构建科学概念

作者:Ted J. Kesik,博士,p.h eng。, MASHRAE
多伦多大学,由RPM建筑解决方案赞助

更新:
12-04-2019

简介

这个资源页面是建筑科学相关主题系列的第一个。它旨在解释建筑科学中涉及的关键概念,以及该学科与建筑/工程/建筑(AEC)行业的关系。它关注的是系统方法以建筑技术和建筑科学的效用来推进高性能建筑议程。

应该认识到,在引入之前系统方法对于建筑科学的学科,大部分的研究和实践涉及建筑材料和构件。考虑到整个建筑系统,或者在某些情况下子系统,直到不太全面的方法的局限性在建筑缺陷和失败的形式中变得痛苦明显时才出现。

大量的研究和开发朝着前进的方向系统方法仍有待完成。尽管存在局限性,现代建筑科学采用的系统模型在建筑的健康、安全和耐久性方面取得了压倒性的进步。由于这个原因,建筑科学现在在大多数发达国家被认为是技术培训的核心架构师,解释为什么建筑可以工作,为什么建筑会失败,以及如何避免后者,而不损害建筑工件的艺术、文化和环境质量。

描述

构建科学的定义

建筑科学是一个综合了物理学、化学、工程学、建筑学和生命科学的知识领域。理解建筑作为一个系统的物理行为以及这是如何影响的能源效率、耐用性、安慰而且室内空气质量是创新高性能建筑的关键。现代建筑科学试图与模型一起工作建筑作为一个系统,并运用经验技术有效地解决设计问题。

加拿大著名建筑科学家尼尔·哈钦把建筑科学定义为“由于缺乏更好的词,这个词现在被广泛使用,用来描述有关物理科学及其应用的日益增长的知识体系."

更具体地说,当代建筑科学是一门涉及建筑全生命周期的广泛学科,包括:

当代建筑科学涉及的学科范围从物理和工程科学,到经济学、政治学、行为科学、生命科学和体系结构2

当代建筑科学的重要性往往是在建筑性能问题发生后,或更糟的是在失败后才得到充分认识,而不是在建筑项目的规划和设计阶段。由于这个原因,当代建筑科学在响应创新背离传统建筑实践的日益增长的趋势方面具有更大的重要性,传统建筑实践基于过去的成功先例。

创新不是一个试错的过程,依赖于逐步完善过去的先例。它通常与规范做法有很大的不同,并依靠科学的方法来推进其议程。现代建筑科学,正如今天所知,诞生于创新——更准确地说,是因为当建筑设计师试图在不应用建筑科学原理的情况下进行创新时,遇到了大量的失败。当成功的先例被复制并一代一代地传承下来时,建筑科学就没有必要了,但在传统建筑实践中,高性能建筑也没有进步。

建立系统理论

现代系统论是一个广泛的知识体系,有许多分支。在这些资源页面中不可能处理所有的理论,但是考虑系统的这些概念。3

系统是相互作用的元素的综合组合,被设计用来合作地执行预定的功能。(吉布森1960年)

系统是由相互作用的元素组成的综合网络,在给定的约束条件下,接收一定的输入并产生一定的输出。(1966年查普利)

系统理论,在其基本层面上,是一种信念,认为世界是由一系列相互作用的组件组成的,这些相互作用的组件集具有属性,当被视为一个整个,在任何较小的单位内都不存在。艾伦[1996]

一个系统方法本质上是:

  • 方法:组织观察的方法;
  • 一种有关对象和过程的思考方法;
  • 一种谈论(标记)系统的部件(组件)的方法;而且
  • 一个结果从系统地考虑系统性现象。

系统思维是建筑科学的重要组成部分,因为它通过根据常见类型对问题进行分类来简化问题。世界上有数以百万计的建筑,如果不是因为系统方法.这种方法来源于一般系统理论,所有系统共有的基本特征在应用建筑科学时必须牢记。

  • 边界及边界准则-许多人认为一个建筑系统止于其围护结构的外表面,在某些情况下止于地界。但在现实中,建筑系统延伸到它所影响的外部,以及影响建筑的东西。市政污水附加费引起的地下室洪水是该建筑的管道系统延伸到当地市政基础设施服务的一个例子。

