西安市辦公建筑多目標優化設計

田一辛，黃 瓊

(天津大學 建筑學院,天津 300072)

2001—2017年，公共建筑的建設量約占中國新建建筑的1/3，公共建筑能耗占比達44%，辦公建筑在公共建筑中占比較大[1].與20世紀80年代相比，當前公共建筑的建造水平和室內環境已有很大提高，因此建筑節能發展方向逐漸從措施導向轉變為性能效果導向，GB/T51161—2016《民用建筑能耗標準》為性能導向打下了基礎[2].Lee等[3]比較基于經驗法則和性能模擬兩類節能方法，得出前者設計偏線性，而后者能有效處理大量數據和非線性關系，提出應發展以性能為導向的設計方法.節能設計標準的提高與數字技術的普及也促進了性能導向節能建筑設計的發展[4].

建筑性能影響建筑形態，伴隨數字技術的發展將兩者整合，建筑性能還將成為影響建筑形態生成的重要因素[5].性能導向下的設計過程通常被分為幾何模型和性能模擬兩部分[6]，跨平臺交互復雜且耗時，造成模擬預測僅起到驗證作用[7].近年來，參數化設計平臺整合模擬技術的不斷發展，以參數化設計平臺Rhino/Grasshopper的Ladybug+ Honeybee (以下簡稱L+H)最為突出.南加州大學學者Konis等[8]利用L+H研究辦公建筑，以能耗和光性能為目標優化建筑形態.Villamil[9]設計的某研究中心，以太陽輻射量和遮蔽過量直射光為目標優化建筑立面.

性能導向下的辦公建筑節能設計是研究重點，基于L+H平臺進行耦合建筑光熱性能的模擬，本文利用正交實驗法進行多變量多目標優化，將性能模擬和優化整合到建筑方案設計流程中，解決建筑性能與建筑形態關聯不緊密的問題.以西安市某辦公建筑為例，分析氣候特征制定節能策略，從建筑形態、表皮和細部三方面進行節能優化設計，基于模擬的多目標優化有助于提高建筑師的設計效率和精度.

1 性能導向下的設計流程

建筑設計是分階段的迭代過程，方案設計處于初期，隨著設計進程的推進，建筑能耗和性能可優化余地越來越小，因此方案設計階段是決定建筑節能效果的關鍵[10-11].方案設計階段有建筑信息不完整和方案變動頻繁等特征，如果建筑師構思了節能策略，卻無法快速獲得性能評價，會影響建筑師的工作效率和思維連續性.在建筑方案設計過程中加入性能模擬，可快速獲得性能反饋，加深建筑形式與性能關系的認識，提高節能設計效率[12].

參數化模型是運用計算機技術描述設計問題的規則，從而生成多解及動態的方案，優勢是以一個模型對應一系列設計方案[13].建筑性能模擬是通過計算機技術對環境進行仿真，從而對其性能進行預測的方法[12].L+H是在參數化設計平臺整合風、光、能耗模擬引擎，避免了重復建模和多平臺交互，實現了多性能的耦合計算[14].利用Grasshopper平臺的TT Toolbox記錄優化過程的數據和方案模型，將數據和模型信息傳輸至多目標優化平臺DesignExplorer，輔助建筑師制定設計決策.

性能優化設計遵循設計、模擬及評價、優化的邏輯(如圖1所示).建筑性能與形式關系緊密且錯綜復雜，以層級的方式細化建筑性能設計.依照單體設計、表皮設計、細部設計逐層展開，分別以朝向、面寬、窗面積、遮陽百葉寬度、百葉傾角、百葉數量為變量.建筑性能包括能耗、自然采光性能、熱舒適度等，且性能目標之間存在矛盾關系.多目標優化算法擅長解決多變量多目標的尋優問題，且尋優搜索范圍較廣.利用多目標優化算法實現負相關性能目標的共贏，輔助建筑師制定設計決策.

圖1 基于數字技術節能設計框架

2 響應氣候的設計策略

2.1 適應寒冷地區的節能設計策略

建筑與自然環境共生，建筑節能設計響應當地氣候環境.利用Ladybug分析西安市的室外干球溫度，低于18 ℃的小時數占全年的59%，溫度高于26 ℃的小時數占比為15%，以低溫不舒適為主.辦公樓的使用時間是8∶00～18∶00，冬季最冷時段是集中在夜晚，夏季的高溫時段集中在白天，因此西安市辦公建筑設計要冬夏兼顧.

室外溫度、日照和光環境引起辦公空間溫度起伏和照度變化，因此需消耗能源維持辦公空間的舒適度[4].將氣象數據導入Ladybug，量化被動設計策略的各月有效時間比，適應西安市氣候的被動設計策略依次為內部得熱、被動太陽得熱、蒸發冷卻和夜間通風(如圖2、3所示).

