绿色建筑理念参数化设计

分类：建筑工程论文发表 时间：2019-10-30 10:09 关注：(1)

　　参数化设计是未来设计的趋势之一，而绿色建筑也是当今建筑界的热门课题。参数化在绿色建筑设计中的介入，正成为更多海内外设计师、学者的关注重点。此次教学改革把参数化设计和绿色建筑设计有机结合起来，既能拓展学生的设计思维，培养学生自主创新和自主钻研的能力，也可以帮助学生了解到不同学科间知识的融合和应用，为培养创新型和复合型人才打下基础。

　　关键词：参数化设计;绿色建筑设计;教学改革

　　一、参数化设计课程的背景与发展现状

　　参数化设计是本校建筑学专业一门重要的选修课程，在第四学年上学期对建筑学学生开放，学生选课率常年维持在100%左右。本课程之前的主要任务是使学生掌握有关参数化设计相关软件基本命令和使用方法，但是综合教学成果和学生的反馈，课程过于注重理论并缺乏实践操作，学生要把较为晦涩的理论知识应用在设计课程中是比较困难的。从2018年起，在河南工业大学高等教育教学改革研究项目的契机下，针对以上问题，笔者对参数化设计课程进行了与绿色建筑设计相结合的教学探索。近年来，随着参数化技术的逐渐成熟，越来越多的国内外学者和设计师把目光聚焦于参数化在绿色建筑设计的应用。如：以寒冷地区办公综合体为例，依托Ladybug+Honeybee来探索适用于国内的参数化节能设计方法[1];用参数化设计方法来改善室内外风环境、室内光环境的建筑设计策略[2];基于参数化设计和多目标寻优算法，以城市室外热环境优化为出发点，研究城市住区的绿色优化设计[3];建立多目标优化的简化设计模型，将性能计算速度大大提升，缩短方案阶段的建筑能耗模拟优化[4]。这都为参数化和绿色建筑设计相融合的教学探索提供了有效的思路启示。

　　二、参数化教学改革意义

　　《中国建筑能耗研究报告(2017年)》指出，2015年全国五分之一的能源消费是来自建筑能耗，虽然全国建筑能耗总量仅次于全球排名第一的美国，但人均用能低于世界平均水平[5]。而随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，我国建筑能耗还将持续增加，节能减排形式严峻、任务艰巨。初期以鼓励具体技术做法为导向的措施并不能解决不同使用模式和运行调节方式下的高能耗，为了解决这一难题，绿色建筑设计逐渐完成了从“措施控制”到“效果导向”的转变。同时过去传统的大多数绿色建筑设计存在“重后期技术叠加、轻前期空间优化”的问题，“模拟”环节只出现在方案后期的评估，并没有介入设计前期，从而失去了指导方案设计的根本意义[6]。而有效的绿色建筑设计过程本应该是一个信息和结果不断反馈、循环的过程[7]。参数化设计，英文为ParametricDe-sign，是通过将方案初期提取的设计问题编译成一系列计算机能够识别的参数，使传统设计中的建筑形体生成过程由计算机代为处理[8]。在绿色建筑设计中，往往需要日照、风速、光照、能耗这样的参数模拟运算来求得最优值，基于数字技术的参数化设计，借助于逻辑性和高效性能够很好地弥补过去的设计缺陷，可以应用于以目标和效果为导向的绿色建筑设计中，并极大地提高工作效率[9]。两者的结合作为围绕建筑学的学科交叉内容，可以为绿色建筑设计带来新的强大动力。

　　三、参数化与绿色建筑相融合的软件支持

　　Grasshopper(下文简称GH)是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件。作为一个参数化技术集成平台，关于绿色建筑性能设计和模拟的插件已覆盖较为全面，常见的插件有LadybugTools、Diva、ArchSimEM、Geco、Galapagos、Octopus等，可以进行气候、日照、光照、能耗模拟、单目标和多目标最优解等分析[10]。GH也嵌入了Python脚本语言，可以动态和更加自由得处理数据。此外，依靠于链接BIM平台的插件，GH平台中建立的模型也可以轻松地导入BIM中，方便不同时期工程各参与方使用。这些基于GH平台的设计工具，为以目标和效果为导向的绿色设计提供了技术手段[11]，为教学改革提供了工具支持。