  • 流动和存储-居民、能源、水、污水和数据是流动和存储特性的例子建筑作为一个系统.在能量模型中,乘员行为是最难精确预测的流动之一。

  • 转换建筑物会老化,使用者会对其进行修改,但并不总是有益的。从生命周期的角度来看,设计能够适应和采用新技术的建筑是可取的,以提高其性能和尽量减少功能陈旧。

  • 空间和时间层次被动生存能力和安全/安全建筑设计以实现空间和时间弹性为前提,这样在日常操作和极端条件下都能保持重要功能自然和人为灾难。

  • 反馈和控制循环-建筑是人体的假体延伸,因此依赖于多种形式的控制论来控制室内环境和维护安全和保障。

上述每项特征的重要性各不相同,视乎所设计建筑物的类型及其预期用途而定。建筑科学专业通常需要处理这些特性的特定方面(例如,能源建模,防洪、耐用性、室内空气质量稻瘟病抗性等)。但在所有情况下,对这些特征如何相互作用的基本理解可能来源于建筑作为一个系统模型。

建筑作为一个系统

这个想法建筑作为一个系统来源于现代系统理论和建筑科学原理对建筑行为和性能的应用。

建筑作为一个系统概念是建筑科学中一个相对较新的发展。它直接源自于a的引入系统方法从20世纪60年代开始,他们开始建立科学实践。在20世纪,随着创新日益成为实现建筑新形式表达的手段,对建筑失败的分析和回顾表明,传统的设计方法是不够的。这是由于对过去成功先例的不适当的适应,或在建筑构件层面上对技术规范的根本背离进行了不知情的狭隘分析。在这两种情况下,都没有考虑整个系统的行为。

建筑作为一个系统方法,如图1所示,要求设计师明确和有意识地考虑组成系统的主要元素之间的相互作用:

  • 建筑围护结构(建筑围护体系);
  • 居民(人类、动物和/或植物等);
  • 屋宇装备(电气/机械系统);
  • 场地及其景观和服务基础设施;而且
  • 外部环境(天气和微气候)。

这些元素的协调是建筑性能良好的关键。

作为系统模型的构建

图1。建筑作为一个系统模型。

回到当代建筑科学高度专业化的本质上,人们认识到大量的材料、组件、设备和组件必须适当集成,以实现高性能建筑。与此同时,必须认识到大多数性能问题涉及围护结构,也代表了一级被动环境控制系统。鉴于这些考虑,本资源页主要集中于建筑围护结构的基础建筑科学,以及它们如何受气候和天气的影响。设计参数的全面列表可以在参考资料页找到建筑围护结构设计原则与策略

说明性循环描述驱动建筑作为一个系统的行为的物理机制

图2。物理机制驱动建筑作为一个系统的行为。

认识到影响结构完整性的物理力必须始终得到充分解决,仍然有四个主要的物理机制与气候和天气有关,驱动的行为建筑作为一个系统就其对室内环境的调节作用而言(见图2):

  • 热流-热的传导、对流和辐射流动;

  • 空气流-由于漏风和通风而流过建筑物围护结构的空气;

  • 水分流动-水和蒸汽在建筑物围护结构内外的流动情况;而且

  • 太阳辐射-绝缘对不透明和透明外壳组件的影响。

建筑作为一个系统所有这些物理机制都在不同的时间以不同的组合方式发生。在寒冷的时候,热量和暖湿空气通过建筑围护结构的漏洞逸出。为了补偿损失的热量,供暖系统必须提供热量,为了弥补损失的水分,室内空气必须加湿,以保证居住者的健康和舒适。在炎热的时候,热量和温暖的潮湿空气被吹进建筑物内暖通空调系统必须降温除湿。在任何情况下,建筑围护结构都必须控制热量、空气和水分的流动。居住者可以通过他们的活动对气候产生巨大的影响。这就解释了为什么一栋建筑可能非常适合一个人居住(例如,仓库或工厂),但当占用改变时(例如,住宅或机构),就会遇到问题。当水、热和空气流动的平衡受到干扰,超过性能阈值时,就会出现问题建筑作为一个系统