圖2 西安市被動策略各月有效時間比

圖3 西安市氣候設計分析圖

Lodybug根據氣象數據計算出寒冷地區冬季太陽輻射量為234～316 Wh/m2，夏季太陽輻射量為551～629 Wh/m2，即光熱同期，太陽輻射得熱在冬季利于節能，在夏季則需控制，因此被動太陽能策略有時效性，遮陽設計可控制進入室內的太陽輻射量和阻擋直射光達到節能的目標.因此，適宜寒冷地區辦公建筑的節能策略是被動太陽得熱和遮陽設計的組合.

2.2 對比寒冷地區、嚴寒地區、夏熱冬冷地區的設計策略

對比寒冷地區(西安)、嚴寒地區(哈爾濱)、夏熱冬冷地區(上海市)的適宜的節能策略(如圖4所示)，被動太陽能得熱和內部得熱策略所占比例最高，但其時效差異較大.嚴寒地區是以低溫不舒適為主、夏季舒適度較好，主要解決保溫問題，利用內部得熱的時間長達6個月(4～10月).夏熱冬冷地區春秋季舒適度較好，除夏季之外都可利用內部得熱，

圖4 不同氣候區代表城市適宜被動策略時間百分比

利用被動太陽得熱是春季和秋季.寒冷地區春秋季舒適度與夏熱冬冷地區相似，但冬夏季氣候矛盾性比夏熱冬冷地區和嚴寒地區嚴重.寒冷地區的自然通風利用率低于夏熱冬冷地區、高于嚴寒地區.

3 西安市某辦公建筑多目標優化設計

3.1 西安市某辦公建筑項目概況

西安市某辦公樓項目的標準層面積為1 300 m2(面積上、下浮動5%)，層數為15層，總建筑面積小于2萬m2，場地周邊建筑以辦公樓和住宅為主.辦公樓接收太陽輻射增益量從大至小依次是屋頂、南立面、東立面和西立面、北立面.屋頂因無遮蔽，太陽輻射得熱量很高.西安市的最佳朝向是南向，場地南向建筑較低矮所以對建筑接受太陽輻射的影響較小，場地西向的樓對項目有所遮擋所以得熱量較低(如圖5所示).接收日照時長從大至小依次是屋頂、南立面、西立面和東立面、北立面(如圖6所示).

圖5 周邊建筑對場地及建筑輻射強度的影響

圖6 周邊建筑對場地及建筑日照時間的影響

建筑形態尋優是以建筑的太陽輻射增益量最大為目標，根據太陽軌跡和周邊建筑對場地的日照遮擋計算太陽輻射增益量，約束條件是標準層面積小于等于1 300m2，以朝向(0°～90°，步長為15°)和面寬(30～42 m，步長為3 m)為變量.建筑是42 m×30 m×60 m時太陽輻射增益量最大(1 515 800 kWh/m2·a)，以公共建筑節能設計標準的典型辦公建筑(正方形)為基準模型(太陽輻射增益量是1 466 100 kWh/m2·a)，優化辦公建筑比典型辦公建筑的太陽輻射增益量提高了3.4%.

3.2 辦公建筑性能評價指標

低能耗辦公建筑的設計目標是降低能耗且保證自然采光.評價指標是分析性能和能耗的重要媒介和標準[15]，本文選取空間全天然采光時間百分比、全年光暴露量為性能評價指標.空間全天然采光時間百分比(spatial daylight autonomy,sDA)表示空間接受充足天然光的比例，即空間水平照度計算點在一年中超過50%的時間僅在自然光照射下就達到300 lx的比值[16]，該指標受氣候、朝向、窗墻比、玻璃材料特性、房間特性的影響.全年光暴露量(annual sunlight exposure，ASE)表示接受過多太陽直射的工作面面積百分比，1 000 lx以上的光照，且全年時長大于250 h被認為是過多太陽直射，會引起眩光或增加制冷能耗.高性能光環境是自然采光充足且避免眩光，因此LEEDv4和北美照明工程協會采用sDA和ASE作為光性能評價指標[17].空間全天然采光時間百分比和全年光暴露量雖然是相對較新的動態自然采光性能評價指標，因易于理解和分析，實用性較強，已廣泛應用于工程實踐中并獲得認可[15].

建筑能耗一般是單位面積的采暖、制冷、人工照明和設備能耗之和，但設備能耗多根據面積和設備功率密度計算，與建筑的光熱性能無直接關聯，因此本文的建筑總能耗是采暖、制冷和照明能耗之和.

3.3 辦公建筑性能模擬

辦公建筑光性能模擬是采用Radiance為模擬引擎，采用反向光線追蹤，氣象數據采用EnergyPlus的epw格式數據.光環境模擬是基于建筑幾何模型(周邊環境、建筑物形體、功能布局)、天空模型、模擬時段、建筑材料光學屬性、人工照明功率、網格尺寸等做計算.光環境模擬輸出的評價指標包括照度、空間全天然采光時間百分比、全年光暴露量、人工照明運行時間表等.

