性能驅動綠色建筑優化設計研究

■ 程 光 Cheng Guang 宋德萱 Song Dexuan

性能驅動綠色建筑優化設計研究

■ 程 光 Cheng Guang 宋德萱 Song Dexuan

通過對建筑基本屬性的抽象化描述，將綠色建筑的形態和性能要求所涉及的諸多問題轉化為相應的參數模型問題，并利用模擬仿真/優化技術，實現綠色建筑的多變量、多目標復雜問題的求解過程。

數字化；建筑基本屬性；性能驅動；綠色建筑；集成優化

1 研究背景

1.1 全球化對建筑發展的影響

近半個世紀以來，隨著世界經濟、文化、藝術、科技等方面的全球化發展，人們在工業化生產、城市建設、建筑設計等改造自然，征服自然的活動中取得了卓越的成績。然而，當這種全球化影響給人們生活帶來全新體驗的同時，它的建筑文化及地域性卻在不斷地消失，再加上高密度城市化、生態環境污染及不可再生資源的高消耗等問題，也給人們增添了許多新的煩惱。因此，在建筑規劃和設計的過程中，如何運用新技術、新方法構建相應的適宜性優化設計策略，將會對我們今后的可持續性建筑設計，綠色技術研發和評價標準制訂等工作帶來重要的意義和影響。

1.2 數字化技術的發展

隨著應用數學和計算機科學的飛速發展，使得數字化技術逐漸滲透到人們生活的方方面面。這一現象也引起了許多前衛建筑師的興趣，大量具有實驗性、未來感的建筑形式得以實現。但由于建筑設計學科的特殊性，數字化技術在建筑學方面的應用，相較于其它經濟、工業、軍事、航空航天等學科，還處于起步晚、基礎差、全面落后的處境。

在建筑設計方面，早期的數字化技術更多體現在方案設計圖及施工圖的CAD繪制、3DMAX效果圖渲染表達等輔助方式上，提高了工作效率和設計質量。近年來，隨著仿真模擬技術、建筑信息化模型等技術的發展，使得建筑師逐步從大量繁瑣的重復工作中解脫出來，可以將更多的精力投入到方案設計構思和設計問題的輔助分析等方面。其中，針對綠色建筑設計的數字化技術應用方面，總體來說存在兩種設計導向：一種是以建筑師為主導的形式表達；另一種是以技術和設備工程師為主導的模擬仿真和指標評價。由于其側重點存在的差異，往往會出現信息交流不暢，技術方法不統一等問題，因此，兼顧兩種設計導向，發揮數字化技術優勢，構建基于性能驅動下的綠色建筑優化設計方法便顯得尤為重要。

2 性能驅動優化設計方法

綠色建筑的性能驅動優化設計方法包含建筑問題決策和數字化技術應用兩方面內容。建筑問題決策屬于理論分析部分，通過對具體建筑問題的描述和分析，確立相應的研究對象及范圍，設計變量，模擬精度和優化目標。數字化技術應用屬于實踐操作部分，通過參數模型系統的構建，工具平臺的選擇和流程控制，實現綠色建筑性能驅動優化設計的數字化應用。

2.1 建筑問題決策

建筑是一個復雜的綜合體，它所涉及的問題種類繁多。為了能夠更好地將綠色建筑問題轉化為數字化技術應用問題，我們大體上可以將建筑的基本屬性特征進行“形”“域”“質”三類抽象化的描述（表1）。這其中，通過對屬性特征 “形”和“域”的分析，實現對具體性能問題中研究對象的描述，根據設計要求和規則，確定研究對象的設計變量及設計精度；而屬性特征中的“質”則體現其性能要求，以此來確定設計目的及優化目標。因此可以說，性能驅動綠色建筑優化設計方法就是以“質”為核心驅動因子，將其與“形”或“域”建立交互影響關系，通過數字化科學方法，實現 “形”“域”“質”三者的優化平衡結果。在整個設計過程中，三者之間在保持其獨立特征的同時，還體現出相輔相成、相互影響的關系，這也是造成建筑問題復雜性的根本原因。因此，當我們研究綠色建筑的復雜性問題時，我們更應該關注其關聯性，不要顧此失彼。面對如何發展綠色建筑的問題，早期的建筑師和學者們經過長時間的研究，通過大量的歸納整理和試驗分析工作，取得了豐碩的經驗和成果。這些都為綠色建筑性能驅動優化設計的決策奠定了堅實的基礎。