建筑物的健康的关键是对这些物理机制的平衡控制,这样耐久性、舒适性、能源效率、室内空气质量、健康和安全都不会受到损害。

建筑性能

术语“性能可以被定义为质量:建筑材料、部件或系统提供的服务水平,与预期或预期的阈值或质量相关

例如,建筑的结构性能可以根据其抗死载荷、活载荷、土壤载荷、风载荷、静压载荷和适用规范规定的地震载荷来判断。在这些载荷的既定阈值内,结构将被要求根据强度、耐久性、挠度和振动方面的预期充分表现。

当预期或预期的表现水平没有达到时,所产生的行为被称为“失败"千万不要和"缺陷,即对性能没有直接或重大影响,但可适当修复的轻微损坏或缺陷。

建筑科学的一个重要贡献是性能参数的量化,许多性能参数可以在设计阶段进行预测,并在建筑使用和运行后进行评估/确认。这种对预测和验证的关注导致人们认识到需要系统方法因为建筑科学家正在努力解决室内空气质量和建筑质量等问题可持续发展的建筑。

关于建筑性能不佳需要记住的重要事情是它导致了绝大多数的诉讼,以及建筑科学通过系统方法是针对失效和缺陷较有效的预防措施之一。在评估需要修复和翻新的现有建筑物时,它也是一个非常有用的诊断工具。为了部署系统方法在建筑物的设计和评估中,首先需要建立一个性能要求的框架。接下来的部分讨论了基于已故的Neil Hutcheon(加拿大国家研究委员会建筑研究部前主任)的开创性工作的这种框架的持续发展。4图3描述了从构建科学原则派生出的性能需求层次结构。v

从建筑科学原理派生出的性能需求层次

图3。建立性能需求的科学层次。

借用数学术语,建筑科学是伟大建筑的必要条件,但并不充分。然而,它的关键辅助作用的重要性不可低估。建筑项目当事人之间的绝大多数诉讼涉及旨在提供坚固性和商品的建筑元素的不充分性能。低劣的快乐仍然只会受到同辈和批评者的谴责,而且迄今为止还逃脱了诉讼和立法的控制。

建筑物性能架构的概念旨在明确表示:

  • 影响建筑系统的外部和内部条件(例如,气候、天气、场地、土壤、居住者和室内气候等级);
  • 构成建筑系统的部件和相互关系(例如,材料、部件、设备和子系统的行为);
  • 定义可接受绩效的参数或指标(例如,美学健康而且安全经济可持续性等);而且
  • 根据上述参数、相互关系和条件设计和分析性能的方法、工具和技术。

当代建筑性能目标的背景

适当的建筑性能目标包括建筑、居住者、自然环境和建筑环境之间的众多接口,如图4所示。其中一些界面是无法调节的(如气候、天气、人体生理学等),而另一些界面则可以在某些规定的范围内进行操作(如能源效率、可负担性等)。建筑物受规管方面的职权范围一直处于不断变动的状态,这可从建筑守则和标准的每一个发展周期所发生的许多变化中得到证明。在发达国家,建筑性能与环境、经济和居住者期望的关系也发生了显著的变化。

建立绩效目标的当代背景

图4。建立绩效目标的当代背景。

近年来最显著的变化是人们对建筑生态影响的认识。今天,社会认识到建筑作为一个系统不会任意终止在物业线,并可能有深远的环境影响。我们有理由期待,对于建筑系统性能所涉及的因素的相对重要性(优先级),将继续有各种各样的解释。

本文讨论的重点不是建筑性能概念和参数的全球范围,而是可能被客观量化和比较的性能的物理方面。

物理、材料、部件和系统之间的关系

建筑规范和标准中的性能概念在很大程度上是作为指导规范和标准发展过程的约束而存在的。开发一个有效的建筑性能目标框架的主要挑战之一是建立由建筑科学知识和相关学科的专业知识支持的明确参数。这些都是以物理现象和建筑系统行为之间的关系为前提的。

建筑是一个由材料、组件(组件、设备)、子系统和系统组成的系统,这些子系统在为其直接居住者和社会利益相关者提供预期性能水平的过程中与物理现象相互作用。从建筑科学的角度关注物理现象,建筑系统的组成元素与这些物理现象的关系如图5所示。

