孔黎明

西安建筑科技大學建筑學院

隨著我國城市化進程的不斷推進，建筑能耗占社會商品總能耗的25%左右[1]，并且還將持續(xù)增加，建筑節(jié)能已成為提高社會能源使用效率的重要手段。建筑的各階段都涉及到能量的消耗，建筑方案設計是建筑節(jié)能設計的基礎和關鍵環(huán)節(jié)，可以在幾乎不增加任何費用的情況下提升建筑性能。隨著“綠色”被正式列入建筑方針，越來越多的建筑師試圖通過建筑形體和表皮的優(yōu)化提升建筑綠色性能。

建筑綠色性能通常包括建筑日照、室內采光、自然通風、室外風環(huán)境、聲環(huán)境、熱舒適度、室內空氣質量等，這些性能指標可以被量化，具備定量優(yōu)化的前提條件。但由于各性能間的互相影響和相互矛盾，大大增加了建筑綠色性能優(yōu)化設計的復雜性，例如通風與保溫、遮陽與采光、采光與熱舒適度等。另一方面，設計參數(shù)是隨著設計的推進才逐步明確的，這給優(yōu)化目標的設定帶來巨大困難，綠色性能目標很難通過建筑體量或表皮的優(yōu)化來回應設計，多依賴于建筑材料或設備。雖然優(yōu)化算法的強大搜索功能與建筑師的主觀經驗有利于實現(xiàn)綠色建筑設計，但如何選取和設定合理的綠色性能目標是設計決策的第一道難題。

隨著參數(shù)化設計的應用越來越廣泛，其性能高效的優(yōu)勢越來越明顯[2]。孫澄團隊借助Rhino/Grasshopper等建模平臺、Ladybug性能模擬平臺以及Octopus數(shù)據(jù)處理平臺，對建筑表皮的多目標優(yōu)化進行實驗，總結了以綠色性能為導向、建筑數(shù)字化節(jié)能設計理論下的設計流程和技術平臺[3-5]。近些年，國外以建筑設計為原型的性能優(yōu)化研究案例明顯增多，優(yōu)化目標大多和能耗有關[6]。Evins R在建筑性能優(yōu)化設計的相關論述中對已有研究中的優(yōu)化目標進行統(tǒng)計分析，可見性能優(yōu)化設計的相關技術平臺日益成熟，針對特定目標的優(yōu)化流程也相對清晰[7]。但當前此技術應用于建筑實踐項目中的案例并不多見，對建筑師來說，如何在分析建筑性能的過程中選取合理的性能優(yōu)化目標，仍是一件非常困難的事。

1 綠色性能目標的選擇

1.1 選取范圍

《綠色建筑評價標準》中將綠色建筑定義為“在全壽命期內，節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度地實現(xiàn)人與自然和諧共生的高質量建筑。”劉加平團隊從綠色建筑基本內涵分析了如何從建筑方案創(chuàng)作開始，實現(xiàn)綠色建筑設計[8]?？紤]到建筑方案設計階段很多規(guī)劃指標已確定，部分建筑材料參數(shù)待確定等特點，建議綠色建筑設計從節(jié)能、提高舒適度和節(jié)材三個方面進行研究。

1.1.1 從外部氣候和場地環(huán)境特征角度選擇節(jié)能相關目標

1 西寧焓濕圖

2 建筑體量布局回應海陸風環(huán)境

與外部氣候條件相適應是綠色建筑最本質的特征。因此在方案設計階段，應先對建筑所處地區(qū)的主要氣候影響參數(shù)進行分析，進而將適宜的氣候調控措施與建筑布局、形式和表皮等被動式設計策略有機結合，從而得到最直接有效的建筑節(jié)能途徑。在獲取項目所在城市的典型氣象年（TMY）數(shù)據(jù)后，Weather Tool和Climate Consultant等氣候分析軟件可以將原始數(shù)據(jù)轉化為便于建筑師理解的圖示語言，如日照分析圖、風速分析圖、焓濕圖（Psychrometric Chart）等，這些圖表能展示出細微的氣候屬性及其對建筑形態(tài)的影響，并能夠提出適宜當?shù)貧夂虻挠行гO計建議。例如在青海會展中心設計前，通過Climate Consultant分析西寧被動式策略組合，按照有效時間的長短，排列適用的被動式建筑策略，依次為被動式太陽能直接得熱+蓄熱（30.4%）、遮陽（5.9%）、蒸發(fā)降溫（2.1%）等（圖1）。通過西寧被動式建筑策略在夏季和冬季各月以及全年有效時間比，可以得出將冬季室內累積日輻射量作為重要優(yōu)化目標的結論（表1）。

