基于環(huán)境性能模擬的歷史建筑更新設計優(yōu)化研究*

史立剛 蔣欣彤 李玉青 陶露露 SHI Ligang, JIANG Xintong, LI Yuqing, TAO Lulu

0 引 言

作為當代的國際學術熱點，特別是近年來我國建筑界由增量時代轉向存量時代，舊建筑的更新改造成為我國建筑內(nèi)涵式增長的關鍵。教育類歷史建筑承載著歷史文化、情感需求和實際的教育功能，其“盤活存量，做優(yōu)增量”的改擴建更新受到廣泛關注。縱觀當前我國的歷史建筑改擴建更新，建成環(huán)境性能低效、高能耗、使用者舒適度待提升的問題亟待解決。因此探索雙碳戰(zhàn)略目標下的歷史建筑更新優(yōu)化方法是當代建筑發(fā)展的關鍵突破口。本文擬以哈爾濱工業(yè)大學土木樓改擴建更新為例，探討教育類歷史建筑更新的形體生成邏輯和建筑環(huán)境優(yōu)化規(guī)律，進而凝練出基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化設計方法。

1 歷史建筑改擴建理論研究現(xiàn)狀

作為當今城市建設轉入存量提升階段的重要議題，針對歷史建筑改擴建更新的研究和討論日益豐富，例如對其改擴建形式、方法與原則理論的引介和探索[1-3]，其中楊昌鳴等[4]提出滿足建筑功能、空間容量擴展或者不定型轉變，調(diào)和兩種需求的模式原則；和馬町[5]等提出“混合體”與“盒中盒”兩種更新擴建模式；再如改造后的價值與影響認知，王蔚等[6]在歷史建筑改造推動社區(qū)微更新的策略與模式上開展探索研究。此外，徐宗武[7]、何鏡堂[8]等學者針對近代歷史建筑的保護理念、改造更新技術體系與策略展開研究。在改擴建更新中結合綠色建筑技術日趨成為當下歷史建筑更新的焦點問題。

第一，提升室內(nèi)環(huán)境性能。徐小東等[9]建構出當下產(chǎn)業(yè)類歷史建筑改造再利用中建筑形體分級改造、功能布局優(yōu)化與空間氛圍營造的設計策略；左琰[10-11]解析出提高外維護系統(tǒng)、采用地源新風技術、設備智能化以改善歷史建筑環(huán)境性能，并提出了歷史建筑保護與利用的節(jié)能評價方法和步驟。

第二，降低能耗。錢鋒等[12]提出歷史建筑生態(tài)節(jié)能改造方法；劉啟波[13]確立了高校歷史建筑節(jié)能高效原則；圖爾坎·戈克薩爾·奧茲巴爾塔（Turkan Goksal Ozbalta）[14]創(chuàng)建了建筑能源模型，進而提出公共歷史建筑兼顧能源效率和成本最優(yōu)水平的設計措施；洪烽桓等[15]提出了建筑師主導下基于能耗模擬的建筑形體與空間組織節(jié)能設計流程。

第三，提高使用者舒適性。杜曉輝[16]通過模擬手段評估天津原大陸銀行改造后節(jié)能與提高室內(nèi)熱舒適的有效性；曲柯（Ke Qu）[17]針對歷史建筑改造的各種被動式改造措施的節(jié)能潛力、經(jīng)濟性和熱舒適性能進行評估。

綜上可知，我國已開始在綠色建筑技術和歷史建筑改擴建領域開展項目實踐與理論研究，但目前仍多限于單一案例、技術應用原理等研究，尚缺乏定量化、類型化、地域性的設計方法研究。

2 哈工大土木樓改擴建更新設計

2.1 設計背景

哈工大土木樓位于哈爾濱市南崗區(qū)，于1953 年建成，具有歐洲古典復興形式的建筑風格，為哈爾濱市二類歷史保護建筑。參照普通高等學校建筑規(guī)劃面積指標[18]，其作為建筑學院教學樓，生均教室面積4.2 m2，遠未達到規(guī)范要求。

