖气的消耗，做到年总能耗值最低。
6.考虑太阳能产能最大化的屋面光伏板生成；
对于屋顶的太阳能板进行参数化生成，并得出年太阳能产值最高的方案。
以上的步骤都可以在Ladybug平台中实现，而因为竞赛的时间紧迫，我们具体分析了设计过程中底层形态切割和建筑中庭生成的过程。
底层切割
形态切割的单一目的是实现风速最大，因为风速最大则能最大程度的实现中庭对建筑内部空间的拔风效果，实现最好的内部环境的协调。但在实际操作的时候，我们还考虑到了过大风速对人舒适度的影响，从而在两者之间寻找一个平衡的点。
切割模型建立
GH生成-模拟-进化筛选电池逻辑图
我们得到不同切割形式对建筑底层风环境的影响，可以发现进行切割后底层风环境的湍流涡流面积减少，可以创造出更加宜人的风环境。
中庭模拟
中庭是我们设计时经常会增加的空间，除了增加上下层的视线交流，它也会带来更好的通风和采光，然而我们从来没有定量的思考过，到底中庭多大，多高，是什么形状才是最好的呢？
因此我们建立了一个参数化的中庭，生成的参数包括底部大小，位置，顶部出风口的大小，位置，和倾斜程度，对相关参数形成定义后自动生成建筑形态。
我们把研究集中在了与建筑微气候最为相关的风模拟之中。通过进行气候的模拟后，我们使用了grasshopper的一款插件Galapagos，支持基于遗传算法和退火算法的单目标优化的相关计算，筛选得出通风效益最大化的方案并继续深化。
下图是我们建立的GH模型电池图和经过遗传算法模拟后的部分形态。
遗传算法(GA, Genetic Algorithm)，也称进化算法，是借鉴生物进化过程而提出的一种启发式搜索算法。遗传算法将要解决的问题模拟成一个生物进化的过程，通过复制、交叉、突变等操作产生下一代的解，并逐步淘汰掉适应度函数值低的解，增加适应度函数值高的解。这样进化N代后就很有可能会进化出适应度函数值很高的个体。
不同的建筑中庭形成不同效果的风环境，对比后发现第四种中庭可以带来更好的拔风作用。
（由于前期Butterfly可视化调试失败，因此效果分析图使用Autodesk Flow Design 风模拟进行代替）
由不同分析得出的最佳中庭形式可以看到较好的中庭拔风效果，同时结合可开闭的表皮系统，每层的空气流动也得到较好的改善，创造出适宜人们工作的舒适环境。
从图中可以看到中庭底部的水池有两个隐藏功能：
第一，帮助降低夏季进入室内的风流温度；
第二，配备了地下中水回收处理系统，利用倾斜的中庭表面收集雨水，进行水资源的回收再利用。这不仅改善了建筑内部的整体物理环境，而且作为首层的景观核心部分，为该层的办公人员和游客创造了一个更加开阔的观赏视野。
5
方案深化
功能分解轴测图
建筑今后的用途为企业的营销中心办公楼，需要加入不同的功能空间为开放办公和私密会谈等提供场所。因此需要多种不同私密开放程度的功能空间，结合底层和顶层需要对气候进行适应性变化的需求，设置成较为开放的空间。
由此，一层就作为休憩咖啡储藏等功能，二层为开放式办公，三层为会议和阅读空间，四层为沙龙，观景空间。
首层平面图
建筑系统
在我们的可持续技术设计中，建筑主要的四个系统包括：中庭系统、立面系统、结构系统、天窗系统。
天窗系统
可开启闭合的三角形天窗，可以实现夏季通风，冬季蓄热的效果，而赋予其表面的太阳能板则可以实现能源的利用。
双层表皮系统
表皮单元几何源自我们对灯笼这个意向的抽取，从灯笼的传统编织手法以及对结构稳定性的考虑，我们最终选择了三角形原型。而在具体尺寸上，我们则是考虑了“一窗一景”的模式，每一个立面单元都是“一个人的景色”，通过每一个的景去形成我们最终里面的一个大景。
外表皮为适宜尺寸的三角形幕墙，依附的太阳能板实现能源的利用，不同透光性的表皮实现内部空间的变化，可内测开启的外表皮和内表皮实现夏季通风、冬季蓄热的使用目的。
主体结构系统
主体结构，采用在四根主要柱子上安置横梁实现稳定的空间结构。
中庭系统
