張姬

[摘要]設(shè)計(jì)初期的建筑方案決策在建筑能耗和物理環(huán)境性中扮演著重要的角色，由于設(shè)計(jì)進(jìn)程的不斷壯大和發(fā)展，建筑節(jié)能和物理環(huán)境相關(guān)的性能可供調(diào)整的東西變少，但是成本不斷的增加且收益不斷減少。此文重點(diǎn)介紹了在辦公建筑方面找到的方案設(shè)計(jì)初期的節(jié)能優(yōu)化措施，鞏固和調(diào)整創(chuàng)新設(shè)計(jì)初期建筑提前準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)能耗，使得各種建筑體型空間平面造型參數(shù)可以朝著優(yōu)化的方向發(fā)展，且找到在建筑空間平面模型方面符合的類型、天然采光、熱體形系數(shù)、日照陰影等一系列因素不斷發(fā)展。在這種情況下，對(duì)設(shè)計(jì)初期建筑節(jié)能優(yōu)化方面，通過正向計(jì)算和反向優(yōu)化流程不斷進(jìn)行，了解立案，找出怎樣才能從整體上減少能耗，對(duì)建筑體型、空間方案獲得反向設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了深入的研究，利用熱體形系數(shù)作為代表，了解怎樣對(duì)單一被動(dòng)式性進(jìn)行調(diào)整。

[關(guān)鍵詞]設(shè)計(jì)初期；節(jié)能參數(shù)化設(shè)計(jì)；性能目標(biāo)；能耗預(yù)測(cè)模型

文章編號(hào)：2095-4085（2016）05-0037-02

建筑能耗性能很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，其是在建筑設(shè)計(jì)階段通過了解國(guó)內(nèi)外的調(diào)查和很多的實(shí)際工程獲得的數(shù)據(jù)。大于30%的節(jié)能潛力是通過建筑方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的。進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)初期對(duì)于建筑形態(tài)來說至關(guān)重要，通過了解IEAAN-NEX30項(xiàng)目“模擬技術(shù)在建筑環(huán)境系統(tǒng)的應(yīng)用”，建筑的環(huán)節(jié)可以有方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)備招標(biāo)、施工和調(diào)試、運(yùn)行管理和建筑改造階段。設(shè)計(jì)初期是所有環(huán)境的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)打不好直接影響建筑性能，在整體上有非常重要的地位，在建筑設(shè)計(jì)中使整個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)揮一切可行手段，使得建筑體型空間平面方案可以獲得更新發(fā)展。在這個(gè)環(huán)節(jié)，建筑形體、空間、表皮等參數(shù)都是固定的，這類設(shè)計(jì)參數(shù)也非常關(guān)鍵，常被建筑師重視，這類參數(shù)也直接阻礙了建筑能耗和自然通風(fēng)、天然采光等物理環(huán)境性能的發(fā)展。

1.建筑能耗數(shù)學(xué)模型的建立-9優(yōu)化

1.1建筑能耗模型

建筑能耗模型是通過空調(diào)供暖能耗和照明能耗兩個(gè)模塊構(gòu)成的。進(jìn)行空調(diào)供暖能耗計(jì)算時(shí)，可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷計(jì)算模塊作為基點(diǎn)，分析理解空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備效率，發(fā)現(xiàn)其所獲取的照明能耗模塊是通過結(jié)合天然采光的照明能耗模型和中庭采光模型組合而成的。

