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1.簡介
在20世紀(jì)初,機(jī)械空調(diào)技術(shù)的發(fā)展使建筑的設(shè)計(jì)能夠擺脫當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境參數(shù)的限制,因此這類建筑的營運(yùn)和初始成本與對(duì)復(fù)雜技術(shù)的要求一樣水漲船高。20世紀(jì)80年代后期,在歐洲中部開始出現(xiàn)一個(gè)不同趨勢,且愈演愈烈,那就是建筑必須將能耗降至最低,同時(shí)把室內(nèi)舒適度和空間利用度達(dá)到最大化。此外,還要降低在建筑搭建和營運(yùn)過程中所造成的材料、時(shí)間及成本的浪費(fèi)。另外,社會(huì)和文化方面的因素也愈來愈受到重視,比如建筑的外觀設(shè)計(jì)。在歐洲觀念中,建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展概念包插上述提到的所有方面。幕墻在其中扮演著至關(guān)重要的角色。
近幾年來我們了解了許多決定人類未來的必要條件。數(shù)年來,全球化和世界城市化正以前所未有的速度徹底改變我們的世界。人們對(duì)居住舒適度的不懈追求卻使環(huán)境遭受重創(chuàng)。后果顯而易見:自然資源消耗加劇,從而導(dǎo)致原材料的價(jià)格急劇上升。更嚴(yán)重的是,由資源大量消耗所導(dǎo)致的氣候變化已成為全球共同的挑戰(zhàn),如果不采取措施的話,人類后代生活的自然基礎(chǔ)將遭受毀滅。所以我們急需轉(zhuǎn)變之前的想法,促成全球性的轉(zhuǎn)變。當(dāng)下關(guān)于可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略可分為兩種派別:“充分戰(zhàn)略”和“效率戰(zhàn)略”。簡而言之,充分戰(zhàn)略直接針對(duì)的是個(gè)體的責(zé)任感,比如個(gè)體使用資源的程度,而效率則是建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃參數(shù)。
建筑能耗約占全球能耗的40%,所以公眾對(duì)節(jié)能建筑和資源保護(hù)的興趣漸增。可持續(xù)發(fā)展建筑是健康環(huán)境的基礎(chǔ)。今天,我們在建筑環(huán)境領(lǐng)域所犯下的錯(cuò)誤久而久之會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)文化造成負(fù)荷。這也是為什么全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展的意識(shí)增強(qiáng),先進(jìn)的智能型綠色建筑概念正引領(lǐng)著建筑業(yè)的風(fēng)潮。基本問題是:我們是否需要高科技或者低科技門窗幕墻以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?在我們討論這個(gè)問題之前,我們先要來分析一下可持續(xù)發(fā)展建筑的基本要求和概念。
2.可持續(xù)發(fā)展建筑的要求
首先我們來看一下可持續(xù)發(fā)展建筑的要求。可持續(xù)發(fā)展建筑的設(shè)計(jì)要考慮建筑整個(gè)生命周期所涉及用戶的相關(guān)需求,涵蓋從設(shè)計(jì)、規(guī)劃、搭建到運(yùn)營、使用、翻新再到拆除并回收、重復(fù)利用建筑組件和材料的所有階段。在歐洲對(duì)可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)注度在日益提升。讓我們首先聚焦基本資源的消耗,隨后再來考慮對(duì)水資源的保護(hù)和污染的防控。長久以來,我們只著眼于初始成本;現(xiàn)如今,在歐洲,細(xì)致優(yōu)化投資成本和隨之而來的營運(yùn)成本已成為普通標(biāo)準(zhǔn)。此外,可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)和文化因素正日趨重要,比如建筑的外觀設(shè)計(jì),但是更多體現(xiàn)在建筑的使用方法以及它們?yōu)橛脩籼峁┑目臻g利用度。
現(xiàn)在我們了解了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展建筑的因素有:
環(huán)境質(zhì)量(生命周期影響評(píng)價(jià)....)
經(jīng)濟(jì)質(zhì)量(生命周期成本,靈活性和適應(yīng)性....)
社會(huì)文化質(zhì)量(體感舒適度、用戶控制....)
實(shí)用性質(zhì)量(氣密性、水密性、隔熱、遮陽、自然通風(fēng)、日照、隔聲、安防、適用性....)
技術(shù)質(zhì)量(清潔和維護(hù)、拆除拆卸....)
加工質(zhì)量(設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、清潔和維護(hù)....)
