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1.简介
在20世纪初,机械空调技术的发展使建筑的设计能够摆脱当地气候环境参数的限制,因此这类建筑的营运和初始成本与对复杂技术的要求一样水涨船高。20世纪80年代后期,在欧洲中部开始出现一个不同趋势,且愈演愈烈,那就是建筑必须将能耗降至最低,同时把室内舒适度和空间利用度达到最大化。此外,还要降低在建筑搭建和营运过程中所造成的材料、时间及成本的浪费。另外,社会和文化方面的因素也愈来愈受到重视,比如建筑的外观设计。在欧洲观念中,建筑行业的可持续发展概念包插上述提到的所有方面。幕墙在其中扮演着至关重要的角色。
近几年来我们了解了许多决定人类未来的必要条件。数年来,全球化和世界城市化正以前所未有的速度彻底改变我们的世界。人们对居住舒适度的不懈追求却使环境遭受重创。后果显而易见:自然资源消耗加剧,从而导致原材料的价格急剧上升。更严重的是,由资源大量消耗所导致的气候变化已成为全球共同的挑战,如果不采取措施的话,人类后代生活的自然基础将遭受毁灭。所以我们急需转变之前的想法,促成全球性的转变。当下关于可持续发展的战略可分为两种派别:“充分战略”和“效率战略”。简而言之,充分战略直接针对的是个体的责任感,比如个体使用资源的程度,而效率则是建筑设计和规划参数。
建筑能耗约占全球能耗的40%,所以公众对节能建筑和资源保护的兴趣渐增。可持续发展建筑是健康环境的基础。今天,我们在建筑环境领域所犯下的错误久而久之会对经济、生态和社会文化造成负荷。这也是为什么全球对可持续发展的意识增强,先进的智能型绿色建筑概念正引领着建筑业的风潮。基本问题是:我们是否需要高科技或者低科技门窗幕墙以实现可持续发展?在我们讨论这个问题之前,我们先要来分析一下可持续发展建筑的基本要求和概念。
2.可持续发展建筑的要求
首先我们来看一下可持续发展建筑的要求。可持续发展建筑的设计要考虑建筑整个生命周期所涉及用户的相关需求,涵盖从设计、规划、搭建到运营、使用、翻新再到拆除并回收、重复利用建筑组件和材料的所有阶段。在欧洲对可持续发展问题的关注度在日益提升。让我们首先聚焦基本资源的消耗,随后再来考虑对水资源的保护和污染的防控。长久以来,我们只着眼于初始成本;现如今,在欧洲,细致优化投资成本和随之而来的营运成本已成为普通标准。此外,可持续发展的社会和文化因素正日趋重要,比如建筑的外观设计,但是更多体现在建筑的使用方法以及它们为用户提供的空间利用度。
现在我们了解了实现可持续发展建筑的因素有:
环境质量(生命周期影响评价....)
经济质量(生命周期成本,灵活性和适应性....)
社会文化质量(体感舒适度、用户控制....)
实用性质量(气密性、水密性、隔热、遮阳、自然通风、日照、隔声、安防、适用性....)
技术质量(清洁和维护、拆除拆卸....)
加工质量(设计、生产、安装、清洁和维护....)
建筑领域的可持续发展概念需要包含上述所有要素。智能型绿色建筑必须根据这些要素来设计、搭建和运营。今天的欧洲建筑设计已经把重心转移到长期的顾客满意度上。其结果就是质量、功能和资金成本的要求逐渐变得更为严格。人类健康是周围环境直接作用的结果。至少在办公楼和行政楼,随着社会大众逐步意识到舒适的温度、新鲜的空气、对采光的利用和宜人的声音环境将直接影响着绩效和出勤率,这些因素将在未来备受重视。
3. 智能绿色建筑的概念
现如今我们知道,根据建筑的所在地不同,它会受到不同环境因素的影响,即噪音、风、降水、冷、热和太阳辐射。建筑的外立面至关重要,不仅仅因为它关系着外观,也由于它牵涉到建筑的可用性和耐久性、对人身和财产的保护以及内部舒适环境的创造。一方面,节能的建筑外立面影响着为维持室内舒适温度所需的供暖、采光、通风以及制冷所使用的能源量(以此影响能源成本和污染量),另一方面也对技术建筑管理系统的规模甚至基本需求起到作用(以此影响投资和营运成本、它们常常提升室内舒适度,以此改善办公楼和行政楼的工作环境,这也相应增强了用户的满意度和效率。视建筑的所在地而定,建筑外立面也或多或少提供了使用可再生能源的潜力。
智能绿色建筑可基于被动、主动、认知和能源正输出概念予以搭建。在被动建筑概念中,被动幕墙组件将室内和室外因素尽可能地分开。当代的机械系统保障了一个舒适的室内环境。相反,在主动建筑概念中,动态幕墙组件对变化的内外部环境做出具体的反应。根据我的个人经验,只有建筑的位置、高度及使用在—年中至少三分之二的时间不用考虑自然通风、太阳能和采光的情况下,单纯的被动建筑概念才能突显其优势。高层建筑中传统窗（词条“窗”由行业大百科提供）户的自然通风和外部遮阳系统的安装受到高风速的限制。活动的、尤其是电动的组件只适合那些乐意维修保养的建筑业主。
