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新技术如何在建筑中体现可持续性?

谈到技术,我们通常会想到机器人、超级计算机、数据中心或智能手机。但技术也指最早的碎石工具的发明,或蒸汽机的发展,正是蒸汽机带来了第一次工业革命。这个词来源于希腊语 techne(艺术、工艺)和 logos(文字、语言)的组合,无非是应用知识,以特定和可复制的方式实现目标,达到实用目的。在涉及大量资源和人员的建筑行业,更多的技术意味着采用新的方法、工具、自动化和软件,从而提高建筑效率。该行业历来抵制创新,其碳排放和原材料开采对环境造成了巨大影响。然而,随着建筑业转向数字世界,建筑商们正在将技术作为优化实践、确定、建设和管理项目的一种手段。

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Data integration of the IGU data into the BIM model of the HQ of Züblin in Stuttgart, Germany. Image © Saint-Gobain; photographer: Olaf Rohl, Aachen

与可持续建筑相关的基本原则包括减少资源消耗(能源和用水效率)、最大限度地利用可再生或可循环利用的资源、保护自然环境以及为用户创造健康的环境。如果我们考虑到工业和建筑对温室气体排放的重大影响,以及随着城市人口的不断增加,世界各地对新住房的需求也在不断增长,那么这一点就尤为重要。正如ABB机器人技术和自动化总裁 Sami Atiya 指出的那样:“就机器人密度和自动化程度而言,建筑行业相当于 50 年前的汽车行业。它的起点较低,但发展速度会更快。”下面,我们列出了一些可以积极促进建筑可持续性发展的技术,尽管它们并不完全是新技术,但已经显示出了发展前景。

建筑信息模型(BIM)和加强流程控制

建筑信息模型(BIM)不再是一种承诺,而是大多数办公室的现实。它是一种将建筑物的物理和功能特征数字化和三维化的方法,可以将不同领域的专业人员整合在一起,创建精确、详细的虚拟模型。不同于 CAD(计算机辅助设计)只创建二维线条而不区分元素的做法,BIM 除了以图形表示元素外,还将包括时间和成本在内的无限属性融入元素之中。这样,用户就可以在项目的整个生命周期内智能地管理信息,实现编程、概念设计、细部设计、分析、文档编制、制造、施工物流、运行和维护、翻新和/或拆除等流程的自动化。

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Modeled Constructive Elements. Wolf Point East Building / Pappageorge Haymes. Image Cortesia de Graphisoft

加强对项目的控制意味着减少劳动力和材料的浪费,并显著减少失误。

该技术允许设计所涉及的不同知识领域之间进行跨学科交流,并最终干扰了传统的项目分期动态,要求对各阶段及其各自的范围进行审查。BIM 系统已实现现代化,并越来越多地与云相结合,与激光扫描相结合,使能源模拟越来越精确,从而影响到新建筑的性能。

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OHSU/PSU/OSU Collaborative Life Sciences Building by SERA Architects and CO Architects. Image © SERA Architects

工业化、模块化和预制建筑

预制建筑也绝非新生事物。特别是自第二次世界大战以来,欧洲和北美国家已经有了许多以住宅为主的目录建筑实例。但如今,创新的数字化工具使预制变得更加容易,前面提到的 BIM 可以更准确地表示并与其他利益相关方集成。这使得在工业中制造现成或半成品模块成为可能,从而缩短了施工时间,减少了错误和浪费;

同时,开源方法还允许世界上任何地方的用户下载项目,在当地制造,或者通过亚马逊或阿里巴巴等电子商务平台接收 DIY 工具包,将预制材料送到建筑工地门口。

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Modular Timber School by gmp Architects. Image © Marcus Bredt

这也可以使建筑更具多功能性,通过融入各种元素(门廊、内部天井)、房间的分布或当地的覆层和结构材料,使建筑能够适应随着时间推移而产生的不同需求,甚至适应社会和地区的特殊性。

先进施工方法中的数字双胞胎

数字孪生是物体或实体资产(如汽车、桥梁或建筑物)的忠实数字呈现。但它不仅仅是一个简单的三维模型,还是一个信息模型,包含从规划阶段到运行、维护信息以及未来使用或再利用信息的所有细节。这些都是动态的、活跃的实体,能够实时发展,通过人工智能进行自我学习和更新,并能与其物理孪生体进行交流,以便在问题出现之前就加以解决,评估新的机遇并为未来做好准备。

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BIM model of 1 Londsdale Avenue Commercial Building, North Vancouver, BC. Image © KK Law, Courtesy of naturallywood.com

在建筑领域,数字双胞胎主要处理以下信息:机械、电气、液压和空调系统的运行数据;零部件和维护数据;从物联网(internet of things)传感器获得的环境数据。