建筑領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展概念需要包含上述所有要素。智能型綠色建筑必須根據(jù)這些要素來設(shè)計(jì)、搭建和運(yùn)營。今天的歐洲建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)把重心轉(zhuǎn)移到長期的顧客滿意度上。其結(jié)果就是質(zhì)量、功能和資金成本的要求逐漸變得更為嚴(yán)格。人類健康是周圍環(huán)境直接作用的結(jié)果。至少在辦公樓和行政樓,隨著社會(huì)大眾逐步意識(shí)到舒適的溫度、新鮮的空氣、對(duì)采光的利用和宜人的聲音環(huán)境將直接影響著績效和出勤率,這些因素將在未來備受重視。
3. 智能綠色建筑的概念
現(xiàn)如今我們知道,根據(jù)建筑的所在地不同,它會(huì)受到不同環(huán)境因素的影響,即噪音、風(fēng)、降水、冷、熱和太陽輻射。建筑的外立面至關(guān)重要,不僅僅因?yàn)樗P(guān)系著外觀,也由于它牽涉到建筑的可用性和耐久性、對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)的保護(hù)以及內(nèi)部舒適環(huán)境的創(chuàng)造。一方面,節(jié)能的建筑外立面影響著為維持室內(nèi)舒適溫度所需的供暖、采光、通風(fēng)以及制冷所使用的能源量(以此影響能源成本和污染量),另一方面也對(duì)技術(shù)建筑管理系統(tǒng)的規(guī)模甚至基本需求起到作用(以此影響投資和營運(yùn)成本、它們常常提升室內(nèi)舒適度,以此改善辦公樓和行政樓的工作環(huán)境,這也相應(yīng)增強(qiáng)了用戶的滿意度和效率。視建筑的所在地而定,建筑外立面也或多或少提供了使用可再生能源的潛力。
智能綠色建筑可基于被動(dòng)、主動(dòng)、認(rèn)知和能源正輸出概念予以搭建。在被動(dòng)建筑概念中,被動(dòng)幕墻組件將室內(nèi)和室外因素盡可能地分開。當(dāng)代的機(jī)械系統(tǒng)保障了一個(gè)舒適的室內(nèi)環(huán)境。相反,在主動(dòng)建筑概念中,動(dòng)態(tài)幕墻組件對(duì)變化的內(nèi)外部環(huán)境做出具體的反應(yīng)。根據(jù)我的個(gè)人經(jīng)驗(yàn),只有建筑的位置、高度及使用在—年中至少三分之二的時(shí)間不用考慮自然通風(fēng)、太陽能和采光的情況下,單純的被動(dòng)建筑概念才能突顯其優(yōu)勢。高層建筑中傳統(tǒng)窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）戶的自然通風(fēng)和外部遮陽系統(tǒng)的安裝受到高風(fēng)速的限制。活動(dòng)的、尤其是電動(dòng)的組件只適合那些樂意維修保養(yǎng)的建筑業(yè)主。
在認(rèn)知型建筑概念中,幕墻和帶動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能的機(jī)械系統(tǒng)組件通過一個(gè)智能化的建筑自動(dòng)化系統(tǒng)互相連接。因此,認(rèn)知型建筑能對(duì)多種可預(yù)測可計(jì)算的環(huán)境做出反應(yīng),如氣象環(huán)境中每年或每天發(fā)生的波動(dòng)(太陽高度角)或建筑營運(yùn)的次數(shù)。然而,無法預(yù)知的氣候和營運(yùn)因素一如云的異變和用戶無意識(shí)的行為一須通過合適的傳感器或在線天氣預(yù)報(bào)來監(jiān)控。對(duì)幕墻單個(gè)組件的運(yùn)行進(jìn)行分主次地協(xié)調(diào)控制會(huì)影響幕墻參數(shù),如整個(gè)能源吸收度和熱產(chǎn)量,并延伸“零能源狀態(tài)”。信息物理融合系統(tǒng)(CPS)代表著現(xiàn)存嵌入式系統(tǒng)的下一個(gè)進(jìn)化階段。在CPS系統(tǒng)內(nèi),信息組件與物理組件相互協(xié)同作用,成為全球聯(lián)網(wǎng)的一部分。與認(rèn)知技術(shù)相組合,它們會(huì)對(duì)建筑學(xué)和建筑業(yè)產(chǎn)生巨大影響。CPS使新一代認(rèn)知型建筑及建筑外立面成為可能,其特點(diǎn)就是提升能效、生產(chǎn)力和性能,從而優(yōu)化建筑能耗,改善用戶的舒適度和安防等級(jí)。