最核心的中庭系统采用空间网架的结构，实现调节建筑室内微气候的作用,核心的中庭贯穿着每一个平面。
中庭的设计亮点在于，不仅在冬/夏极端气候时充分提高了人体热舒适，同时让更多游客驻足停留，办公人员也有更好的环境可以进行交谈或休憩，并增加了人们的视线联系。
6
最终成果
首层的中庭水池和建筑周边围合绿植，与室内展览休闲相结合，达到了围而不合，开放与私密相结合的效果。绿色建筑方面，水池与绿植结合双层表皮形成的开放部分，形成的通高促进了夏季的通风效果，使得被动式降温得到充分体现。
入口处的大台阶不仅可以作为户外路演的看台空间，也可以作为建筑的指向标引导参观的人群直达二层咖啡厅和休闲区域。
整体建筑设计的景观部分除了一层，还有四层的多功能屋顶花园，室内设计了退台空间作为沙龙，可以提供表演，企业发布会，展览等多种功能。为了避免阳光直射影响整个屋顶花园的环境舒适度，天花板设计为可收缩半透明遮阳膜。
气候适应性的中庭和表皮系统形成了冬夏季节不同的使用模式，应对不同的气候条件。
夏季立面：双层表皮根据每层不同需求控制开合的角度，营造个性化的室内风环境体系，屋顶的遮阳幕布打开以减少阳光的直射，两种方式的结合使得屋顶空间兼具了通风和遮阳的双重保障，同时减少了整个建筑的制冷时间，降低了室内夏季能耗。
冬季立面：双层表皮完全封闭以阻挡冬季寒风，屋顶的遮阳幕布关闭，形成舒适温暖的冬季屋顶温室，增加冬季室内温度和自然采光时间，为四层景观植物的生存提供较好的物理环境。同时利用中庭作为温度缓冲带，将屋顶温室收集的热量传递给各层，降低了室内冬季能耗。
最终图纸
7
后期深入研究
由于竞赛时期时间仓促，其实设计中对中庭的生成模拟还是过于简化，因此团队总结了一些问题并在后期进行深入的研究。
总结问题
1.模型只考虑了风速带来的风压通风，并没有加入中庭常见的热压通风 ；
设计中考虑了风压通风利用界面的风压差，来组织自然通风，形成类似穿堂风的效果带动室内空气流动，而中庭经常利用高度差和开口温度差，使得空气的密度和压力不同，从而组织通风，也就是大家经常提到的烟囱效应，即热压通风。
2.模型采用遗传算法暴力求解单目标优化，经常为了单一的目标极值而导致例如面积，功能等其他目标出现较大问题的情况。
问题1解决方法
为了综合考虑热压通风带来的影响，我们对风模拟进行了优化，建立了一个带有热传递+浮力的室内中庭，考虑了温度对风速产生的影响使用了来自OpenFoam的求解器，对热压通风进行了近似模拟。
示例文件模拟了一个带有中庭的二层建筑，穿过建筑的风是如何被烟囱效应影响的
问题2解决方法
多目标优化是一种综合对比多个目标值得出优化方案的方法，相比于遗传算法的单目标优化逻辑更加复杂，但结果的实际意义以及可选择性更强。
我们在做设计的过程中遇到的问题更多是多种互相矛盾的目标影响的结果，要让所有目标达到最佳是不可能，因此需要一定的取舍和协调，而多目标优化就是帮助我们使各个子目标都尽可能地达到最优化。其与单目标优化问题的本质区别在于 ,它的解并非唯一 ,而是存在一组众多最优解的合集。
目前学术上常采用两种模式进行多目标优化。
1.以OCTOPUS为常用软件的多目标算法，它允许一次搜索多个目标，在每个目标的极端之间产生一系列优化的权衡解决方案。最后产生的可视化结果为三维空间中的点阵，优化方案即为在极值曲面上的点。
该方法计算量小，适合计算量大且模型较多的研究，但直观性不强。
2.以DesignExplorer为例的多维参数研究工具，在GH中求解所有可能的值并通过TTtoolbox导出模型和参数，在网页上进行可视化互动研究。
该方法需要求解所有可能解，适合解较少的模型，但最终结果直观且互动性好。
最终我们选择了方法2进行研究
研究内容及过程
在这次研究中，我们的目标是尝试利用热压通风中庭模拟和多目标优化软件对中庭形态进行分析和生成。
1.从http://www.ladybug.tools/epwmap/网站下载，导入江苏当地EPW气候文件；