部分建筑項目受基地環(huán)境微氣候的影響更為顯著，在選取優(yōu)化目標時，可以從基地的自然氣候條件出發(fā)，既要考慮區(qū)域的氣候普遍特征，也不能忽略基地環(huán)境自身的特點。例如在畢業(yè)設計教學中，學生選擇項目基地位于深圳市鹽湖區(qū)大鵬灣畔，通過分析發(fā)現(xiàn)這里白天的海風平均風速為7m/s，建筑外部風環(huán)境舒適度較差，而夜晚陸風平均風速為1m/s，風速過低不利于利用夜晚涼爽空氣降低結構溫度。因此通過設定優(yōu)化目標將建筑外環(huán)境白天的海風平均風速從7m/s降低到4m/s，夜晚陸風平均風速從1m/s增至3m/s，以提高白天外部環(huán)境的舒適度并增強夜晚的通風潛力（圖2）。

表1 西寧被動式建筑策略在夏季和冬季各月以及全年有效時間比（%）

1.1.2 從建筑內部功能的差異化需求選擇舒適度相關目標

從建筑使用者生理和心理需求的角度分析，熱舒適度、采光系數(shù)和均勻度、日照時長等是優(yōu)化考慮的主要因素。在方案設計初期設計師會初步考慮建筑朝向、風向的影響，將使用者停留時間較長或重要的功能用房布置在相對舒適的區(qū)域，這也是建筑師樸素的綠色觀。此外，因為建筑內部功能的不同，使用者的分布密度和行為差異也會影響建筑性能目標的設定。雖然部分規(guī)范已經規(guī)定不同功能用房的指標要求，但是規(guī)范要求的是最低標準而不是最適宜標準，加之當前建筑正向綜合化和復合化發(fā)展，同一建筑物可能包含多種功能和行為模式，不同性能目標的重要程度和權重差異會使同一性能目標在建筑內不同功能區(qū)的設定值不同。

對建筑師而言，通過軟件模擬得到建筑內部不同區(qū)域的熱、光舒適指標，在綜合考慮其他設計要素的前提下，可以將差異化需求適應性匹配不同的性能指標區(qū)域。反之，也可以根據(jù)功能使用的差異化需求，設定更加匹配的性能目標進行優(yōu)化設計。隨著方案的深化，這兩種優(yōu)化方法也可以交替使用。與整棟建筑按照同一標準優(yōu)化相比，這種系統(tǒng)性思維方式也體現(xiàn)了建筑師在方案階段進行綠色性能優(yōu)化的獨特優(yōu)勢。

1.1.3 節(jié)材

建筑方案階段的節(jié)材主要為減少材料的使用。一方面與結構工程師緊密配合，使建筑形態(tài)與結構邏輯更契合，以減少結構材料。另一方面在滿足功能和其他性能要求的前提下，優(yōu)化建筑形態(tài)以減少圍護和構件材料。在實際項目中，材料的優(yōu)化主要取決于建筑造價的控制，進而為其他優(yōu)化目標提供約束條件。

1.2 選取原則

1.2.1 重要性

理論上對“綠色”貢獻越大的性能目標應該被優(yōu)先選擇，但如何評價某項性能的貢獻程度是一項復雜工作。李濤曾通過問卷和層次分析法將最低能耗設計為最高權重，其次是自然資源直接利用[9]。但這種方法建立在主觀判斷的基礎上，和受訪者的知識結構有很大關系。LEED和《綠色建筑評價標準》中通過分值直接體現(xiàn)不同指標的權重，但評價對象和地域不同時，其分值并不能完全體現(xiàn)性能提升的實際作用和效果。再者某些評分項包含多項性能指標，也無法體現(xiàn)單個性能指標的重要程度。因此，《綠色建筑評價標準》中的權重很難直接支撐方案設計中性能選擇的優(yōu)先級，而更多輔助于定性判斷。

1.2.2 優(yōu)化潛力

性能指標的提升潛力也是目標選擇的重要考量因素，以往更多依賴建筑師的主觀經驗評估，當前隨著計算機性能模擬效率的提升，可以通過對照組和實驗組的比對，量化性能提升潛力。例如筆者團隊在進行辦公建筑表皮遮陽構件光熱性能優(yōu)化研究過程中，通過對無任何遮陽的對照組和經過采樣后的768組不同遮陽構件參數(shù)的實驗組進行對比（表2），發(fā)現(xiàn)在日輻射得熱、采光系數(shù)、采光均勻度、熱舒適時間百分比和采光達標面積百分比等性能目標中，日輻射得熱和采光均勻度更具優(yōu)化潛力，可以作為表皮設計階段的主要優(yōu)化目標。