此外,有針對(duì)性地滿足項(xiàng)日對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求往往比遵守普通標(biāo)準(zhǔn)一在某些實(shí)例中是超標(biāo)準(zhǔn)一要更有效地減少建筑能耗。在理想狀態(tài)下,每個(gè)建筑區(qū)都能規(guī)定各自的舒適度限值。例如,當(dāng)建筑非常用區(qū)域能適應(yīng)清晨的較低溫度,則夜間被動(dòng)制冷的能效就能得到提升。若設(shè)計(jì)師進(jìn)一步拓寬設(shè)計(jì)的“系統(tǒng)化界限”則能進(jìn)一步優(yōu)化能效。如,相鄰建筑中間不受氣候干擾的圈占地可設(shè)計(jì)成大型的緩沖區(qū)域,作為中庭或商業(yè)中心。這些緩沖區(qū)域可配各天然系統(tǒng),保證每年的氣溫在15到30° 之間,不受外界影響。為了以最少的能耗實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),必須通過建筑中央管理系統(tǒng)控制可見光的射入、太陽能的獲取及自然通風(fēng)水準(zhǔn)。另一方面,諸如屋頂和幕墻這些區(qū)域的內(nèi)表面則相對(duì)簡單,不用額外考慮風(fēng)力載荷或暴雨的因素。有了“氣候罩”的防護(hù)也提高建筑的使用頻率。在理想情況下,用戶可分別控制幕墻內(nèi)部組件,不會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生負(fù)面影響。然而,氣候罩的噪聲控制(“ 音量衰減”和熱存儲(chǔ)行為(“ 熱緩沖”)水平也是相當(dāng)重要的。
要談?wù)撃茉凑敵龈拍?我們必須首先減少建筑的能耗。當(dāng)建筑內(nèi)部環(huán)境能在不啟用機(jī)械系統(tǒng)的情況下保持舒適且延長舒適時(shí)間,則能顯著減少能源消耗。在此,我們可運(yùn)用被動(dòng)概念、主動(dòng)概念或認(rèn)知感念。實(shí)現(xiàn)能源正輸出的最終步驟是將建筑外立面轉(zhuǎn)化為主動(dòng)的太陽能接收表面。兩種技術(shù)可供參考使用:光電和光熱。目前,相關(guān)組件已能融于建筑設(shè)計(jì)特征,極大地適應(yīng)建筑個(gè)性化要求。應(yīng)用范圍也從幕墻組件、房頂模塊拓展到遮陽設(shè)備。直接利用太陽能進(jìn)行區(qū)域供暖和熱水供給可通過現(xiàn)存的不同系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),這些系統(tǒng)按照不同的準(zhǔn)則來運(yùn)作,如空氣收集器、集水器或帶熱泵的熱吸收器。對(duì)城區(qū)內(nèi)的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行相互連接可提升系統(tǒng)性能。尤其對(duì)于辦公樓來說,在熱收集器(吸收式制冷機(jī))的幫助下實(shí)現(xiàn)制冷引起極大關(guān)注。原理很簡單:在制冷需求最大的地方,太陽也會(huì)提供最大的熱能源以供制冷。這是完美的“供求平衡”。現(xiàn)如今,整合進(jìn)建筑的太陽光伏系統(tǒng)早已逾越實(shí)驗(yàn)階段。現(xiàn)在,太陽光伏系統(tǒng)可用于安裝固定和移動(dòng)遮陽系統(tǒng)的幕墻和屋頂。同時(shí),布線和電力連接的問題也得到了有效解決,性能卓越的系統(tǒng)已上市。通過認(rèn)知技術(shù)和信息物理融合系統(tǒng)將城區(qū)內(nèi)的建筑與不同的“電力用戶及產(chǎn)商”連接在一起可在不久的將來達(dá)到供求平衡并提升太陽光伏系統(tǒng)的能效。認(rèn)知型技術(shù)和信息物理融合系統(tǒng)能幫助提升建筑的安防等級(jí)。根據(jù)我們自己的定義,防護(hù)即是對(duì)單個(gè)或多個(gè)偶然因素引起的隨機(jī)突發(fā)事故進(jìn)行防御保護(hù)。
