為建築性能模擬掃盲

為建築性能模擬掃盲

作者:數碼阿叔/柏基建築師

「正因為有了 BIM,所以現在可以利用 Ecotect 做出建築性能分析」,這個低階笑話當前甚囂塵上,不論說這話的人是基於什麽目的,他們至少整錯了觀念也搞錯了方向。

就為了軟體名字「Ecotect Analysis」因而望文生義的大有人在,當然,由於 “Analysis" 這個字語義廣泛,被人通過字面直譯成 “分析”,跟中文裡“分析”這個詞的原型有了些許混淆。我們看看英文Wikipedia 網頁上的說法:

“…Ecotect Analysis is an environmental analysis tool that allows designers to simulate building performance right from the earliest stages of conceptual design. ”

好一個 “解析環境的工具” (environmental analysis tool),以及 “模擬建築性能” (simulate building performance)。也罷,人嘴兩片皮,話是隨人說的,倘若硬是堅持什麼「生態建築大師」或者什麼「概念化性能分析」等等也無所謂,要緊的是不要因而誤解軟體的使用場合和應用目的。

首先,所謂「建築性能分析軟體」所做的實際上是 “模擬” (Simulation),而不是 “分析” (Analysis)。雖然軟體名稱以及英文命令界面裡出現了不少以 “analysis" 冠名的命令項,但是不能因此而偷換概念,軟體所能做的只是根據操作者給定的環境條件和要求去運算出模擬的結果。在交互式(Interactive) 界面下,那些 “解析網格” (Analysis Grid) 上面顯示的顏色,是要軟體操作者看著模擬的結果自己做出判斷與分析,接下來該做的都是在設計者的人腦中進行,軟體永遠不會直接給出分析比較的結果,以及告訴設計者應該怎麼做抉擇。如果設計師本身對建築物理性能的專業知識與實務經驗不足,那麼做出的判斷與結論自然也就可能失去準確性與適用性。

另外一個根本上的錯誤,建築性能模擬軟體和 BIM 兩者間並沒有必然的依存關係,建築性能模擬並不是因為 BIM 而創造出來的。在 BIM 出現之前,至少已經有了十幾種專業性能模擬軟體,很早就被應用在跟建築相關的各種專業領域中。而跨專業的綜合型性能模擬,就如同本文所談的 Ecotect,在其2006 年還隸屬於 Square1 公司的時代就已經有些建築設計工作者開始將 Ecotect 5.0/5.5 運用到設計過程中,Ecotect 本身就帶有 modeler 可以建立用於模擬的三維模型,也接受其他軟體建立的模型經由 DXF/3DS 格式讀入使用。有些人也許受到 Overselling 的誤導,天真的認為這些建築性能模擬軟體系基於 BIM 而生,必須經由所謂 BIM 模型才能進行建築性能模擬,實際上兩者之間從來就不存在這樣的因果關係。

我們所說的建築物理性能,包括建築物室內外的光環境、熱環境、風環境、聲環境以及視覺環境…等等,涵蓋的範圍除了建築物本身以外,還包括建築物跟其周遭鄰近建築物以及自然環境間的交互影響。這些不是最近才生成的新理論,早在數十年前建築本科的課程中就有建築應用物理學和環境控制這些學科,講述的是跟建築物理環境相關的理論和簡化的實務做法,但是其中許多繁複的計算公式著實難以直接在實際工作中應用。因此多年來除了我們台灣的建築法規中直白的規定了要檢討跟鄰地採光權關聯的日照陰影、對建築物室內採光和通風以窗牆比計算外牆開口面積下限之外,其餘的大多是由建築師和設計師根據自己的實務經驗做判斷,或者就此遭到了選擇性的失憶,接著就是在建築設計完成以後一股腦兒交由專業技師們處理,加進照明、空調和機械通風等等必要的主動式建築設備。

說到這裡也許有人很不服氣,《建築法》要求專業分工,把這些專業部份交付給專業技師設計難道不對嗎?不錯,術業有專攻,在應用主動式建築設備克服不利的環境條件這方面,專業技師的確比建築師強得多。即使建築師設計出來的空間其舒適性條件再差,在技師手裡也能弄出空調夠冷、燈光夠亮的結果來,只是多耗用能源罷了。在廉價能源時代 (※也是台灣的均富年代),整個社會鼓勵的是多多消費、追求更高的生活水平,最好能四季室溫恆常讓人寒暑不侵,多耗用些能源算什麼。即使空調真的不夠冷,還能推給城市居民的原罪——城市熱島效應。