建筑性能目标框架中物理、材料、部件和系统的关系

图5。物理、材料、部件和系统。

从这一关系中可以看出以下几点:

  • 施加在材料、部件或系统上的基本物理现象驱动其响应(行为)。

  • 材料、部件或系统的适宜性至少必须充分处理所强加的物理现象。

  • 随着设计过程的进行,从选择材料,到安排组件,再到整合系统,问题的复杂性急剧增加。

这种关系也可以反过来使用,比喻地说,以评估现有建筑系统对另一组物理条件的适用性,这些条件与设计中最初考虑的不同。

由于构件和子系统的多功能性质(例如,墙可以提供结构支撑、消防安全和调节环境),重要的是将建筑的组成元素与连贯的目标层次联系起来。物理、材料、组件和系统的层次结构是在概念层面上处理性能目标的一种实用方法,认识到它可能与实际的智力过程(设计)几乎没有相似之处。区分关系的表示和使用这些表示的实际推理过程的重要性是不可低估的。人工智能和专家系统领域的研究表明,知识表示及其应用之间的联系需要复杂的解释。6想必,对设计专业人员的高等教育来说,培养复杂的解释技能仍然是更关键的角色之一。

建筑行为的概念模型

建筑行为(性能)是一种高度复杂的合成现象。它涉及到许多同时的和连续的物理现象,以及响应建筑作为一个系统将根据组成元素的性质和排列而变化。目前,一个全面的、明确的建筑系统行为模型还没有被开发出来,而是被认为以某种隐含的形式存在于建筑行业专家的集体中。Hutcheon (Hutcheon and Handegord, 1983,第3-4页)提出了一个与开发综合系统模型相关的挑战的有益提醒:

“建筑的设计在很大程度上一直是,而且仍然是基于建筑实践。变化是缓慢的,主要是通过尝试和错误的进化过程来实现的。建筑实践从根本上是对过去的继承,受气候、经济、社会习惯、当地审美价值、当地材料和技能资源等因素的影响。进化过程在新因素的影响下缓慢进行;它在拒绝过时的东西方面同样缓慢。

科学知识的增长使建筑纯结构功能的分析和合理设计取得了巨大进步。个别材料和部件也有了很大的发展。到目前为止,在充分处理所有元素的组合和涉及整个建筑性能的各种现象的复杂相互关系方面,已经取得了相对较小的进展。原因不难找到。值得一提的是,即使是现在,当代建筑科学也吸收了工程科学几乎每一个分支的知识和经验。

我们早就过了满足于依靠“试用”方法来评估设计、材料和施工方面的变化的阶段。每年都有许多新的有趣的材料、系统和设计和施工方法。负责评估和筛选这种新发展的人非常清楚地认识到,我们目前对任何特定材料或方法的适用性的知识相对不足。此外,我们的工作标准也在不断提高。当我们依次减少主要的困难时,次要的困难就占了更大的比例,我们也以进步的名义呼吁减少或消除它们。随着对知识需求的增加,不断增长的知识似乎越来越不足。”

自从Hutcheon的观察以来,在建筑科学学科中已经认识到对建筑性能的整个系统模型的更强烈的需求。虽然建筑科学研究人员和从业人员仍然无法获得广泛接受的模型,但在性能的各个方面已经取得了一些进展,如围护结构的湿/干潜力、窗户性能等。在概念层面,诸如一般极限状态设计模型等方法已被应用于结构设计,然而,这种方法不适用于建筑性能的许多领域(例如,入口和出口,房间尺寸等),即使在模型适用的地方(例如,地下室漏水的统计数据),数据的收集也不一定总是可行的。

鉴于这种情况,图6展示了构建适用于整个系统及其组成元素的通用的、可扩展的构建行为模式的尝试。在这一点上,该模式对整个建筑系统性能的全面应用还有待完成。

描述物理建筑行为的模式

图6。描述物理建筑行为的模式。

根据图6中描述的模式,可以注意到,通过链接许多简单的模式,即使不能定量建模,也可以描述复杂的行为。在图6所示的示例现象中,建筑围护结构对室内和室外环境之间的温度、气压和湿度差的直接响应导致热量损失和空气泄漏。如果外壳提供低的有效热阻(过度的热桥和/或绝缘不足)和冷凝,则间接响应影响热舒适和室内空气质量水分促进模具增长。这种方法有助于构建更复杂的整个系统行为模型,以帮助设计人员考虑基本性能和系统交互。