安全則相反的是指不受有計(jì)劃的蓄意事故的侵害。防護(hù)的主要威脅來自火災(zāi)和自然災(zāi)害,后者可細(xì)分為地理學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)和氣候?qū)W方面的事故。
而安全方面,我們首要考慮的是針對(duì)犯罪行為(即盜竊、蓄意破壞、恐怖事件和間諜行為、我們認(rèn)為在新技術(shù)領(lǐng)域,防火和抵御自然災(zāi)害會(huì)占據(jù)一個(gè)次要地位,建筑外圍和周邊可啟用相應(yīng)的認(rèn)知型技術(shù)和信息物理融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一方面的防護(hù)。近幾年來,盜賊數(shù)目的增加和因防盜門窗導(dǎo)致的盜竊未遂事件的上升促使我們對(duì)優(yōu)化防盜性能的關(guān)注度提升。我們的焦點(diǎn)集中在防范措施。安裝于門（詞條“門”由行業(yè)大百科提供）窗的電磁接觸開關(guān)和玻璃碎裂傳感器可通過CPS系統(tǒng)與警報(bào)系統(tǒng)相連,在有人強(qiáng)行進(jìn)入室內(nèi)的時(shí)候發(fā)出警報(bào)。高級(jí)的信息物理融合警報(bào)系統(tǒng)甚至在竊賊還未接近建筑前就對(duì)其有所察覺。我們所說的是保護(hù)周邊環(huán)境的認(rèn)知系統(tǒng),在建筑和竊賊間建起極強(qiáng)的屏障,包栝建筑周邊的動(dòng)景照明設(shè)各、室外監(jiān)控?cái)z像頭、光信號(hào)和聲信號(hào)安防系統(tǒng)及視頻通訊系統(tǒng)。它們將提升基于CPS系統(tǒng)的住宅區(qū)的防盜效率。
4.如何設(shè)計(jì)用于未來智能型綠色建筑的門、窗和幕墻?
為特定地區(qū)的特定項(xiàng)目尋求最佳解決方案一建筑師致力于可持續(xù)發(fā)展一同時(shí)首先考慮用戶舒適度和可控度,與功能品質(zhì)(氣密性、水密性、隔熱、遮陽、自然通風(fēng)、光照、隔聲、安防、可用性)相輔相成。作為職業(yè)工程師,我們專注于使用高端技術(shù)的門窗和幕墻。
概念越復(fù)雜,交易的趨同性就顯得愈加重要。趨同性是指行業(yè)合并,模糊單個(gè)企業(yè)現(xiàn)有的定位界限。搭建整合了可調(diào)節(jié)功能組的建筑模塊可更有效地設(shè)計(jì)并執(zhí)行項(xiàng)目定制解決方案,并提升其質(zhì)量水準(zhǔn)。可協(xié)同運(yùn)作的功能模塊簡化了整合步驟。早在1999年,德國旭格國際集團(tuán)就在慕尼黑BAU 展會(huì)上推出其基于整合式設(shè)計(jì)與分散式建筑主體組件的概念幕墻。這種類的幕墻使所有幕墻組件完美相融,包栝控制和管理系統(tǒng),使建筑外立面組件和主體組件的連接和協(xié)同作用成為可能。此外,德國旭格國際集團(tuán)在2005年BA∪ 展會(huì)上推出混合類型幕墻。它的原理是實(shí)現(xiàn)幕墻不同組件的功能分離,舉例說明就是某個(gè)可移動(dòng)的不透明組件負(fù)責(zé)自然通風(fēng),另一個(gè)固定的氣密性組件負(fù)責(zé)控制光照。混合幕墻和概念幕墻的創(chuàng)新組合從一方面來說是單層和雙層幕墻的混合體,另一方面是自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的組合。
德國旭格國際集團(tuán)抱著理智的心態(tài)使用自然資源,開發(fā)生成能源的新方法。旭格在2007年和2009年的慕尼黑BA∪ 展會(huì)上分別推出E2幕墻的頭樣和2度概念,以完成“能源2一節(jié)能并產(chǎn)能”的概念轉(zhuǎn)化。它整合太陽光伏模塊、太陽能轉(zhuǎn)化器、隔熱遮陽性能及帶熱回收功能的分散式機(jī)械通風(fēng),為整層式玻璃提供持久的自動(dòng)化。其結(jié)果是保證最大能效,最大化地降低搭建成本,同時(shí)保證建筑的高品質(zhì)外觀,優(yōu)化舒適水準(zhǔn)。同時(shí),幕墻的功能單元是創(chuàng)新建筑的設(shè)計(jì)特征之一。