建筑設計中的綠色建筑設計理念及要點分析

莊麗娜，林 杰

（1.日照市建筑設計研究院有限公司，山東 日照；2.山東魯勘工程設計有限公司，山東 濟南）

引言

近年來，全球氣候變化和環境污染問題不斷凸顯，對環境保護和可持續發展的呼聲越來越高。作為建筑師，如何在設計中考慮環境、經濟和社會可持續性，成為當前熱門話題。綠色建筑設計作為一種新的建筑設計理念和方法，已經得到了廣泛的應用和推廣[1-2]。綠色建筑是一種在建筑設計中考慮環境、經濟和社會可持續性的方法。隨著人們對環境保護和可持續發展的意識不斷增強，綠色建筑的概念越來越受到人們的重視[3]。綠色建筑設計通過優化建筑的能源利用、材料選擇、室內環境質量等方面，使建筑在使用過程中盡可能少地對環境造成負擔，同時提高建筑的舒適性和可持續性[4]。

綠色建筑設計需要評估許多個潛在的設計備選方案，以獲得最有前景的解決方案，而設計中的變量包括概念設計階段的許多參數，這些參數對建筑性能有關鍵影響，因此本文介紹用于解決優化問題的多目標遺傳算法。最后以一個案例為例子，說明了多目標遺傳算法在綠色建筑設計中的應用。

1 綠色建筑設計的要點

1.1 節能設計

節能是綠色建筑設計的核心要點之一。建筑能耗占據全球總能耗的近一半，因此減少建筑能耗對于環境和可持續性發展具有重要意義[5]。以下是一些節能策略。

（1）優化建筑朝向和形態，充分利用自然光和自然通風，減少對人工光照和空調的需求；（2）采用高效的隔熱材料和節能設備，如高效節能燈具、節能空調等；（3）使用可再生能源，如太陽能、風能等，滿足建筑的部分能源需求；（4）采用智能化控制系統，對建筑設備進行精細化管理，減少能源的浪費。

1.2 節水設計

節水是綠色建筑設計的另一個重要要點。全球水資源日益緊缺，因此減少建筑的用水量對于環境和可持續性發展具有重要意義。建筑設計中常用的節水措施如下。

（1）采用節水設備，如節水型馬桶、節水型水龍頭等；（2）采用雨水收集系統和灌溉系統，利用雨水進行植物的灌溉和建筑的清洗等；（3）優化建筑的景觀設計，采用低水耗植物，減少澆水量；（4）采用水回收系統，將污水經過處理后再利用于灌溉等非飲用用途。

1.3 材料選擇理念

材料選擇是綠色建筑設計中至關重要的一環。合理選擇材料不僅可以減少對環境的污染，還可以延長建筑的使用壽命，減少建筑的更新和維護成本[6]。以下是一些材料選擇策略。

（1）選擇可再生和可降解的材料，如竹木材、生物質材料等；（2）選擇節能、環保、低碳的建筑材料，如低VOC（揮發性有機物）涂料、再生木材等；（3）選擇具有較高環境適應性的材料，如耐久性較強、適應性廣的材料。

2 基于火用指標的建筑生命周期評估

本優化研究中考慮的影響類別應包括自然資源消耗、全球變暖、酸化和臭氧消耗，而不考慮其他局部和瞬態影響，如生態毒性和光化學煙霧。本文所考慮的排放僅限于三種主要的溫室氣體和兩種主要的酸性氣體。火用（exergy）是“當系統從給定狀態過渡到與環境平衡時，可以從由所研究的系統和環境組成的組合系統中提取的最大理論功”。與能量不同，由于過程的不可逆性，火用總是會被破壞。火用是一個廣泛的屬性，一旦指定了環境，其值就由系統的狀態決定。

本文將火用納入建筑生命周期評估問題中，視為評價生命周期環境影響的統一指標。為了便于以下描述，生命周期階段分為運行前階段和運行階段。運營前階段包括與階段相關的自然資源開采、建筑材料生產、現場施工和運輸。計算累積火用消耗有三種方法：過程分析、累積火用消耗平衡方程、累積能源消耗的擴展。本文中使用的最后一種方法是基于累積能量消耗計算累積火用消耗，因為該累積能量消耗可以從一些可用的生命周期評價工具中方便地獲得，因此，累積火用消耗（CExC）可以表示為：

其中，CExCPP表示運行前階段的累積火用消耗（MJ）；CExCOP表示運行階段的累積火用消耗（MJ）；ENj表示在運行前階段消耗的材料j 的內能（MJ）；ONj 表示材料j 的年現場運行能量（MJ）；ek表示非燃料材料的化學火用k（MJ/kg）；mk表示非燃料材料的質量k（kg）；n表示建筑物的預期壽命（年）；αj表 示材料j的火用和能量含量之間的比率；ηj表示材料j 的生產和交付的總體效率。

3 多目標優化模型

優化模型由變量、約束條件以及目標函數組成。本文的模型專注于建筑圍護系統，因為它在確定建筑的環境性能和經濟性能方面都很重要，該方法也同樣可以應用于大范圍的其他建筑系統，如供暖、通風和空調系統。