辦公建筑能耗模擬是采用EnergyPlus為模擬引擎，受周邊環境、功能分區及相應負荷、人員在室率、人工照明運行時間、自然通風和HVAC等影響，需要設置圍護結構熱工性能、照明、設備及人員工作時間等參數.辦公建筑圍護結構熱工參數設置見表1，在室率和其他相關參數參照GB50189-2015《公共建筑節能設計標準》設置，如照明功率密度設置為9 W/m2，人均建筑面積10 m2/人，辦公建筑供暖區室內溫度是20 ℃，空調區室內溫度是26 ℃.

表1 模擬參數設置

單目標優化是以能耗或光性能為目標，僅做能耗或光性能模擬.多目標優化需兼顧能耗和光性能，應采用耦合自然采光的能耗模型，以便綜合平衡光性能和能耗.能耗模擬引擎OpenStudio集成EnergyPlus和Radiance，將室內自然采光的照明時間表用于能耗模擬.以各朝向窗墻比均為0.4的辦公建筑為例，分別進行自然采光和能耗模擬(如圖7所示)，sDA為55.2%、ASE為49.1%，總能耗是98.3 kWh/m2.多目標優化采用耦合自然采光的能耗模擬，光性能模擬結果無變化，利用自然采光降低總能耗，總能耗降至82.2 kWh/m2(降低15.4%).

3.4 多目標優化

優化是使設計或決策盡可能有效的過程或方法，建筑設計和研究中常用的優化方法有實驗法、對比法、數學優化等.遺傳算法最初由Holland提出，逐漸被應用于各個領域，建筑界最早的應用可追溯至1980年[18].遺傳優化算法是在解空間中搜索相對最優解集，根據解空間中不同方案呈現的性能水平，在迭代運算過程中逐步剔除不利于性能改善的設計參數，而將利于性能改善的設計參數保留入下一次迭代計算.

DesignExplorer(以下簡稱DE)是采用正交試驗法的多目標優化工具.正交試驗設計法是遺傳算法的一種特例，即它的初始種群固定、只使用定向變異參數、只進化一代.利用Grasshopper的TT Toolbox編寫程序，記錄正交實驗的優化過程，生成包含所有方案的設計變量、性能指標、形態信息的數據庫文件.DE將數據和模型信息以平行坐標圖、圖片等方式可視化，便于建筑師直觀設計變量和性能目標的關系(如圖8所示)，為建筑師提供綜合選擇權.

窗設計不但影響建筑外觀，也是室內外傳遞能量最頻繁的部位.辦公建筑各朝向接收日照和太陽輻射得熱量的差異大，各朝向適宜的窗面積不同，因此表皮尋優以各朝向窗墻比為變量，窗墻比值域是0.4～0.8，步長0.2.優化目標是總能耗、全年光暴露量、空間全天然采光時間百分.通過觀察DE的平行坐標軸，窗墻比與sDA呈正比，與ASE呈反比.表皮優化方案是南向窗墻比為0.6、其他朝向窗墻比為0.4，總能耗為84.2 kWh/m2，sDA為63.3%，ASE為52.4%.

無遮陽的窗戶在冬季會引入過量的太陽輻射和直射光，造成溫室效應且發生眩光的機率高，夏季若因太陽輻射造成制冷能耗大于節省的照明能耗就得不償失.因此，在細部設計階段，以室外遮陽百葉的葉片方向、寬度、數量、傾角為變量，以總能耗和光性能為目標優化東、西、南向的室外遮陽百葉.優化結果是3個朝向百葉數量均是10、南向水平百葉寬0.4 m、西向水平百葉寬0.6 m、東向垂直百葉寬0.6 m(傾角是-30°)時，總能耗是81.9 kWh/m2，sDA為49.7%，ASE為15.9%，在之前窗墻比優化的基礎上總能耗降低3%，ASE降低36.5%，sDA沒有明顯下降(如圖9所示).

圖8 DesignExplorer展示所有方案及參量與性能之間的關聯圖

圖9 性能導向下的建筑形態生成

4 結 論

1)基于參數化設計平臺Rhino/Grasshopper搭建辦公建筑設計、模擬評價、優化的設計流程.在方案階段進行性能優化設計，利用L+H做耦合光性能的能耗模擬，為建筑師提供性能的及時反饋；利用DE做多目標優化，實現負相關性能目標的共贏，輔助建筑師制定設計決策.

2)西安市氣候雖然以低溫不舒適為主，但冬夏季氣候矛盾性比夏熱冬冷地區和嚴寒地區更嚴重，因此該地區辦公建筑設計要冬夏兼顧.基于西安市氣象數據量化被動設計策略，適宜該地區的被動設計策略依次為內部得熱、被動太陽得熱、蒸發冷卻和夜間通風.

3)與典型正方形辦公建筑相比，形態優化獲取的最優方案的太陽輻射增益量提高3.4%.多目標優化采用耦合自然采光的能耗模擬，窗墻比和遮陽百葉優化設計有效平衡光性能和能耗.遮陽百葉優化設計在窗墻比設計基礎上將總能耗降低3%，全年光暴露量降低了36.5%，空間全天然采光時間百分比下降不明顯.