創(chuàng)新的半透明太陽能光熱（詞條“太陽能光熱”由行業(yè)大百科提供）收集器和多樣化的太陽光伏模塊可實(shí)現(xiàn)大規(guī)格化,整層嵌入幕墻。收集器的光影效果賦予幕墻迷人的外觀,打造全新的建筑風(fēng)格。平齊地整合進(jìn)幕墻的光熱收集器有效利用太陽能為建筑實(shí)現(xiàn)制冷。收集器吸收的熱能通過吸入式制冷單元轉(zhuǎn)化為冷水,直接用于空調(diào)設(shè)備。集中的太陽能輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）一方面增加制冷能源的需求,另一方面提升太陽能制冷系統(tǒng)的性能。這極大地減少了用于空調(diào)的基本能源量。
最終,我們要根據(jù)客戶的需求綜合考慮。對(duì)投資商而言,他們主要注重遵守項(xiàng)目工期和短期經(jīng)濟(jì)影響(投資兒對(duì)業(yè)主而言,他們希望建筑的使用是長期而可持續(xù)的,建筑生命周期成本、功能品質(zhì)、靈活度和適應(yīng)性是最重要的。只有很小一部分客戶會(huì)注重環(huán)境及社交文化水準(zhǔn)。
現(xiàn)在讓我回到上面提到的基本問題:高科技和低科技解決方案,究竟哪個(gè)略勝一籌?在我看來,答案既非高科技也非低科技,智能科技概念才是最好的。它只使用必要的技術(shù),減少或完全消除不必要的能耗、材料、時(shí)間及金錢。
目的在于使用最少的資源及能源將氣候的負(fù)面影響降至最低,同時(shí)將正面影響最大化。智能科技概念遵照生態(tài)氣候設(shè)計(jì)戰(zhàn)略,利用自然通風(fēng)、太陽能和光照盡可能減少機(jī)械系統(tǒng)的使用。它專為特定的極限條件而設(shè)計(jì)。氣候代表著一個(gè)城鎮(zhèn)、國家或一大片地區(qū)的天氣現(xiàn)象總和。宏觀氣候受緯度、海平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）高度、土壤條件和海拔影響。微觀氣候由當(dāng)?shù)貤l件和周邊環(huán)境(植被、鄰里建筑、交通、建筑坐落面的角度和位置)決定。
前進(jìn)的第一步即是創(chuàng)建綜合設(shè)計(jì)方案,將環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化因素都考慮在內(nèi)。它以一個(gè)詳盡的逐步分析為基礎(chǔ),分析因素包扌毳成本效益(投資、營運(yùn)和維護(hù)成本λ設(shè)計(jì)(實(shí)際、正式和象征方面)、能源要求(供暖、制冷、通風(fēng)、照明等)及室內(nèi)舒適程度(氣溫、視覺和聲音因素等、分析必須考慮建筑的整個(gè)生命周期,從設(shè)計(jì)、規(guī)劃、搭建到運(yùn)營、使用、翻新再到拆除并回收、重復(fù)利用建筑組件和材料。重要的不是改善單個(gè)組件,而是優(yōu)化建筑整體性能,包括建筑結(jié)構(gòu)、建筑外立面、內(nèi)部墻體、地板、天花板、存儲(chǔ)量、技術(shù)固定裝置和五金件及建筑管理技術(shù)。應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)概念是實(shí)現(xiàn)此類高度復(fù)雜任務(wù)的完美方案。它通過可變參數(shù)和演算法建立數(shù)學(xué)和幾何的關(guān)聯(lián)層次,基于參數(shù)自動(dòng)生成建筑組件的形狀和組件的物理特征,并根據(jù)形狀的關(guān)聯(lián)來修改特征。這樣一來,CAD軟件將從繪圖工具轉(zhuǎn)化為有效的設(shè)計(jì)工具。德國旭格國際集團(tuán)在2013年和2015年慕尼黑BA∪ 展會(huì)上分別推出參數(shù)化概念和參數(shù)化系統(tǒng)。同時(shí),我們使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方案循序漸進(jìn)地創(chuàng)建綜合而詳盡的分析,優(yōu)化日常項(xiàng)目進(jìn)程。
最后我們必須牢記建筑技術(shù)和方案必須適應(yīng)建筑用戶,而不是讓用戶去適應(yīng)最新的技術(shù)和方案。