1.2.3 可操作性

可操作性主要體現(xiàn)為設計手段與性能指標之間的作用機制是否清晰，以及所設定目標與其他目標之間的邊界是否清晰。根據(jù)Berk Ekici對100多項相關案例的統(tǒng)計研究，已有智能優(yōu)化研究中以節(jié)能和造價為優(yōu)化目標的案例占近一半數(shù)量[10]。但是在實際設計項目中，綜合能耗和成本包含的子項或相互影響因素過多，方案階段以此為目標并不利于分析設計操作與性能指標之間的作用機制。而類似日輻射、采光系數(shù)等指標相對單一的目標，則便于優(yōu)化過程中建立目標與變量之間的關系及定量優(yōu)化，多數(shù)情況下這些指標的優(yōu)化也將起到明顯的節(jié)能效果。

表2 表皮性能潛力分析匯總表

1.2.4 與形態(tài)和表皮的關聯(lián)度

方案階段的被動式設計主要通過建筑布局、形態(tài)和表皮的適應性變化回應自然采光、日輻射、通風等要求，因此方案階段所選擇的性能目標需對體量或表皮變化較為敏感，才有利于提升被動式設計的效果。根據(jù)Berk Ekici的分析統(tǒng)計，得出能源、自然采光、日輻射和熱舒適度等目標與建筑體量、朝向、表皮、窗墻比的關系更為密切，適合作為方案階段優(yōu)化目標。同時，設計過程中也可以通過敏感性分析，量化、優(yōu)化目標與形態(tài)或表皮參數(shù)的關聯(lián)程度，進一步理清設計變量與性能目標之間的作用機制。

2 綠色性能目標的量化

以往的綠色建筑性能目標大多停留在“自然通風更好”等籠統(tǒng)概念，目標的不清晰將導致后期優(yōu)化的指向不明確。對性能目標進行量化，也是對綠色建筑設計深入思考的過程，正如根里奇·阿奇舒勒所說，“創(chuàng)造力是正確表述問題的技能”[11]。同一個性能目標有可能在不同階段采取不同的量化指標，例如，“自然通風更好”在概念體量設計階段（還沒考慮窗或洞口的位置）可以設定為“夏熱冬冷地區(qū)建筑迎風面和背風面70%以上區(qū)域風壓壓差大于4Pa”，待體量確定后在開窗和洞口設計過程中可以設定為“夏熱冬暖地區(qū)過渡季節(jié)建筑內部80%以上辦公空間自然通風換氣次數(shù)達3次/h以上”?？梢婋S著性能目標定量化，設計操作的指向也會更加明確。

優(yōu)化目標的量化也是建立完整優(yōu)化邏輯、實現(xiàn)計算機算法自動尋優(yōu)的前提條件。部分優(yōu)化目標的量化可以參考相關規(guī)范和標準，例如《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）詳細規(guī)定了不同功能用房的采光系數(shù)標準值和室內天然光照度標準值，但其中規(guī)定的是最低標準而不是最優(yōu)標準，在設定優(yōu)化目標時可以在此基礎上結合項目實際情況提高標準。大部分優(yōu)化目標是求極值，也就是最小值或最大值，例如室內夏季累計日輻射最小、采光均勻度最高、單位建筑面積能耗最小等。雖然是求極值，但仍需要建筑師對極值的適宜范圍進行預判，這樣有助于糾正錯誤的邊界條件或不合理的基本參數(shù)。還有部分目標需設定范圍，但規(guī)范中沒有規(guī)定具體數(shù)值，這種情況則可以通過對優(yōu)秀案例的實測，結合計算機模擬分析，確定適宜的目標區(qū)間，在前人的研究成果上根據(jù)自身項目的特點適應性調整設定。

3 綠色性能目標轉化

建筑綠色性能優(yōu)化本質上是對目標進行綜合優(yōu)化（MOP），相比較傳統(tǒng)的單目標優(yōu)化或加權求和多目標優(yōu)化方法，基于Pareto最優(yōu)概念的多目標演化算法不是尋求唯一最優(yōu)解，而是得到多個最優(yōu)解集，彌補加權目標優(yōu)化的不足[12]。但能否從最優(yōu)解集中選出現(xiàn)實可行的最優(yōu)方案進行設計決策，仍然依賴于決策者對不同目標重要程度的主觀判斷。在實際應用過程中，多目標優(yōu)化與設計決策是不可割裂且遞進的，決策者通過非劣最優(yōu)域的搜索不斷獲取與精煉決策信息，再基于主觀經驗逐步引導優(yōu)化器搜索最感興趣的非劣最優(yōu)域。盲目地將各優(yōu)化目標同時輸入計算機程序，會使計算的復雜度和搜索空間急劇擴增，給評估決策增加巨大難度。因此，在確定設計手段與不同性能作用機制的前提下，主觀選擇不同階段的核心性能進行排序優(yōu)化，可以建立更合理的優(yōu)化邏輯，提高決策效率。