對建築性能影響最大的是在建築概念設計的早期階段 (the earliest stages of conceptual design),舉凡建築物的配置、方位朝向、體型比例,以及跟鄰近建築物與周遭物理環境的相互關係都在這個階段中完成。如果建築師和設計師此時只是一心一意搞那些造型、外觀、流行建材等美輪美奐的表現手法,沒有充分考量前述那些跟建築性能良窳相關的因素,設計出來的建築物即可能處在建築性能先天不良的狀態,即使接續設計的技師們再怎麼努力彌補,能改善的效果終究有限。到過香港的人都該記得香港那些高與天齊的建築型態,例如 1980-2011 年間香港興建的多棟 “屏風樓” (※見http://zh.wikipedia.org/wiki/屏風樓) 社區,造成約 150 萬居民的生活受到建築環境影響而劣化。在當今高價能源時代,一方面鼓吹要求節能減碳、可持續設計和綠色環保等等,另一方面又縱容民間業者肆意創造能耗、增加能源消費,形成最大的諷刺。即使其中許多形成過多能耗的原因未必都歸責於建築設計者,但是建築師在概念設計階段中完全有機會,通過設計手段去避免日後這些不利因素生成。什麼手段?——建築性能模擬。

建築概念設計早期階段是建築物從無到有逐步成形的階段,有些專業性很高的性能模擬軟體並不適用於這種變動機會很大的階段性過程中。在以往,建築師手邊的確沒有適合的軟體工具,能亦步亦趨的讓建築性能跟隨著設計思維同時推進,逐步發展成形。然而 2005 年前後出現的 Ecotect 改變了這種情勢,它面向的是建築設計的概念發展階段,從粗略的量體開始隨著設計進程逐步深化,一次次提供各種性能模擬的結果,做為分析驗證的根據。因此 Ecotect 所運用的三維模型也是從粗略的量體開始逐步的細化,模擬出來的結果也跟著設計的進度逐漸深入,絕對不是有些人錯誤認知的一次性了結。看到這裡大家應該有所覺察,Ecotect 所運用的模型是極重要的,倘若模型中帶有錯誤遺漏、模型範圍涵蓋不完整、模型深度跟設計的進度不同步,都將使得模擬出來的結果發生偏差,進而影響到設計者的分析判斷。有些人說 Ecotect 的精確度不高、用處不大,實際上真正的原因是他們自己對 Ecotect 的正確運用方式以及對建築性能專業知識不足所致,怪不得別人,更無由去責怪軟體。

想要模擬出來的結果具有準確性和實用性,除了需要正確與完整的模型做為載體,還必須載入氣象數據才能運行。氣象數據一直是建築性能模擬的軟肋,有些人使用了錯誤的或不當的氣象數據檔案而不自知,模擬的結果出現偏差是可以預期的。也有些人明知使用的氣象數據檔案採集地點跟模擬所在地的位置差異很大,但是覺得沒關係而將就使用,這又是一種自欺欺人的做法。我曾見過有人拿了從 Ecotect生成的熱性能圖像到處得瑟,但是比對其設計內容又跟模擬的結果多所矛盾,顯然說的是一套做的又是另外一套,純粹忽悠。

類似 Ecotect 這樣的性能模擬軟體所運用的模型並不是越精細越好,性能模擬運用的模型反而是越單純越好,比喻為言簡意賅,該有的一定得有,能省略掉的一定得省略,否則 Ecotect 是跑不動的。建立了正確合用的模型,載入了準確的氣象數據,經由 Ecotect 的可視化與交互式界面讓你可以順利操作軟體,然而先決條件是你一定要清楚自己在做什麼,以及想要做什麼,模擬的結果出來以後,接下來才是最重要的步驟——判讀與分析,實際上許多人使用 Ecotect 最終就止於這個步驟直前。我很難具體的告訴你該怎麼去做正確的判讀,除了要具備相關的建築性能知識以外,還要有相當的實務經驗與生活體驗做為襯墊,這也是條件不足的使用者會判讀失準的原因。實務經驗是相當重要的,就跟應用那些 BIM建模軟體建模面臨同樣的狀況,沒有建築實務經驗的人,即使已經考上了建築師,還是沒法構建出正確而完整的三維模型來。

這一集就談到這裡,在接下去各集將要繼續講述:氣象數據、風環境模擬、熱環境模擬、光環境模擬等等應用到建築設計中經常發生的誤區。

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