1.2優(yōu)化算法

建筑總能耗要符合度目標(biāo)函數(shù)，此文利用了自動(dòng)反向?qū)?yōu)的遺傳算法來進(jìn)行建筑方案的調(diào)整，獲得了符合能耗最低的種種建筑空間幾何參數(shù)、維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能以及空調(diào)供暖照明系統(tǒng)參數(shù)的最合理的構(gòu)成。我們的目的是調(diào)整局部最優(yōu)解，而不是整體最優(yōu)解的問題，此文解決了多島遺傳算法的缺陷。多島遺傳算法最先是一個(gè)初始值，等獲取了初步優(yōu)化解，經(jīng)過變異、遷徙，可以通過新的初始點(diǎn)進(jìn)行遺傳操作，經(jīng)過重復(fù)的操作，防止出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，確保了優(yōu)化解的種類，從而更加促進(jìn)全局最優(yōu)解的發(fā)展。與傳統(tǒng)遺傳算法相比，多島遺傳算法能夠大大提高工總效率。通過將建筑總體能耗作為符合度函數(shù)，使用的解決措施設(shè)定了35個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)，任何一個(gè)參數(shù)都在遺傳個(gè)體序列上擁有一個(gè)位置，與不同類型參數(shù)的特點(diǎn)做比較，獲得的最優(yōu)編碼有A，B，c3，編碼方式A，是引用比例因子開展編碼，編碼方式B通過引用對(duì)應(yīng)某種指定形式的整數(shù)繼而展開編碼，編碼方式c，使用“0”，“1”開關(guān)開展編碼.通過最低能耗約束背景下，制定完善的建筑規(guī)范能夠使的整個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)組合成基因序列（含數(shù)值大?。?，然后利用部分用戶的要求來規(guī)定參數(shù).

1.3算法拓展

在實(shí)際建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)，與建筑空間、體型、平面設(shè)計(jì)相關(guān)的被動(dòng)式性能都要相符合，比如自然采光、自然通風(fēng)、建筑與太陽輻射和大氣環(huán)境之間的熱交換特性等一系列方式，突出了天然采光計(jì)算、熱體形系數(shù)計(jì)算、日照陰影工具等新方式。其中的這3個(gè)新模塊與建筑能耗預(yù)測(cè)模型和遺傳優(yōu)化算法的模塊是相互隔離的。

（1）天然采光計(jì)算

可以利用天然采光模擬軟件Radiance計(jì)算速度快、準(zhǔn)確性高、開源性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，本文借鑒了Radiance來進(jìn)行建筑內(nèi)部天然采光計(jì)算，當(dāng)下可以準(zhǔn)確獲取建筑內(nèi)部工作平面高度所需要的采光系數(shù)和照度指標(biāo)的計(jì)算，用戶可以利用建筑草圖繪制軟件Sketchup模擬幾何模型，繼而可以算出天然采光性能指標(biāo)，可以不進(jìn)行重復(fù)建模輸出模擬，大大的提高了效率，然后將Radiance與遺傳優(yōu)化算法融合在一起，利用采光最優(yōu)作為一個(gè)目標(biāo)，反向找出最好的方法。

（2）熱體形系數(shù)計(jì)算

熱體形系數(shù)（簡(jiǎn)稱TSC）的重點(diǎn)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的單位建筑面積全年所獲取的負(fù)荷BEQ（單位：kWh/m2），體形系數(shù)的內(nèi)容是建筑外表面積與體積比值，其可以展現(xiàn)建筑的幾何特征，進(jìn)行熱體形系數(shù)計(jì)算式，可以使用權(quán)重因子入來獲得不同朝向外表面的不同，從整體上要對(duì)建筑造型、平面布局、窗墻比與熱工參數(shù)進(jìn)行分析。另外，引用熱體形系數(shù)可以獲取供冷季圍護(hù)結(jié)構(gòu)獲得的熱量。通常情況熱體形系大于0，展現(xiàn)的是整個(gè)空調(diào)季圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其獲得熱居多。在極特殊的狀況下熱體形系數(shù)會(huì)小于0，其展現(xiàn)了空調(diào)季圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱多的特點(diǎn)。因此，進(jìn)行調(diào)整方案優(yōu)化的時(shí)候，利用計(jì)算熱體形系數(shù)解決方式，對(duì)兩種方案的熱特性進(jìn)行判斷，進(jìn)而進(jìn)行方案篩選。與體形系數(shù)做比較，熱體形系數(shù)可以直接展現(xiàn)出建筑造型、平面布局、窗墻比和所有熱工參數(shù)如何阻礙了建筑熱性能，計(jì)算較方便快捷，可以迅速的獲取每個(gè)方案的熱性能的不同，用戶可以方便的利用計(jì)算結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行更新，因此此文引用了熱體形系數(shù)計(jì)算方法，其可以更好的促進(jìn)設(shè)計(jì)初期方案比選以及不同建筑方案被動(dòng)式性能的發(fā)展。