通過實地問卷調(diào)研獲取受試者活動習慣與使用需求，受試者選定為哈工大土木樓在校師生。共計發(fā)放問卷71 份，有效問卷數(shù)69份，有效率97.2 %。問卷分為四個部分。第一部分為受試者基本信息，包括性別、所在年級、職業(yè)等；第二部分為土木樓現(xiàn)狀評價，包括土木樓氛圍評價、功能空間評價、整體滿意度評價等；第三部分為土木樓兩翼內(nèi)院使用情況調(diào)查，包括活動頻率、活動種類、景觀評價、整體滿意度評價等；第四部分為改造意向調(diào)查，包括專教類型傾向、功能空間補充需求等。調(diào)查結果顯示師生在土木樓兩翼內(nèi)院的活動頻率較低，以通行為主，更傾向于私密或半開放的專教類型，現(xiàn)有的自習研討、休憩與活動空間、半私密空間等均無法滿足師生日漸增長的使用需求。教學模式的升級最終對教學空間提出了新的需求，教學空間的范圍也不止局限于單個教室組成的教學區(qū)內(nèi)[19]。整體來看，由于師生數(shù)量的擴張，哈工大土木樓的“E”字形平面布局已無法滿足師生日漸豐富的行為活動需求，現(xiàn)擬加建一個陽光大廳，將土木樓建筑面積增加約10 000 m2（圖1）。

圖1 基地規(guī)劃示意圖Fig.1 base planning sketch

由于原土木樓結構與立面均保留完整，本設計決定采用輕盈的玻璃通透體量與原土木樓形成新舊對比，最大限度地保證原土木樓風貌的可視性。為追求新建陽光大廳的通透感與整體性，要求其空間尺度與組織關系切合原土木樓，結構體系清晰明確、輕盈且貼合體量。

2.2 拓撲學和圖解靜力學方法

20世紀90 年代以來，建筑師與結構工程師的傳統(tǒng)合作模式通常表現(xiàn)為建筑師定義建筑造型，結構工程師進行后期合理化處理，這導致的建筑形式與結構形式嚴重分離廣受詬病[20]。近年來，拓撲學與圖解靜力學均由二維向三維發(fā)展，其普遍適用性愈加增強，對建筑的結構與空間形態(tài)設計綜合發(fā)展的指導意義愈加突出。

所謂拓撲學是近代發(fā)展起來的一個數(shù)學分支，用來研究各種“空間”在連續(xù)性變化下不變的性質(zhì)[21]。網(wǎng)格拓撲變化既可以保證建筑空間秩序關系不變的同時又改變了空間的形態(tài)和大小[22]。圖解靜力學是一種以全圖形化的思維方式為基礎，根據(jù)結構內(nèi)部應力傳遞進行設計的手法[23]。圖解靜力學利用圖解法可作為一種雙向設計驅動因素，平衡結構體系與其形體的關系[24]。其由力到形的過程可以極大地對結構進行優(yōu)化，同時可以得到形式多樣的桁架形態(tài)，且這些桁架均處于受力平衡狀態(tài)，可以很好地應用到實際結構中去[25-27]。

2.3 體量生成

在本方案設計中，擬采用拓撲學與圖解靜力學結合的方法生成新建體量（圖2）。首先，根據(jù)各功能的空間布局及面積大小需求，在原土木樓內(nèi)院分別置入自習研討、休憩、展覽與中心大廳等功能體塊，生成線性空間體量。在此基礎上，結合原土木樓空間尺度與組織模式，延續(xù)大空間尺度，遵照功能體塊組織秩序，利用拓撲思維將線性空間體量轉變成整體的非線性空間體量。

圖2 體量生成示意圖Fig.2 schematic diagram of building mass generation

對于具體的設計場景，結構形態(tài)需要在滿足自身平衡的同時，回應場地與功能等問題，形成兼具力學合理性與建筑文脈對話性的形態(tài)[28]。體量生成的最后一步，即需要結合結構體系的選擇與優(yōu)化以修正非線性空間體量。利用玻璃透明的庇護功能，連接歷史建筑或覆蓋原有建筑的庭院，可以在對原有建筑影響較小的情況下達到對建筑空間的擴展[29]。結構體系力求與建筑形態(tài)一體化設計，采用空間網(wǎng)架結構，力求輕盈與簡潔，通過靜力學算法，在構建結構骨架的同時，修正非線性空間體量，盡最大程度使結構桿件內(nèi)部受力均為軸向以減少彎矩，縮減結構斷面尺寸，提高結構效率（圖3）。

圖3 基于grasshopper平臺的更新設計邏輯Fig.3 updated design logic based on the grasshopper platform

3 室內(nèi)熱環(huán)境評價標準及性能模擬

3.1 室內(nèi)熱環(huán)境評價標準

在透明圍護結構材料使用較多的高大空間中，夏季室內(nèi)人員的熱舒適受太陽輻射以及室內(nèi)高溫壁面的影響較大[30]。由于設計引入了大面積玻璃材質(zhì)的陽光大廳，可能存在熱環(huán)境方面問題，因而需要進一步優(yōu)化。盡管哈爾濱屬于嚴寒地區(qū)，但非采暖季室外溫度最高也可達到30℃左右，太陽輻射量大、壁面溫度高，均會導致室內(nèi)過熱，進而影響人員熱舒適。