EPW文件能导出当地的多种气候参量，例如干湿球温度、相对湿度、风速等等
2.中庭参数模型搭建；
中庭主要由两部分组成：一部分是朝向开口方向的水平导风庭院，一部分是倾斜的垂直导风中庭，由各参数放样并进行布尔运算后，再进行开窗，得到模拟的中庭。
3.关键参数提取并分类导出；
我们提取了参数化模型中的四个参数：天窗大小，位置，中庭大小，位置。
4.建立Butterfly 热力学模型；
分别对不同界面定义温度和各种参数，把建筑体量模型转化计算软件可识别的热力模型，对东南西北立面，内部墙体，屋顶，地板等界面都有进行模拟的规定温度。
对建筑的不同界面进行温度和材料定义
5.Butterfly风模拟计算；
第一步，建立适合模型的风洞；
第二步，将模型加载为气候软件可识别的网格；
第三步，运行风环境的模拟；
第四步，对结果进行可视化输出。
6.输出测量参数并分类导出；
为了对中庭的拔风效果，拔风强度和建筑的使用面积进行优化，我们选用了最大风速，5M/s风速以上百分百和建筑总面积作为最后的输出。
7.GH文件总览；
8.将所有模型及参数导入DesignExplorer；
模拟过程通过四个参量（天窗大小5种，位置5种，中庭大小3种，位置3种），共生成5*5*3*3=225个模型，输出端三个变量的分布如下图，软件可以通过选取一个变量的范围，得到此模型的其他参数。
当我们选取3个输出参量中的风速，取其最大值时，可以得到对应模型的信息，发现此时它的天窗最小，中庭底部最大，最为垂直的中庭。
引入热压通风模拟后的中庭，后期更加垂直的方案反而优于前期选择的倾斜的方案。
前期方案中庭模拟，颜色代表风的速度，越红表示烟囱效应造成的风速越高
当我们选取3个输出参量中的面积，取其最大值时，可以得到对应模型的信息，发现此时它都为底部和天窗尺寸最小的中庭。
通过多目标优化的生成，我们筛选出了综合性能较好的中庭，最高风速为7.4，且面积处于第一梯队，且大于5m/s的区域占比最高，风速增加较快。
多目标优化过后可以发现前期虽然通过单目标优化做到了最大风速最高，但不可避免的造成了面积的浪费，且整体高风速环境占比较少。
通过DesignExplorer软件互动，设计者可以选择更加多样可能性的方案，且可以随时调整观察。
8
尾声
我们的方案获得了组委会和评委老师的一致认可，获得铜奖后有幸受邀参加了绿建大会的展览，并与其他获奖方案团队进行了深入的交流。评委老师对我们根据气候模拟参数化生成建筑的手法表示认同。
当然这个方案依旧停留在概念层面，在接下来的深化过程中我们会根据实际情况做相应修改，争取做到概念可行，项目落地的阶段，请大家拭目以待啦！
第一次参加以绿色建筑为核心方向的竞赛，感受到了建筑跟环境之间存在的互动。设计成果不再只是几张花花绿绿的分析图，也不再是堆砌一些新潮的技术手段和高科技手法，而是踏踏实实地深入研究一个可行的问题。即使是这样一个小问题，也存在着相当多的简化和假设，难以想象实际上将会遇到怎样的复杂情况。
通过这次的设计，我们学会了需要对建筑的每一步生成方式有更加理性的诉求，也对建筑这样一个复杂又矛盾的系统产生了敬畏。仅仅研究中庭风模拟这样一个较容易被量化的问题，就会遇到如此多需要考虑的情况，那么当我们综合考虑所有的气候，处在建筑之中的人，甚至行为和社会意义，那么它将是多么不可预测的复杂系统。我们的研究还没有结束，当它需要实际建造之时，我们该怎样深入设计，实际的情况和我们设计时的判断将会产生多少的误差，一切都还需要走下去。
小组人员
陈鑫星、陈茁、金怡淳、
刘骁锐、罗懿鹭、蒋子凌
模拟及参数化生成
陈鑫星
指导老师
李珺杰、周艺南、万博
项目组
北京交通大学SD可持续设计工作室
文字：陈鑫星
配图：陈鑫星
编辑：王祥
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END FINALLY