3.1 變量

離散變量和連續變量用于定義建筑設計方案。例如某些變量（如窗戶類型）只能是具有可用窗戶類型列表的離散類型。其中方向變量可以假設為0°和90°之間的任何值，也可以從預設列表中選擇一個，如0°、15°或30°。在這項研究中，建筑物被限制為具有已知總建筑面積的矩形。圖1 說明了一些變量的定義，變量具體定義如下。

圖1 方向和縱橫比的定義

（1）建筑方向（OR），以度（°）為單位，順時針方向為正。

（2）建筑平面圖的縱橫比（AR）a/b，其中a 和b的定義如圖1 所示。

（3）窗戶類型定義了窗戶構造（WIT）。

（4）每個建筑立面的窗墻比（WR）。

（5）墻類型（WAT）通過一系列圖層進行定義。砌體空心墻，例如，它由包層、空腔、隔熱層、防潮層、砌體結構和飾面的層序列組成。

（6）每層墻（WL）都定義了所選的實際材質。例如，墻壁類型的絕緣層可以是76.2 mm 的玻璃纖維氈或101.6 mm 的礦棉氈。

（7）屋頂類型（RT）定義了具有一系列圖層的屋頂配置。例如，緊湊型傳統屋頂類型由屋頂膜、隔熱層、結構和飾面組成，從外到內依次排列。

（8）屋頂的每一層（RL）都定義選定的實際材質。

3.2 約束

在該優化模型中考慮了兩種類型的約束（連續變量或者離散變量）。例如，如果WR 被設置為連續變量，并且下限值和上限值分別為0.2 和0.8，則相應的約束為0.2≤WR≤0.8。選擇約束為離散變量提供了一組預定義的備選方案，例如，WT 可以限制為三種可用的窗類型之一：雙層透明玻璃、三層透明玻璃和具有低輻射率涂層的雙層玻璃。

3.3 目標函數

由于本研究的目的是幫助設計師實現具有成本效益的綠色建筑設計，因此選擇生命周期成本（LCC）和生命周期環境影響（LCEI）作為使用優化模型最小化的兩個目標函數。設X 表示變量向量，計算LCC 和LCEI 的通用表達式為

其中，IC 為建筑圍護結構的初始施工成本，包括外墻、窗戶、屋頂和地板（美元）；OC 為生命周期運營成本，包括需求成本和能源消耗成本（美元）；EE 為運營前階段造成的環境影響（MJ）；OE 為運營階段造成的環境影響（MJ）；A batExPP為運行前階段的減排（火用）消耗（MJ）；A batExOP為由于運行階段（MJ）引起的減少（火用）消耗。

4 案例研究

本文以某棟單層辦公樓的設計為例進行了研究。該建筑的地上總面積為1 000 m2，預期壽命為40 年。樓板類型為梁系統上的開腹式鋼托梁，頂部為混凝土，地面至屋頂高度為3.6 m。該建筑選用的窗戶類型為低雙層玻璃，空氣空間為12.7 mm。墻類型是鋼框架墻，由粘土磚覆層、空氣空間、空氣屏障、護套、帶空腔隔熱的鋼釘、蒸汽屏障和飾面組成。只考慮了一種緊湊的傳統屋頂系統，由壓艙物、屋頂膜、隔熱層、結構和飾面組成。砌體空心墻和屋頂采用兩種剛性隔熱材料：發泡聚苯乙烯（EPS）和擠塑聚苯乙烯（XPS）。鋼框架墻采用兩種類型的保溫氈：玻璃纖維氈和巖棉氈。

對于結構化多目標遺傳算法的實現，指定了以下參數：交叉概率=0.9，突變概率=0.02，最大生成數=200，種群規模=40，外部種群容量=30，從外部種群引入到原始種群的每一代是10，假設水力發電占主導地位。由于對于大多數實際問題很難獲得實際的全局Pareto 前沿，因此從收斂良好的外部種群中的個體繪制的曲線可以被視為具有合理精度的Pareto 前沿。從圖2 中可以看出，帕累托前沿由三個孤立的區域組成，在圖2 中分別表示為區域A、B 和C。帕累托區域A 中的解決方案成本較低但環境影響較大，區域C 中的解決方法成本較低，但成本較大，區域B 中的解決方案對這兩個標準都具有中間值。

圖2 優化空間內的初始、最終和外部搜索結果的分布

針對以上不同的帕累托區域研究每個標準的詳細組成部分，初始成本占比很大。這是由于幾個原因造成的：首先電價較低；其次，照明不包括在運營成本中，因為它被視為一個常數，因此不會影響最佳解決方案；第三，地板和屋頂的結構構件具有較高的施工成本。

5 結論

綠色建筑設計是當前建筑領域的熱點和趨勢，具有重要的環境保護和可持續發展意義。在追求可持續社會的過程中，改善建筑的環境性能具有至關重要的作用。本文提出的多目標優化模型可用于在給定條件下定位最優或接近最優的綠色建筑設計。案例研究表明，帕累托解由具有不同最優解的離散區域組成。對于所有帕累托解，一些變量的最佳值因不同的帕累托解或帕累托區域而異。本研究未來將采用考慮采光的多目標優化設計。