本文根據(jù)我國《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標準》中非人工冷熱源建筑內(nèi)I級舒適體感溫度的評價方法[31]對逐月不舒適時間占比進行計算[32]，進而評價室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣（表1）。

表1 哈爾濱自然通風建筑室內(nèi)體感溫度Ⅰ級舒適區(qū)間/（℃）Tab.1 Harbin natural ventilation building indoor body temperature comfort zone Ⅰ/ ℃

3.2 計算機模型建立

本研究計算模型采用Rhinoceros3D建模平臺及Grasshopper插件輔助建立，按1∶1的比例導入Ecotect Analysis軟件，并在Ecotetc軟件中，重新賦予圍護結構相應材質(zhì)（表2）。

表2 建筑模型圍護結構主要材料及相關參數(shù)Tab.2 main materials and related parameters of building model envelope

模擬計算域尺寸為125 m（W）× 105 m（L），X方向與Y方向各均分32 格，位置距一層地面1.5 m，分析界面為垂直地面向上（圖4）。網(wǎng)格中采用等值線的呈現(xiàn)方式以直觀了解模擬數(shù)據(jù)。因本文僅討論新建體量的室內(nèi)熱環(huán)境，故沿新建體量劃定熱量區(qū)域，設定為indoor，方便后期進行數(shù)據(jù)分析。

圖4 模擬計算網(wǎng)格所在位置示意圖Fig.4 schematic diagram of the location of the simulation calculation grid

3.3 模擬條件設定

本研究從氣象數(shù)據(jù)、模擬時段和人員作息時間表等方面對模擬的邊界條件進行了限定。研究采用Weather tool提供的CTYW典型氣象數(shù)據(jù)，為氣象站多年實測氣象數(shù)據(jù)利用插補法獲得的逐時氣象參數(shù)，哈爾濱（126.8°E，45.8°N）作為嚴寒地區(qū)的典型城市，非采暖期為5—9月。

調(diào)研結果顯示，由于建筑學院學生學習生活作息的特殊性，教學樓內(nèi)人員在室周期較長，人員日常在室時段為早上6:00至次日凌晨2:00，集中周期間人員在室時段可達24 h。因此，以學期非集中周時間段師生的作息情況為研究條件，設定新建體量內(nèi)人員的逐時在室率。本文擬研究非采暖期、無設備狀態(tài)的室內(nèi)熱舒適情況，根據(jù)調(diào)研設定人體衣著量（短袖長褲狀態(tài)）為0.6 clo，代謝率設置為學習狀態(tài)（70 W），氣象條件選取全年最熱日平均值。

4 模擬結果與優(yōu)化設計策略

4.1 初步方案模擬結果

觀察平均太陽輻射溫度分布圖（圖5）與日逐時溫度曲線（圖6）可知，室內(nèi)溫度在師生活動主要時間段內(nèi)均高于室外溫度，且相較于室外溫度波動較大，尤其中庭區(qū)域的熱環(huán)境相當惡劣。這是由于在本方案中，除門外無其他可開窗扇，室外空氣幾乎無法進入室內(nèi)，空氣流動效果不佳；由于太陽輻射對玻璃透明體量影響較大，中午日照強烈，中庭區(qū)域無有效遮擋，形成“溫室效應”，導致室內(nèi)溫度不斷升高，超出熱舒適范圍。

圖5 平均太陽輻射溫度分布圖Fig.5 average solar radiation temperature distribution map

圖6 日逐時溫度曲線Fig.6 hourly temperature curve

對于非采暖季來說，防止室內(nèi)過熱的需求大于防寒保溫需求，盡管冬季對通風的需求減少，可利用“溫室效應”調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)熱舒適質(zhì)量，但夏季應盡量避免受其影響，利用被動式設計策略調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度至人體舒適溫度，防止室內(nèi)過熱問題的出現(xiàn)。

4.2 焓濕圖及優(yōu)化方案設定

利用Weather tool軟件中的被動式設計分析模塊，對比各種被動式策略對室內(nèi)舒適度的改善效果。圖中紅色柱狀表示采用被動式策略后的舒適區(qū)域占比，黃色柱狀表示未采用被動式策略舒適區(qū)域占比（圖7）。在六種被動式設計策略中，高熱容及夜間通風、高熱容材料、自然通風等三種策略在哈爾濱非采暖季（5—9 月）效果最為顯著，由此說明自然通風設計與熱量設計的重要性。具體對策如設置可開合窗扇（包括天窗與側窗），但其改善舒適度有效性易受環(huán)境溫度與最大風速限制；兼顧盡量避免過渡季節(jié)直射光的不利影響，采用遮陽構架策略，如建筑遮陽裝置或百葉窗等；針對早晚溫差大的地區(qū)，采用高熱容與夜間通風策略，如采用高效的圍護結構，并在洞口處設置遮陽材料，日間盡量減少熱量的進入與蓄積，夜間利用自然空氣流動降低建筑自身日間所吸收的熱量。