圣戈班(Saint-Gobain)创新首席信息官雷诺-贾汉(Renaud Jahan)表示,“数字孪生能够模拟流程、材料和系统,并开发建筑方案,优化能源效率。”

例如,机器学习算法或预先编程的软件序列可以使气候控制系统更加经济。除了根据大气条件改变气流强度和温度外,系统还可以学习和了解每层楼、每天每个时段的需求,甚至从气象模型或活动期间房间可能的占用情况中获取信息。这一点尤为重要,因为建筑物对环境的大部分影响都发生在运行阶段,而这一点却没有得到应有的重视。

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Prototype TOVA / Posgrado 3D Printing Architecture IAAC. Image © Gregori Civera, Mehdi Harrak

通过数字孪生模拟和优化建筑性能,可以直接影响建筑的碳足迹。通过这种方法可以显著减少内含碳,内含碳是指与建筑物整个生命周期相关的排放量,包括原材料的提取和生产、运输、建造、使用和报废处理。通常通过生命周期分析(LCA)来计算,这是一种用于衡量此类影响的结构化评估方法。通过将建筑所用材料的信息、能源消耗及其运行数据纳入其中,可以模拟不同建筑设计和施工方案对环境的影响,从而更全面地了解其影响。而将生命周期评估(LCA)数据整合到三维模型(数字孪生)中,可以使生命周期评估的洞察力更容易获得、更直接。

应用还可提供重要数据,帮助决策。GLASSPRO 和 GLASSPRO Live 是圣戈班玻璃提供的独家服务,通过数字模拟为建筑设计和玻璃原型制作带来了新的视角。通过对玻璃幕墙物理现实渲染的准确预测,减少了对物理玻璃样品的需求,从而实现了可持续的原型设计方法。此外,它还加快了为外墙选择理想玻璃的决策过程,使所需的美学效果与建筑师和设计师的意图相吻合。

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Glass Kubus: ©Vincent Bachmatiuk - Urban Scene: ©Vincent Bachmatiuk and Cyril Gendrot - M2 Saint-Gobain Tower: courtesy of Valode et Pistre, image by Vincent Bachmatiuk and Cyril Gendrot

3D 打印和机器人能否改变建筑业?

自动化为尝试新的美学、改造设计和施工过程提供了可能。3D 打印,也被称为增材制造,包括沉积材料层,可以是混凝土、塑料、金属、泥土等。对于建筑行业来说,这需要使用大型打印机,按照计算机上创建的三维模型沉积材料。

这样,就可以优化项目, 将材料用量减少约 40%,尽管成本仍然很高,但随着更耐用材料的新混合物的开发,估计成本将逐步大幅降低。

许多研究人员指出,3D 打印是满足未来几十年世界某些地区快速城市化需求的一种方式。特别是在人口将大幅增长的非洲和亚洲发展中国家,3D 打印技术可以提供经济实惠、灵活且可能具有气候适应性的建筑。除了整栋建筑,还可以开发基础设施和家具

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PERI 3D Printing. Image Cortesia de PERI

除了打印机,各种类型的机器人也开始出现在某些建筑工地上。未来十年,我们可能会在建筑自动化和机器人领域看到几项不同的发明,这些发明也将彻底改变建筑、工程和施工业务,并将更多地涉足虚拟现实和增强现实领域。从堆叠砌块和安装窗框的机器,到分析地形或建筑本身以监控工程进度或安全的无人机,建筑师和建筑工人本身的角色可能更像是管理者和顾问,尤其是在重复或繁重的过程中。

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TERMES. Image © Radhika Nagpal
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Cortesia de SCI-Arc
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© Stefano Borghi

写一篇关于技术和创新的文章尤其吃力不讨好,因为你不可避免地会遗漏一些东西,几年后人们读到这篇文章时可能会带着鄙视或讽刺的眼光,而且即使作者已经努力探寻技术的最新发展,他们也总是会遗漏很多东西。不过,我们可以毫无顾忌地说,建筑行业在提高效率、使建筑和城市更具可持续性方面拥有尚未开发的巨大潜力。虽然它目前是一个大问题,但它也可以成为变革的典范和载体,走向更光明的未来。

关于这位作者
引用: Souza, Eduardo. "新技术如何在建筑中体现可持续性?" [Como novas tecnologias têm evoluído para abraçar a sustentabilidade na arquitetura] 18 12月 2023. ArchDaily. (Trans. July Shao) Accesed . <https://www.archdaily.cn/cn/1008386/xin-ji-zhu-ru-he-zai-jian-zhu-zhong-ti-xian-ke-chi-xu-xing>

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