　　四、参数化教学改革途径

　　(一)融入绿色建筑设计的教学内容

　　学生除了要掌握参数化设计的方法和熟练操作软件外，还需额外掌握参数化设计和绿色建筑设计的结合方法，并完成从理论到实践的转变，把所学知识运用到之后的建筑学专业设计课中。具体融入绿色建筑设计的教学内容细分为以下三个方面：规划设计：其作为设计开始的第一步，即研究建筑群的尺寸、排布方式、容积率等参数变量对基地的风环境、光照、日照的影响。通过GH对不同模型的模拟与对比，得出最优体块。单体设计：研究不同体块对室内能耗的影响，优化求解最节能的平面。细节设计：研究不同窗墙比、遮阳、构造等参数变量对室内能耗、光照、日照的影响，得到最终的设计，并与能耗目标值比较。

　　(二)课堂内外相结合的软件教学策略

　　改革后的课堂采用课前预习、课堂记笔记、课下练习的教学策略，同时辅以四人小组合作的学习模式，在达到熟练操作软件的基础上，提高学生的自主学习能力、协同能力、逻辑思维能力和知识转化能力。课前预习：由于Grasshopper软件没有汉字版本，所以要求学生提前熟悉相关英文词汇，以免影响课堂进度。此外建立共享文档，把课前需要阅读的资料和课堂上的讲义提前上传，供学生课前自行下载学习，提高课堂学习效率。课堂记笔记：参数化设计课程中Grasshopper软件涉及的运算处理器有数百个，而软件教学往往存在着“课上讲课下忘”的特点。好记性不如烂笔头，要求学生们记录软件教学过程中的重点和难点，做到温故而知新。课下练习：每节课布置一个高质量的小练习，练习内容包含本节课的拔高和下节课的预习，课下练习计入考核并占总分的30%。通过这些练习，学生完成增量学习的转化，加强对知识点的领悟，加深记忆力。利用课下碎片时间，建立参数化设计微信群和QQ群，用来和学生共同探讨问题和解惑答疑。

　　(三)引入工作坊形式的教学特色

　　参数化的课程设置为18课时(理论)+26课时(实验)，课程改革后，提取出26个实验课时中的16个课时，采用两天工作坊的形式来授课。通过讲座、头脑风暴、小组讨论等一系列方式，学生和老师之间充分交流，最后以小组的形式汇报课程成果。

　　五、教学成果

　　最终的教学成果是以学生四人小组为单位，选取三年级的一个设计作业，让学生利用所学的参数化设计和绿色建筑设计方法，改造之前的设计，让设计更加绿色节能。以图1为例，该组同学选取了某博物馆的设计方案，通过对太阳辐射的分析，设计出立面的应对策略———不同形式的遮阳板和水平构件，不仅降低了建筑的能耗，也使得建筑外观具有流动性。

　　六、结语

　　融入了绿色建筑设计的参数化设计课程改革，为建筑学专业学生的考研、就业提供了有利条件，迎合了未来建筑学的发展方向。在知识目标方面，学生掌握参数化设计和绿色设计的结合方法，并使其应用到设计课甚至将来的实践中;在能力目标方面，提高了学生的协同能力、观察能力和评价能力;在情感、素养、价值观目标方面，提高了学生的语言表达能力、创新能力和美感。回顾教学，本教学改革也存在一些问题，如工作坊授课中1位老师要同时面临着50名学生，常常顾此失彼。今后将邀请校外有实际工程经验的建筑师来共同进行作业答辩，同时也邀请上一届的优秀学生作为学生助教，在工作坊中帮助学生解决软件方面的问题。

　　作者：荆璐 杜定华