在认知型建筑概念中,幕墙和带动态调节功能的机械系统组件通过一个智能化的建筑自动化系统互相连接。因此,认知型建筑能对多种可预测可计算的环境做出反应,如气象环境中每年或每天发生的波动(太阳高度角)或建筑营运的次数。然而,无法预知的气候和营运因素一如云的异变和用户无意识的行为一须通过合适的传感器或在线天气预报来监控。对幕墙单个组件的运行进行分主次地协调控制会影响幕墙参数,如整个能源吸收度和热产量,并延伸“零能源状态”。信息物理融合系统(CPS)代表着现存嵌入式系统的下一个进化阶段。在CPS系统内,信息组件与物理组件相互协同作用,成为全球联网的一部分。与认知技术相组合,它们会对建筑学和建筑业产生巨大影响。CPS使新一代认知型建筑及建筑外立面成为可能,其特点就是提升能效、生产力和性能,从而优化建筑能耗,改善用户的舒适度和安防等级。
此外,有针对性地满足项日对室内环境舒适度的要求往往比遵守普通标准一在某些实例中是超标准一要更有效地减少建筑能耗。在理想状态下,每个建筑区都能规定各自的舒适度限值。例如,当建筑非常用区域能适应清晨的较低温度,则夜间被动制冷的能效就能得到提升。若设计师进一步拓宽设计的“系统化界限”则能进一步优化能效。如,相邻建筑中间不受气候干扰的圈占地可设计成大型的缓冲区域,作为中庭或商业中心。这些缓冲区域可配各天然系统,保证每年的气温在15到30° 之间,不受外界影响。为了以最少的能耗实现这个目标,必须通过建筑中央管理系统控制可见光的射入、太阳能的获取及自然通风水准。另一方面,诸如屋顶和幕墙这些区域的内表面则相对简单,不用额外考虑风力载荷或暴雨的因素。有了“气候罩”的防护也提高建筑的使用频率。在理想情况下,用户可分别控制幕墙内部组件,不会对能耗产生负面影响。然而,气候罩的噪声控制(“ 音量衰减”和热存储行为(“ 热缓冲”)水平也是相当重要的。
要谈论能源正输出概念,我们必须首先减少建筑的能耗。当建筑内部环境能在不启用机械系统的情况下保持舒适且延长舒适时间,则能显著减少能源消耗。在此,我们可运用被动概念、主动概念或认知感念。实现能源正输出的最终步骤是将建筑外立面转化为主动的太阳能接收表面。两种技术可供参考使用:光电和光热。目前,相关组件已能融于建筑设计特征,极大地适应建筑个性化要求。应用范围也从幕墙组件、房顶模块拓展到遮阳设备。直接利用太阳能进行区域供暖和热水供给可通过现存的不同系统来实现,这些系统按照不同的准则来运作,如空气收集器、集水器或带热泵的热吸收器。对城区内的热存储系统进行相互连接可提升系统性能。尤其对于办公楼来说,在热收集器(吸收式制冷机)的帮助下实现制冷引起极大关注。原理很简单:在制冷需求最大的地方,太阳也会提供最大的热能源以供制冷。这是完美的“供求平衡”。现如今,整合进建筑的太阳光伏系统早已逾越实验阶段。现在,太阳光伏系统可用于安装固定和移动遮阳系统的幕墙和屋顶。同时,布线和电力连接的问题也得到了有效解决,性能卓越的系统已上市。通过认知技术和信息物理融合系统将城区内的建筑与不同的“电力用户及产商”连接在一起可在不久的将来达到供求平衡并提升太阳光伏系统的能效。认知型技术和信息物理融合系统能帮助提升建筑的安防等级。根据我们自己的定义,防护即是对单个或多个偶然因素引起的随机突发事故进行防御保护。
安全则相反的是指不受有计划的蓄意事故的侵害。防护的主要威胁来自火灾和自然灾害,后者可细分为地理学、气象学、水文学和气候学方面的事故。
而安全方面,我们首要考虑的是针对犯罪行为(即盗窃、蓄意破坏、恐怖事件和间谍行为、我们认为在新技术领域,防火和抵御自然灾害会占据一个次要地位,建筑外围和周边可启用相应的认知型技术和信息物理融合系统实现这一方面的防护。近几年来,盗贼数目的增加和因防盗门窗导致的盗窃未遂事件的上升促使我们对优化防盗性能的关注度提升。我们的焦点集中在防范措施。安装于门（词条“门”由行业大百科提供）窗的电磁接触开关和玻璃碎裂传感器可通过CPS系统与警报系统相连,在有人强行进入室内的时候发出警报。高级的信息物理融合警报系统甚至在窃贼还未接近建筑前就对其有所察觉。我们所说的是保护周边环境的认知系统,在建筑和窃贼间建起极强的屏障,包栝建筑周边的动景照明设各、室外监控摄像头、光信号和声信号安防系统及视频通讯系统。它们将提升基于CPS系统的住宅区的防盗效率。
4.如何设计用于未来智能型绿色建筑的门、窗和幕墙?