2.2 數字化技術應用

2.2.1 參數模型系統的構建

參數模型系統的構建是性能驅動優化設計的關鍵，是根據研究目的和要求把實際建筑問題轉譯成數字化模型問題的過程。參數模型具有兩個特征：一是描述性，參數模型不是實際建筑本身，不可能描述建筑的所用問題，而是依據研究目的描述建筑某方面的屬性特征；二是簡潔性，根據研究問題對系統要素進行合理、正確的抽象和簡化，而不是片面追求高分辨率模型，高分辨率模型不但會給模擬仿真過程帶來較大的負荷，甚至會對仿真結果帶來錯誤影響。

2.2.1.1 模型系統的類別

整個性能驅動優化設計框架是由不同層面的模型系統共同組成的。一個模型系統本身僅能回答設計框架中的部分問題，根據其作用的不同，可以分為應變系統和影響系統。應變系統是指對設計環境和影響因素做出相應反饋的模型系統，是參數模型系統的主體部分。影響系統是指對研究對象產生直接或間接作用的客觀因素，根據其影響作用的不同，可以分為驅動型和約束型。驅動型是影響系統中的積極因素，可以通過某種方式加以轉化和利用；而約束型是影響系統中的消極因素，很難受其他因素影響，對研究問題起阻礙作用。然而，系統類別的劃分也并非涇渭分明，有時也可能會出現類別轉化，或者在某一種模型系統中同時兼具兩種或兩種以上的類別特征的情況。

2.2.1.2 模型系統的要素

不同類別的模型系統是由各種模型要素所組成的。從面向對象的角度出發，可以依據建筑的基本屬性特征將研究問題轉譯為實體模型、空間模型和映射模型作為研究對象（圖1）。

（1）基于實體模型的問題描述可以分為兩類：一是強調實體本身構成形態的表現型實體，如外墻、屋頂、樓板、門窗等建筑元素；二是不關注實體本身的形態特征，而強調實體在某一時刻的狀態及實體間相互結構關系的邏輯型實體，例如粒子系統等。

（2）空間模型往往不具備獨立功能，需要基于實體模型提取出相應的空間模型，實現其實體化。

表1 建筑的基本屬性特征

圖1 建筑性能化問題的數字化轉換

（3）映射模型是對模擬仿真/優化結果的數據反饋。在某種程度上，將實體模型或空間模型所處的物理區域進行分組，分解為若干片段單元，這些片段單元之間互相同構或幾乎同構，通過描述每個片段單元的變化，進而可以理解整個模型系統的變化情況。這種映射模型對實體模型或空間模型的性能模擬結果反饋，被稱為映射，這在模擬仿真/優化的過程中起到了非常大的作用[1]。

綜上，通過模型系統類別和模型要素便可以建立較為完善的模擬仿真系統，依據研究問題側重點的不同，可以形成幾種不同的組合模式（表2），以滿足多種綠色建筑性能驅動優化設計的要求。

2.2.2 工具平臺的選擇

隨著計算機技術的高速發展，Windows操作系統取代了DOS成為PC主流操作系統，很多軟件操作也由原先的命令行形式轉變為更加便捷的圖形界面和操作窗口，大大提升了軟件的易用性。但當需要解決復雜性建筑問題時，就不得不面對兩類問題，即軟件當前操作界面不具備的功能和軟件根本實現不了的功能。針對這兩類問題，可以采用以下兩種方法嘗試解決。

表2 參數化模型模擬仿真系統的操作模式

（1）功能開發技術：通過軟件本身的開發語言或引用第三方代碼庫，擴展該軟件的功能。例如，SketchUp的二次開發語言是Ruby，Maya的二次開發語言是MEL和Python，Rhino的二次開發語言是VB-Script、C#和Python，以及Microsoft Visual Studio、PHP、eclipse等插件開發工具。

（2）接口技術：每個軟件在功能使用上都存在自身的優勢和不足，采用接口技術可以在不同軟件之間形成不同功能的“嫁接”關系，以便完成更加復雜的仿真模擬和優化操作。

但是，這兩種方法操作需要具備較深的數學知識和計算機技術，且容易消耗很大的人力和時間成本。因此，在技術平臺工具的選擇和使用上易應遵循以下3點：①選擇廣泛通用的軟件；②選擇具有強大二次開發的軟件；③充分利用開源社區。