3.1 多目標排序優(yōu)化

復雜設計問題的傳統(tǒng)解決方式是分階段、分層次、系統(tǒng)性解決，性能優(yōu)化的過程應緊密結合設計流程進行排序優(yōu)化。排序的依據(jù)可以從重要性、優(yōu)化潛力、與該階段建筑形式操作的關聯(lián)度等角度考慮，邊界相對清晰的優(yōu)化目標更便于優(yōu)化排序，例如在某辦公樓的體量設計階段，重點通過中庭和迎風角度的優(yōu)化提升夏季通風潛力，而表皮設計階段的重點是優(yōu)化光熱性能相關目標。后一階段并非完全不考慮通風，而是在前一階段的成果上確定開洞位置、尺寸等深化設計，并評估是否會對前一階段的目標造成重大影響。關聯(lián)度很強的優(yōu)化目標如采光和日輻射等，則更適合同時尋優(yōu)求解。

3.2 多目標轉為單目標

多目標優(yōu)化問題可以通過分配權重、加權求和的方法將多目標轉化為單目標優(yōu)化。雖然權重的賦值仍具有主觀性和隨意性，但其邏輯化的思維方式有助于輔助建筑師分析和確定設計過程中的核心優(yōu)化問題。當優(yōu)化目標數(shù)量較少時，如果把多目標優(yōu)化問題中的一個目標看成優(yōu)化對象,其余目標均視為約束條件，則多目標優(yōu)化問題也可以轉化為帶約束條件的單目標優(yōu)化問題。例如將“日輻射量、采光系數(shù)和材料面積”的多目標優(yōu)化轉化為以“采光系數(shù)大于3.0，材料面積小于某值”為約束條件，以“冬季累計日輻射量減夏季累計日輻射量差值最大”為優(yōu)化目標的單目標優(yōu)化。但在轉化的過程中究竟哪些目標更適合轉化為約束條件，仍依賴于建筑師的主觀經驗判斷。

3.3 多目標敏感性分析

敏感性分析是近些年在建筑能耗方面使用較多的一種分析法，用于探討建筑性能與設計手段之間的關系[13]。它是一種確定設計參數(shù)重要程度和貢獻率的方法，可以幫助建筑師量化形態(tài)參數(shù)與不同性能的敏感性，提高建筑師對優(yōu)化過程的控制力。例如，Nguyen認為通過敏感性分析的設計參數(shù)，更容易高效提高建筑性能；Mastrucci則通過敏感性分析簡化能耗優(yōu)化模型[14，15]。敏感性系數(shù)低的形態(tài)變量在適應功能和審美時，對建筑性能的影響較小，在實際設計中可以根據(jù)敏感性分析結果，排除部分敏感性低的目標，重點研究和優(yōu)化敏感性高的形態(tài)參數(shù)，提高優(yōu)化和決策效率。因此，方案設計階段的敏感性分析可以從形態(tài)與性能關聯(lián)性的角度減少優(yōu)化目標數(shù)量，提高設計決策效率。

4 結語

當建筑師對計算機智能優(yōu)化充滿憧憬和期待時，發(fā)現(xiàn)算法雖然解決了多目標求解的問題，卻仍然不能代替建筑師進行設計決策，計算得到非劣解集后的最終決策仍然取決于建筑師的主觀經驗。但對大多數(shù)僅擅長空間操作的建筑師而言，這部分經驗并不豐富甚至是匱乏的，建筑設計人員只能在尋找優(yōu)化目標和建立優(yōu)化邏輯的過程中積累經驗。在項目設計階段明確與綠色性能相關的問題，清晰而有邏輯地描述這些問題是很重要的。結合方案設計階段的特點，在剖析建筑綠色性能優(yōu)秀案例和已有研究成果基礎上，提出性能目標的選取范圍和選取原則，探索優(yōu)化目標量化以及提高決策效率的方法，有助于推動優(yōu)化理念在建筑方案設計階段的應用實踐。

致謝：感謝參與學生姚啟帆、時雨辰、胡已宏。

圖表來源

本文圖表均由項目團隊繪制。