圖7 不同被動式策略分析對比Fig.7 analysis and comparison of different passive strategies

針對上述的具體改善措施，本文重點討論針對遮陽有無、天窗開合與否及是否有上舷窗等條件的室內(nèi)熱舒適模擬優(yōu)化設計，共計五組方案（表3）。在優(yōu)化模型中，兼顧整體體量的通透性和技術適用性，遮陽方式設定為內(nèi)遮陽，在無天窗的頂界面部分設置電動天棚遮陽簾，透光系數(shù)為0.29，太陽吸收率為0.51。

表3 模擬實驗模型基本信息Tab.3 basic information of simulation experiment model

4.3 優(yōu)化方案熱環(huán)境模擬結果

經(jīng)過優(yōu)化前后，四組方案的平均太陽輻射溫度分布圖（表4）和非采暖季逐月過熱不舒適時間占比（圖8），可以看到在7—9 月差距較為顯著。比較優(yōu)化方案與原方案的模擬結果發(fā)現(xiàn)，天窗開啟面積占頂界面面積增至15.3%時，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例增長0.4%；遮陽面積為頂界面面積71.8%時，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例降低2.46%；與此同時，天窗開啟面積占比增至28.2%，側界面上舷窗占比1.8%時，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例降低2.19%。開關天窗對逐月過熱不舒適時間占比影響不大，有無遮陽在夏季即7—9 月對其影響較為顯著。天窗開合即自然通風的影響較設置遮陽的影響偏小，這是由于玻璃體量的被動式得熱量主要來自直接太陽輻射。同時，由于采用熱壓通風原理，在中庭處開設天窗，內(nèi)遮陽設置于無天窗的頂界面區(qū)域，中庭區(qū)域仍無有效遮擋，因此中庭區(qū)域的平均太陽輻射溫度仍然較高，導致整體室內(nèi)逐月不舒適時間占比優(yōu)化效果不夠顯著。

表4 各優(yōu)化方案平均太陽輻射強度分布圖示Tab.4 average solar radiation intensity distribution of each optimization program

圖8 逐月不舒適時間占比（過熱）Fig.8 proportion of monthly uncomfortable time (overheating)

綜合以上對比結果，在本方案中宜設置內(nèi)遮陽以調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)熱舒適狀況。

4.4 優(yōu)化方案風環(huán)境模擬結果

空氣流動是影響人體熱舒適的六個主要因素之一，也是一種低能耗的夏季舒適提供方式，可補償環(huán)境溫度升高[33]。適宜的空氣流速有助于人體的對流和蒸發(fā)散熱，提高室內(nèi)熱環(huán)境水平，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，使人保持身心愉悅，提高工作效率[34]（表5）。定義室內(nèi)風速低于0.2 m/s的區(qū)域為靜風區(qū)，即不會對人體熱舒適產(chǎn)生影響；風速介于0.2～0.5 m/s為中風區(qū)；風速大于0.5 m/s的為高風區(qū)；靜風區(qū)的范圍越少，中風區(qū)及高風區(qū)的范圍越大，自然通風情況越好[35]。本節(jié)擬討論天窗與側立面上舷窗開合對室內(nèi)風環(huán)境的影響，以天窗關閉且設置遮陽的方案C為對照組，與方案D和方案E進行對比討論。

表5 風速對人體作業(yè)的影響Tab.5 the effect of wind speed on human work

風環(huán)境模擬沿用Ecotect Analysis軟件及哈爾濱CTYW典型氣象數(shù)據(jù)，載入winAIR4風環(huán)境模擬分析插件作為實驗平臺。根據(jù)氣象局所提供的歷年哈爾濱各城區(qū)氣象數(shù)據(jù)，設定夏季主要風向為西南風22.5°，平均風速為3.15 m/s[36]。設定高于室內(nèi)地面一層平面1.5 m處為分析平面，因網(wǎng)格精度對風環(huán)境模擬結果影響顯著，但網(wǎng)格精度過高也會導致計算效率降低，故進行風模擬前應先完成網(wǎng)格獨立性檢驗。研究選取3 組網(wǎng)格細分尺寸，在相同邊界條件下進行風環(huán)境模擬（表6）。當網(wǎng)格密度持續(xù)加大時，如模擬結果未發(fā)生明顯變化，即表示達到較為優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格劃分情況。由分析圖可知，可采用中等網(wǎng)格密度劃分。