2.2.3 流程控制

從數字化技術的角度來看，參數模型系統是數據參數的載體。性能驅動優化設計是指利用軟件工具平臺，依據特定要求和規則，采用相應的算法，實現數據參數的輸入、輸出、加工和管理等工作（圖2）。在整個流程控制的過程中，還要注意以下幾個方面。

（1）參數設置：依據系統對象和作用的不同，可以將參數分為初始參數、過程參數和目標參數。參數設置的大小與多少，將對整個設計的流程控制產生很大的影響。

（2）優化目標：針對建筑單一問題的目標優化求解問題是較為常見的，然而，在綠色建筑設計的過程中，更多問題屬于多變量、多目標問題，且很多變量和目標之間存在相互制約、相互影響的關系。因此，針對這一問題，可以分析不同設計目標在建筑問題中的影響權重，實現平均最優解的求解過程。

（3）流程控制的方向性：其本質是數據參數的回溯現象，即從數據參數的傳輸方向看，后面參數的變化是否對前面的參數產生影響及改變。現階段，大多數采用的是按照傳統順序分析的線性分析系統，針對具有明確量化目標的問題，可以嘗試參數回溯、反復迭代的循環分析系統。

圖2 性能驅動優化設計流程控制

3 實驗案例分析

針對上節性能驅動綠色建筑優化設計方法的理論基礎和技術應用的闡述，本節將通過一個實驗性案例分析，詳細說明在綠色建筑設計過程中，性能驅動設計方法是如何在建筑設計與性能需求之間實現數據參數自動循環，并利用智能優化算法工具實現多方案優選的過程。本案例不僅要考慮綠色建筑的某一項性能指標和要求，還要依據所處的地域環境，根據建筑需求，綜合考慮影響建筑設計的建筑形態、朝向、開口、層數等參數對建筑通風、采光、能耗等性能要求的綜合影響。

3.1 通風性能優化設計

1.10.1 線性范圍 按 1.8 和 1.9 項的方法制備標準曲線，平行操作 5 份，同時平行處理 5 份空白腦脊液樣品作為測定本底值，按 1.6 和 1.7 項的 UPLCMS/MS 條件連續進樣分析，以對照品濃度（X）為橫坐標，5-羥色胺和 5-HIAA 扣除本底后的峰面積與內標的峰面積比值（Y）為縱坐標擬合回歸方程。

進行建筑規劃時，建筑室外風環境狀況的變化會對區域的微氣候環境產生很大的變化，進而對建筑的室內環境和人的熱舒適度帶來很大的影響。對建筑室外風環境的計算，常常采用建筑的迎風面積比作為粗略判斷室外風環境優劣的指標。所謂建筑的迎風面積比，是指建筑物在某風向流動方向上的投影面積與該建筑物最大可能的迎風面積的比值。建筑的迎風面積比對風的阻擋面越小，越有利于環境通風。雖然實際情況下，建筑組團中不同風向建筑的擋風作用會造成下風向建筑的迎風面積比不確定（如后排建筑接受的局部風向、風速都會發生變化，它的迎風面積比也就不確定），但就總體而言，當一個建筑組團確定以后，該建筑組團的平均迎風面積比（即所處建筑組團內所有建筑物迎風面積比的算數平均數）一定是介于0～1之間的數值。因此，建筑組團的布局與調節環境的通風效果之間，完全可以建立一定的相關性。

3.1.1 建筑模型的構建

本案例擬定在一個140m×80m的矩形場地內，建6棟基地面積為15m×30m的長方體建筑體塊，建筑組團所處環境的夏季和冬季主導風向如圖3所示。為了通過調節每棟建筑的朝向來調節建筑組團的通風效果，每棟建筑以其中心為軸線，0°～45°作為角度調節參數的變化區間，進而通過水平旋轉改變每棟建筑的朝向。

3.1.2 建筑迎風面積比的計算方法

建筑迎風面積比計算公式：ξs=Fyf/Fyf·max。

式中，ξs—某棟建筑主導風向的迎風面積比；

Fyf—某棟建筑主導風向的迎風面積（m2）；

本案例采用Grasshopper for Rhino的參數化建筑設計分析軟件（圖3）。在建筑幾何模型中，生成一個以風向為法線方向的平面，再將單個建筑形體截面的對角點投影到該面上，計算兩個投影點的距離，求得此距離與該建筑形體截面對角點距離的比值，即為該建筑的迎風面積比。將每棟建筑的迎風面積比求和，再除以建筑的總棟數，即得出了該建筑組團的平均迎風面積比。該比值越小，其通風效果越好；反之，該比值越大，其通風效果越差。以此可調節建筑組團在夏季和冬季不同主導風向影響下的平衡。