在当代建筑科学发展的这一点上,用于建筑系统设计和评估的计算方法还没有出现。有人认为,设计的综合过程将仍然是一项专门的人类任务,计算技术形式的概念模型将只作为学习辅助工具和实践指南。不管建筑科学的未来如何,在发展建筑行为的简单模型和在性能目标的框架内安排它们方面已经取得了很大的进展。下一节将介绍一种综合评估建筑系统物理性能的方法

建筑物表现目标框架

图7中描述的框架是作者早期工作的扩展。7它基于这样一个前提:在评估或设计过程中,主要考虑的似乎是性能目标或意图。随着许多国家开始采用基于目标的建筑规范,这一观点得到了强烈的强化。8

任何基于目标的框架的一个有趣的方面是,意图保持不变,而实现意图或目标的方法随着技术的进步而不断发展。人类似乎总是希望建筑提供坚固、商品和乐趣,而建筑师总是必须找到适当的方法来满足客户的需求。

从建筑科学的角度构建性能目标框架

图7。从建筑科学的角度构建性能目标框架。

图7所示的框架由两个主要元素组成:

  1. 由场地条件和全球环境和当地生态系统的限制或阈值所施加的物理约束;而且
  2. 建筑物的功能要求,包括居住者要求、兼容性要求和物理要求。

当代建筑科学通过平衡物理约束和功能要求来支持可持续建筑的社会目标,理想情况下不影响建筑美学和高性能。

建筑科学的主要兴趣领域是功能需求,在这一领域中进一步确定更具体的目标,构成设计和/或评估物理建筑系统性能的基础。

这个或任何性能目标框架都旨在为设计人员提供一种明确的方法来说明是否符合功能建筑的要求。虽然未来计算机技术的发展可能会使设计和评估的许多方面自动化,9仅仅因为软件无法承担责任,设计师是否会为确保尽职调查而赋予假肢应用重大责任,这一点值得怀疑。

最后,如果没有别的,这个框架暴露了建筑科学的广度,并加强了对它的掌握将需要长期的研究和实践的认识。

建筑系统集成

建筑科学的一个共同目的是实现建筑系统集成,而不是通过许多代建筑先例的试错,而是每一次建筑的设计和建造。这意味着定义一个性能级别和确保遵守的方法。

建筑系统集成包括建筑结构、其围护结构、内部元素和建筑服务(即机械、电气等)。

图8。建筑系统集成包括建筑结构、其围护结构、内部元素和建筑服务(即机械、电气等)。

优化性能不仅仅是结构、外壳、内部和服务之间的兼容性。它包括对经济、社会和环境参数的评估,以便在该行业的技能能力范围内以可承受的价格实现业绩目标。这实际上意味着创新可以被定义为在建筑或设施的生命周期内以更低的成本获得更好的性能和更高的质量。

应用建筑科学研究表明,在建筑围护结构设计中对水分的控制通常优先于其他控制措施,因为当仔细考虑了所有形式的水分时,对传热、漏风和太阳辐射控制的许多要求都得到了满足。在开发这一资源页时,能源效率是大多数发达国家的主要目标,这一目标没有通过设计建筑围护结构来管理水分。为避免造成耐久性问题的空隙凝结所需要的隔热水平,等于或高于为在建筑的整个生命周期内提供具有成本效益的能源效率水平所需要的隔热水平。这就是后面的一套建筑科学资源页的基本原理,从建筑围护结构中的水分管理开始。

一些相关的资源页也致力于解释如何实现这里所确定的各种性能目标,但为了理解建筑科学的概念,重要的是要了解围护结构或称为包膜,是主要的环境分离器/调解剂。它扮演被动的角色,不像机械和电气系统,主动补充热量,空气,水分,和日光,外壳无法提供。当所有主动系统失效时,建筑围护结构是室内外之间的最后一道防线。高性能建筑围护结构在极端天气现象和自然灾害,并为它们的居民提供安全的住所。

剧情简介

在总结所提出的观点和关系时,可考虑以下结论:

