基于BIM参数化方法的仿生动态建筑表皮的气候适应性研究

There has been long a pursuit in studies and practices of green buildings to make buildings respond to climate.The recent development of intelligent buildings and envelope technologies has promised opportunities that building envelopes are able to be more smart, kinetic and sustainable. This research project integrates biological acclimitization features into sustainable design of building envelopes, and proposes Bio-inspired Kinetic Building Envelopes. Based on parametric methods of Building Information Modeling,the study selects natural models, draws its' bioclimatic attributes, creats parametric models of kinetic building envelopes, simulates and tests building energy and performance, thus obtaining the bioclimatic characteristics of the bio-inspired kinetic building envelopes. As a result, the project will form a BIM parametric design method, and complete a series of modules of kinetic building envelopes and a scaled integral building model. Also, the research will establish the database of biological acclimatization operties and related inspired information for sustainable building design. Standing on the multi-disciplinary of biomimicry, kinetic/interactive design, parametric design, building information modeling and etc., the results of this project can offer an innovative access to sustainable building design and other related fields.

建筑适应气候一直以来都是绿色建筑研究与实践的追求，而建筑表皮则是其中的一个重要研究对象。随着智能建筑和表皮技术的不断发展，建筑与建筑表皮已具有了整合智能、动态和可持续特征的可能性。本课题将生物气候适应性的特征，从自然模型的层面上转移到建筑可持续层面的建筑表皮设计中，形成"仿生动态建筑表皮"。课题以仿生动态建筑表皮为研究对象，基于建筑信息模型BIM参数化方法为核心，通过选择自然模型、提炼气候适应特征、生成参数化动态建筑表皮的设计和模型、模拟和实验分析能耗与室内物理环境，以期获得动态建筑表皮在典型气候条件下的适应特征。同时，本项目将形成建筑信息模型参数化设计方法、搭建动态建筑表皮的单元模组与缩尺模型、建立启发绿色建筑设计的生物气候适应原型的特征信息数据库。该研究交叉仿生设计、绿色建筑、动态/交互设计、参数化设计、建筑信息模型等领域，能为相关领域，尤其是建筑可持续设计和技术的研究提供新的思路。

该课题研究主要包括了三个部分：生物启发性的表皮设计研究、建筑信息模型平台的参数化模拟研究和动态窗体的光环境适应研究。1）其中生物启发性的表皮设计研究中，本课题将生物对外界物理环境的反应作为启发点，并延伸为生物的光适应和热适应两个类型，过渡到建筑表皮的气候设计方法；2）其中动态建筑表皮的模拟研究部分，本课题主要采用EnergyPlus中EMS的方式建立模型，分析涉及：墙体R-value、窗体U-factor、窗体SHGC、窗体透明度等；对于建筑整体层面的研究，首先是利用BIM的Autodesk Revit平台建立动态建筑立面建筑模型，进而通过Revit API关联外部的EnergyPlus引擎，导入外部气候文件，最终获得能耗表现数据。能耗的表现结果与ASHRAE的标准模型进行了比对。第一档次为ASHRAE2010提出的实现30%节能的建筑表皮参数模型，第二档次为PassiveHouse标准下的零能耗建筑表皮参数模型。其中，第二档次的建筑表皮参数模型被公认为当前最高性能的建筑表皮参数标准。进一步，在不同气候条件下，将各个单要素的特征整合，验证动态模型与静态比对模型之间的能耗区别，用以评估不同气候条件下动态立面性能的横向对比。3）此外，本课题搭建了足尺模型并安装了动态窗体，开展了动态窗体的光适应与舒适度影响的主观评估研究。研究过程包含60个随机个体的两组平行问卷调研，一组置于常规窗体空间内，一组置于动态窗体空间内。针对二者的照度水平、眩光反应、光对比度、光舒适度等进行比对和分析。..以上的研究表明：1）系统的仿生启发式动态表皮设计架构和方法；2）能耗模拟分析显示：相比第一档次的ASHRAE2010标准，炎热气候区的建筑节能可以达到47.2%，温和地区的建筑节能比例为47.9%，夏热冬冷地区的建筑节能比例为47.7%，寒冷气候区的建筑节能比例为42.6%。相比第二档次的Passivehouse比对模型，动态建筑表皮仍然可以获得更高程度的节能表现，相对能耗节约比例在四个气候区约为14.8~20.6%。3）动态窗体的主观光舒适度水平显著高于传统窗体的对照结果。