3.2 采光性能優化設計

建筑單體的采光性能，尤其是自然采光性能對人的日常工作和生活會帶來很大影響。因此，窗墻面積比（穿墻比）是影響建筑節能計算的重要建筑設計參數。所謂窗墻面積比，是指窗戶洞口面積與室內單元面積之比。該比值越小，其節能效果越好。但由于減小了窗體面積，會降低建筑室內采光的效果，因此，需要在確立合理建筑窗墻比的基礎上，提高建筑室內環境的光照度，以改善人居環境的舒適性要求。為了保障建筑組團內每棟建筑采光性能的均好性，在模擬分析計算中，采用了求房間光照度方差的方式，力求使不同建筑房間采光效果的偏差不會太大。

本案例選取某個建筑房間的一側開窗，通過改變窗體面積所占單側墻體面積的比例，來調節房間室內的光照度。其中，窗墻比系數擬定控制在0.3～0.9的區間范圍內，采用基于Grasshopper for Rhino 開發的radianse建筑采光性能插件進行模擬分析（圖4）。

3.3 能耗性能優化設計

建筑能耗是衡量建筑綜合性能的重要指標。本案例擬定建筑的功能屬性為民用多層住宅，累計使用時間定為10h，配置完整的空調、冰箱、電燈等機械設備。選用了能耗軟件EnergyPlus的熱能耗分析功能，對該組團內部建筑的總熱能進行模擬計算，努力降低其熱量損耗，從而改善建筑的綜合性能指標（圖5）。

圖3 采用參數化建筑模型進行迎風面積比計算

圖4 采光性能分析

圖5 能耗性能分析

3.4 綜合性能優化設計

以上三類性能優化設計方法更多的是強調某項性能指標的優化。通過控制各自性能目標的要求并將三者結合起來，以獲取滿足綜合性能設計要求的多種設計方案供其選擇。本案例擬定的建筑模型調節參數是控制每棟建筑方位的旋轉角度和建筑表面的窗墻比系數，通過調節這兩個參數，力求獲得較好的夏季通風和采光，并降低能耗損失，從而在對其進行深化設計之前，進行科學、快捷和針對性較強的性能綜合判斷（圖6、7）。

圖6 基于Grasshopper的腳本代碼

圖7 綜合性能優化方案

4 結論及展望

參數模型系統的構建，即將綠色建筑問題轉化為數字化模型，是一種“自上而下”的設計過程。參數模型的模擬仿真/優化評估，則是對綠色建筑的性能進行反饋，是一種“自下而上”的設計過程。通過數字化技術將兩類設計過程結合起來，并同時采用量化指標評價和人的感性評價，進行適宜方案的選擇，這為綠色建筑設計和研究工作開辟了一條新的道路。但是，我們也要看到，由于該設計方法屬于多學科交叉領域，仍處于起步階段，還存在較大的缺陷和不足，今后還需要從以下幾個方面深入研究和思考。

（1）提高建筑理論研究的深度和廣度，為參數系統模型的建構提供理論支持。

（2）數字化集成優化設計的基礎是數學和計算機技術，只有加大對計算機應用技術和算法研發的投入，降低應用門檻，才能夠更好的為集成優化設計提供強大的技術保障。

（3）對實際項目要做好科學、有效的評價反饋，這樣可以為今后建筑設計優化策略的制定指引明確的方向。

[1]李群等編著.仿真模型設計與執行[M].北京:電子工業出版社,2010.(2).

Study on Optimization and Design of Performance Driven Green Buildings

Through abstract description of building basic properties, many problems involved in form and performance requirements of green building are translated into corresponding parameter model problem and simulation/optimization technology is utilized to solve the problems of multi-variable and multi-goal of green buildings.

digitization, basic building properties, performance driving, green building, integration and optimization

2016-08-29）

程光，同濟大學建筑與城市規劃學院，博士研究生；宋德萱，同濟大學建筑與城市規劃學院教授，博士生導師。