  • 建筑是设计师必须适当集成的系统,以达到规定的性能水平。

  • 建筑科学提供了一种规范的方法来处理建筑的物理要求,它与建筑设计和建筑施工过程完全兼容。

  • 现代建筑的创新依赖于建筑科学和技术系统方法确保建筑性能符合业主、居民和社会的期望。

  • 建筑性能的背景最近已经演变为包括生态和可持续发展的问题。这种性能参数的扩展,加上消费者日益增长的期望,极大地增加了建筑的复杂性。性能目标框架和概念模型已经成为必要的方法,以确保良好的建筑系统集成的所有方面都得到认真处理。

要进一步研究这个主题,请阅读罗伯特·马克的总结的最后一章科学革命时期的建筑技术在他观察:

“通过关注范围广泛的历史建筑,从它们的地下基础到木材屋顶的顶峰,前科学技术的典型发展模式变得明显。当时通过经验和观察学到的很多东西,今天的设计师可以从科学分析中获得。”x

当代建筑科学已经超越了简单的分析,现在提供了一系列复杂的设计工具、测试协议和性能模拟/验证技术。这些都是对专业经验和对实际建筑性能的批判性观察的宝贵补充。当代建筑科学在建筑和工程中的作用继续加强了AEC行业理论和实践之间的动态关系。

额外的资源

出版物

  • 寒冷气候下的建筑科学作者:尼尔·哈钦和格斯·汉德戈德建筑研究所,1983年。
  • 建筑系统集成手册,理查德·d·拉什编辑。美国建筑师协会,1986年。
  • 建筑围护结构的建筑科学约翰·斯特劳布和埃里克·伯内特所著。建筑科学出版社,2005年12月。
  • 综合建筑:建筑学的系统基础莱纳德·r·巴赫曼著。约翰·威利及其儿子,2003年。

建筑科学信息的在线来源

建筑科学信息可以在许多来源中找到,如会议记录、期刊、研究和通过政府、工业界和学术界提供的各种技术出版物。这里引用的来源代表主要涉及建筑科学的组织或机构。例如,像美国土木工程师协会这样的来源会有一部分出版物专门介绍建筑科学,但大部分都关注传统的土木工程主题。这类组织没有被列出,但可能包含高度相关的建筑科学信息。

除了上面提到的资源,在互联网上的关键词搜索会产生一些特定主题的参考。产品制造商组织和政府部门致力于建筑,或建筑的方方面面,如能源效率,也是无价的建筑科学信息的潜在来源。为了从这些无数的建筑科学信息来源中获得最大的利益,获得基本的建筑科学概念和术语的基础是很重要的。

参考文献

我。寒冷气候下的建筑科学《NRCC 39017》,作者:Hutcheon, n.b.和Gus Handegord。渥太华:1983。

2建筑科学研究领域“,(小册子)教育联络委员会。华盛顿:建筑研究所,1963年。

33定义见:层级理论:视野、词汇和认识论蒂莫西·f·h·艾伦与瓦莱丽·阿尔合著,保拉·勒纳插图。纽约:哥伦比亚大学出版社,1996。

4建筑外墙设计的基本考虑,技术报告第13号,建筑研究部门由Hutcheon, n.b.渥太华:加拿大国家研究委员会,1953年。

v。墙体性能分类系统的开发作者:Kesik, T.和David De Rose。多伦多:2004年5月2-7日,CIB世界建筑大会。

6模式形式的知识和神经网络计算知识工程,卷一,基础,Pao, Y.H., H. Adeli(编辑)。纽约:McGraw Hill, 1990。

7基于知识系统的建筑性能评估方法第二届加拿大土木工程计算会议论文集,第469-480页,Kesik, T.和K.A.塞尔比。安大略省渥太华:1992。

8基于目标的编码:加拿大的一种新方法由加拿大建筑和消防法规委员会制定。渥太华:1996年2月。

9构建围护系统的使用寿命和资产管理工具的集成第七届建筑科学与技术会议论文集,第153-163页,作者:Lacasse, m.a., D.J. Vanier, B.R. Kyle。多伦多:1997。

x。科学革命时期的建筑技术马克,罗伯特(编辑)。剑桥,马萨诸塞州:麻省理工学院出版社,1993年。

Baidu
map