为特定地区的特定项目寻求最佳解决方案一建筑师致力于可持续发展一同时首先考虑用户舒适度和可控度,与功能品质(气密性、水密性、隔热、遮阳、自然通风、光照、隔声、安防、可用性)相辅相成。作为职业工程师,我们专注于使用高端技术的门窗和幕墙。
概念越复杂,交易的趋同性就显得愈加重要。趋同性是指行业合并,模糊单个企业现有的定位界限。搭建整合了可调节功能组的建筑模块可更有效地设计并执行项目定制解决方案,并提升其质量水准。可协同运作的功能模块简化了整合步骤。早在1999年,德国旭格国际集团就在慕尼黑BAU 展会上推出其基于整合式设计与分散式建筑主体组件的概念幕墙。这种类的幕墙使所有幕墙组件完美相融,包栝控制和管理系统,使建筑外立面组件和主体组件的连接和协同作用成为可能。此外,德国旭格国际集团在2005年BA∪ 展会上推出混合类型幕墙。它的原理是实现幕墙不同组件的功能分离,举例说明就是某个可移动的不透明组件负责自然通风,另一个固定的气密性组件负责控制光照。混合幕墙和概念幕墙的创新组合从一方面来说是单层和双层幕墙的混合体,另一方面是自然通风和机械通风的组合。
德国旭格国际集团抱着理智的心态使用自然资源,开发生成能源的新方法。旭格在2007年和2009年的慕尼黑BA∪ 展会上分别推出E2幕墙的头样和2度概念,以完成“能源2一节能并产能”的概念转化。它整合太阳光伏模块、太阳能转化器、隔热遮阳性能及带热回收功能的分散式机械通风,为整层式玻璃提供持久的自动化。其结果是保证最大能效,最大化地降低搭建成本,同时保证建筑的高品质外观,优化舒适水准。同时,幕墙的功能单元是创新建筑的设计特征之一。创新的半透明太阳能光热（词条“太阳能光热”由行业大百科提供）收集器和多样化的太阳光伏模块可实现大规格化,整层嵌入幕墙。收集器的光影效果赋予幕墙迷人的外观,打造全新的建筑风格。平齐地整合进幕墙的光热收集器有效利用太阳能为建筑实现制冷。收集器吸收的热能通过吸入式制冷单元转化为冷水,直接用于空调设备。集中的太阳能辐射（词条“辐射”由行业大百科提供）一方面增加制冷能源的需求,另一方面提升太阳能制冷系统的性能。这极大地减少了用于空调的基本能源量。
最终,我们要根据客户的需求综合考虑。对投资商而言,他们主要注重遵守项目工期和短期经济影响(投资儿对业主而言,他们希望建筑的使用是长期而可持续的,建筑生命周期成本、功能品质、灵活度和适应性是最重要的。只有很小一部分客户会注重环境及社交文化水准。
现在让我回到上面提到的基本问题:高科技和低科技解决方案,究竟哪个略胜一筹?在我看来,答案既非高科技也非低科技,智能科技概念才是最好的。它只使用必要的技术,减少或完全消除不必要的能耗、材料、时间及金钱。
目的在于使用最少的资源及能源将气候的负面影响降至最低,同时将正面影响最大化。智能科技概念遵照生态气候设计战略,利用自然通风、太阳能和光照尽可能减少机械系统的使用。它专为特定的极限条件而设计。气候代表着一个城镇、国家或一大片地区的天气现象总和。宏观气候受纬度、海平面（词条“平面”由行业大百科提供）高度、土壤条件和海拔影响。微观气候由当地条件和周边环境(植被、邻里建筑、交通、建筑坐落面的角度和位置)决定。
前进的第一步即是创建综合设计方案,将环境、经济、社会和文化因素都考虑在内。它以一个详尽的逐步分析为基础,分析因素包扌毳成本效益(投资、营运和维护成本λ设计(实际、正式和象征方面)、能源要求(供暖、制冷、通风、照明等)及室内舒适程度(气温、视觉和声音因素等、分析必须考虑建筑的整个生命周期,从设计、规划、搭建到运营、使用、翻新再到拆除并回收、重复利用建筑组件和材料。重要的不是改善单个组件,而是优化建筑整体性能,包括建筑结构、建筑外立面、内部墙体、地板、天花板、存储量、技术固定装置和五金件及建筑管理技术。应用参数化设计概念是实现此类高度复杂任务的完美方案。它通过可变参数和演算法建立数学和几何的关联层次,基于参数自动生成建筑组件的形状和组件的物理特征,并根据形状的关联来修改特征。这样一来,CAD软件将从绘图工具转化为有效的设计工具。德国旭格国际集团在2013年和2015年慕尼黑BA∪ 展会上分别推出参数化概念和参数化系统。同时,我们使用参数化设计方案循序渐进地创建综合而详尽的分析,优化日常项目进程。
最后我们必须牢记建筑技术和方案必须适应建筑用户,而不是让用户去适应最新的技术和方案。