表6 不同方案風環(huán)境模擬結果Tab.6 wind environment simulation results of different scenarios

對比分析三組方案的風環(huán)境模擬結果（表6），盡管開啟天窗與側立面上舷窗，室內(nèi)風速仍然較低，風速相對較高區(qū)域主要分布于中庭及門窗區(qū)域；左內(nèi)院中庭區(qū)域空氣風速相對較大，這是由于在非采暖季主要受到西南22.5°風的影響。模擬結果分別顯示：

第一，對照方案C無窗扇開啟，僅有主入口大門可開啟，靜風區(qū)占比較大，不利于室內(nèi)空氣的流動，易引起身體不適，使人感到煩悶。

第二，優(yōu)化方案D天窗與側立面上舷窗均開啟，室內(nèi)平均風速在三個方案中最大，為0.13 m/s。室內(nèi)區(qū)域風速主要處于0.04～0.55 m/s之間，此區(qū)間風速不影響人工作，且有利于人保持身心愉悅。但同時由于側立面上舷窗的開啟，在窗口區(qū)域出現(xiàn)局部較大風速，為0.74 m/s，需要注意防止紙張吹散。

第三，優(yōu)化方案E中僅開啟天窗，室內(nèi)風速分布較為均勻，但由于減少了側立面上舷窗進風口的設置，室內(nèi)風速相對較小，中庭區(qū)域風速處于0.04～0.18 m/s之間，此區(qū)間風速不易被人察覺。

哈爾濱作為嚴寒地區(qū)典型城市，需要在防寒保溫的基礎上兼顧非采暖季的室內(nèi)舒適狀況，因此遮陽面積與窗戶的數(shù)目及其可開啟有效面積不可無限制地增加。對比以上模擬實驗結果，在本方案的優(yōu)化設計中，綜合美學要求、功能布局與全年室內(nèi)舒適需求，選取方案D為最佳方案，設置內(nèi)遮陽、可開啟天窗與側立面上舷窗，以輔助室內(nèi)通風，減少太陽輻射得熱，改善室內(nèi)熱舒適狀況與風環(huán)境水平。

本文以哈工大土木樓改擴建方案為例，基于兼顧結構合理性與歷史建筑自身文脈的形體生成邏輯，提出設置可開啟天窗、遮陽和上舷窗等具體策略，嘗試整合凝練出基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化方法，以期推進前策劃—后評估的建筑全壽命設計效能提升，對目前存在的建成環(huán)境性能低效、舒適度待提升等問題提出改進策略（圖9）。鑒于本文基于通透表皮結構改造策略的預設，太陽輻射對其室內(nèi)物理環(huán)境影響較大，導致后期環(huán)境改善效果受限于表皮的組合策略，且物理環(huán)境策略的實施僅采用計算機模擬評估驗證，尚需內(nèi)部空間實測數(shù)據(jù)的驗證。

圖9 基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化方法流程Fig.9 process of optimization method of historical building renewal based on performance simulation

5 結論

本文以哈工大土木樓加建陽光大廳改擴建設計為例，利用功能空間與結構、環(huán)境耦合的方式，研究基于環(huán)境性能的歷史建筑更新環(huán)境優(yōu)化規(guī)律。一、基于Rhinoceros與Grasshopper平臺，結合拓撲思想與圖解靜力學理論，提出了基于環(huán)境性能和結構性能的建筑形態(tài)優(yōu)化設計方法；二、運用Ecotect軟件模擬哈爾濱非采暖季期間哈工大建筑館新建陽光大廳的室內(nèi)風熱環(huán)境，針對本方案提出設置內(nèi)遮陽、可開啟天窗及側立面開窗的設計策略，以期提高室內(nèi)環(huán)境性能。鑒于本研究尚處于方案階段，缺乏內(nèi)部空間的環(huán)境測試對比，因此方案的實際效果有待進一步驗證，本文提出的基于風熱環(huán)境模擬的優(yōu)化設計方法旨在為歷史建筑改擴建提供理論指導。

圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1：程征, 亓曉琳, 張培峰, 等.體育館自然通風降溫潛力評估及優(yōu)化策略研究[J].建筑與文化, 2019, 189(12): 196-197.

表2-4、6：作者繪制

表5：朱唯, 狄育慧, 王萬江, 等.室內(nèi)環(huán)境與自然通風[J].建筑科學與工程學報, 2006, 23(1): 90-94.