（3）照陰影工具的開發(fā)

此文創(chuàng)新了日照陰影計(jì)算工具，可以利用建筑基本體塊和周邊建筑遮擋來獲取每個(gè)每刻建筑表面的陰影。通常情況下，傳統(tǒng)的陰影計(jì)算工具會(huì)有求交計(jì)算，計(jì)算困難，不方便，但是此文所創(chuàng)新的日照工具利用了ShadowMap計(jì)算方法，使得計(jì)算速度加快，也可以利用此模塊來獲取建筑表面輻射及太陽輻射所獲取的熱量，存儲(chǔ)到建筑能耗總體中，繼而確保了建筑能耗預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確.

2.應(yīng)用及討論

2.1

建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

建筑節(jié)能優(yōu)化能夠發(fā)展，在設(shè)計(jì)中需要處理兩個(gè)問題。（1）怎樣找出更多建筑節(jié)能設(shè)計(jì)合理方案。針對(duì)此問題，利用調(diào)整的建筑設(shè)計(jì)過程的方法，可以最早的將建筑設(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)融入節(jié)能設(shè)計(jì)的理念，增強(qiáng)意識(shí)、創(chuàng)新技術(shù)措施。（2）問題重點(diǎn)是怎樣才能夠在建筑設(shè)計(jì)的每個(gè)階段合理的與節(jié)能設(shè)計(jì)相符合。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)，更新出幫助計(jì)算機(jī)計(jì)算的設(shè)計(jì)工具。建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)（IBDS）及其決策支持系統(tǒng)對(duì)這個(gè)問題有很大幫助，當(dāng)有了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的時(shí)候，工作人員的交流和探討也對(duì)這個(gè)問題有很大的幫助。

2.2對(duì)建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的討論

我國(guó)城市化進(jìn)程加快，房屋建設(shè)的面積不斷增大，其還沒有一個(gè)完善的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，因此阻礙了建筑進(jìn)行建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展。通過不同類型的建筑進(jìn)行分析，對(duì)擁有很多相似的建筑形式的建筑，比如說住宅，其不但要進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)定，還要利用水平高的商業(yè)化模擬軟件，對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜻M(jìn)行了解，分析各方面的阻礙因素和節(jié)能設(shè)計(jì)方案來對(duì)建筑使用時(shí)間性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，在這種情況下，可以對(duì)特殊地區(qū)進(jìn)行建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)。Garde設(shè)計(jì)師為了適應(yīng)濕熱氣候因素，對(duì)建筑進(jìn)行了個(gè)性化的設(shè)計(jì)，但擁有顯著的個(gè)體特點(diǎn)的公共建筑，要在建筑設(shè)計(jì)時(shí)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)中借鑒建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的意識(shí)和技術(shù)措施，利用可以使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，讓建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)化得到更好的發(fā)展。

3.結(jié)語

此文分析了對(duì)于建筑總體能耗的提前快速測(cè)算，使得建筑空間平面體型更加符合建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)新了熱體形系數(shù)、天然采光和日照陰影工具等一系列方式，制定了比較完善的對(duì)于建筑初期的辦公建筑節(jié)能優(yōu)化的計(jì)算順序。希望此文能夠?qū)ㄖO(shè)計(jì)有所啟發(fā)，使得方案的優(yōu)化可以得到良好的發(fā)展。另外，還分析了解了反向優(yōu)化的思路，其內(nèi)容是在很多設(shè)計(jì)參數(shù)不明晰的情況下，利用能耗或單一性能作為主要參數(shù)，其可以利用遺傳優(yōu)化方法進(jìn)行尋優(yōu)，獲得最好的建筑設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而促進(jìn)建筑方案多樣性和節(jié)能性的不斷發(fā)展.