劉啟波，楊雯婷

(長安大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710061)

在ASHRAE Standard 55-2020中，熱舒適被定義為對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)[1].眾多關(guān)于熱舒適的研究成果都是針對室內(nèi)條件提出的，相較于室內(nèi)，室外熱舒適的研究和應(yīng)用起步較晚[2].但隨著生活水平和健康意識的不斷提升，人們對舒適室外環(huán)境的需求日益增長，尤其是人們活動發(fā)生較為頻繁的居住區(qū)，其室外環(huán)境熱舒適的重要性不言而喻.良好的住區(qū)室外熱環(huán)境不僅可以使人感到愉悅，還可以促進室外活動的發(fā)生，減少室內(nèi)活動時間，從而達到節(jié)能的目的[3].因此，居住區(qū)的室外熱舒適度逐漸受到了廣大學(xué)者的關(guān)注.

合理的建筑布局形式能夠提高居住區(qū)室外熱環(huán)境的舒適度.近年來，已有較多學(xué)者從建筑布局及形態(tài)等方面對居住區(qū)微環(huán)境及熱舒適進行探討優(yōu)化分析.大多數(shù)研究通過實測[4-5]或ENVI-met[6]、Fluent、Phoenics等建筑模擬軟件進行室外熱環(huán)境模擬及實驗結(jié)果分析，進而得出布局優(yōu)化結(jié)論.然而隨著計算機模擬輔助設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展，越來越多的研究方法開始選用遺傳算法開展自動優(yōu)化布局.該方法通過融合計算機建模、參數(shù)化設(shè)計、性能模擬與優(yōu)化算法，自動生成較優(yōu)設(shè)計方案供設(shè)計者挑選使用，避免傳統(tǒng)優(yōu)化方法反復(fù)調(diào)整設(shè)計方案且模擬次數(shù)過多的不足，提高了優(yōu)化設(shè)計的效率.

西安地區(qū)地處寒冷地區(qū)，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷多霧，春秋時有連陰雨天氣出現(xiàn).根據(jù)《陜西省旅游氣候舒適度評價》研究顯示，陜西關(guān)中各地區(qū)舒適期多分布在4、5、6、9和10月，較不舒適和不舒適的主要月份在1、2、3、7、8、11、12月份，其中1月和12月最冷,7月、8月最熱，其全年不舒適期較其他地區(qū)更長[7].為同時改善西安地區(qū)城市住區(qū)冬季與夏季的室外熱舒適并探究建筑布局與其關(guān)系，本研究應(yīng)用參數(shù)建模、可視化模擬及優(yōu)化算法進行多目標(biāo)自動優(yōu)化布局實驗，期望為住區(qū)前期布局設(shè)計提供方法思路.

1 應(yīng)用于熱環(huán)境研究的多目標(biāo)優(yōu)化研究方法

1.1 國內(nèi)外研究綜述

基于環(huán)境特征的多目標(biāo)優(yōu)化研究多集中于建筑單體或局部[8-10]，針對建筑群體的布局性能優(yōu)化研究較少[11].在住宅布局優(yōu)化方面，Yi Y K[12]在設(shè)計前期階段通過遺傳算法優(yōu)化高層住宅的布局；Bajsanski I V等[13]使用Grasshopper通過自動算法對極端溫度日城市地區(qū)室外熱舒適性的評估和改進.國內(nèi)也有相關(guān)優(yōu)化實例.劉宇鵬等[14]使用Grasshopper中的單目標(biāo)優(yōu)化插件Galapagos，探討基于寒冷地區(qū)冬季室外熱舒適的建筑自動優(yōu)化布局的方法；殷晨歡[15]通過同一算法對干熱地區(qū)夏季室外熱舒適進行模擬從而優(yōu)化該區(qū)建筑布局；袁磊等[11]采用Octopus插件設(shè)計了一套完整的基于多性能目標(biāo)模擬的住宅布局優(yōu)化系統(tǒng)等.

梳理眾多已有研究，可以發(fā)現(xiàn)：(1)縱觀建筑優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展，智能參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化算法已逐漸成為建筑學(xué)經(jīng)常使用的優(yōu)化方法，尤其是以Grasshopper為主的綜合平臺；(2)在建筑布局優(yōu)化方面，單目標(biāo)優(yōu)化的研究較多，近年來也逐漸向多目標(biāo)化的趨勢發(fā)展；(3)對冬夏季節(jié)或極端溫度日的室外熱舒適布局優(yōu)化研究較多，缺少基于某地氣候特征的室外熱舒適布局優(yōu)化研究.

基于上述已有研究，本研究針對西安地區(qū)冬季寒冷，夏季炎熱，室外不舒適期長的氣候特征，以西安市某地塊居住區(qū)設(shè)計為例，使用GH平臺的多目標(biāo)優(yōu)化插件Octopus為驅(qū)動，以地塊內(nèi)夏季與冬季室外熱舒適為目標(biāo)進行自動優(yōu)化布局.通過對多個解進行對比得到較優(yōu)解，即符合西安地區(qū)氣候環(huán)境條件的較優(yōu)室外熱舒適建筑布局方案，并以此為依據(jù)，分析整理出較優(yōu)的西安市住區(qū)的布局模式.模擬分析實驗基于建筑設(shè)計初期階段，為加快設(shè)計流程，實驗對建筑單體進行簡化處理.

1.2 居住區(qū)規(guī)劃概況

本研究采用西安市某居住區(qū)前期布局設(shè)計作為實驗樣例，該住區(qū)位于西安市西咸新區(qū)絲路經(jīng)濟帶能源金融貿(mào)易區(qū),屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫13.1～13.4 ℃.年極端最高氣溫35～41.8 ℃，極端最低-16～-20 ℃.全年以7月最熱，月平均氣溫26.1～26.3 ℃，月平均最高氣溫32 ℃左右；1月最冷，月平均氣溫-0.3～-1.3 ℃，月平均最低氣溫-4 ℃左右，年較差達26～27 ℃(圖1).

圖1 西安月平均氣象資料

圖2 西安市某住區(qū)初始方案

2 模擬及分析

2.1 本研究實驗設(shè)計

目前常用的室外熱舒適模型有通用熱氣候指數(shù)UTCI、生理等效溫度PET以及室外標(biāo)準(zhǔn)有效溫度OUT_SET，這些評價指標(biāo)的理論基礎(chǔ)與影響因素對比分析如表1所示[3].從表中對比可以得出，相較于其他熱舒適模型，UTCI作為多學(xué)科融合的模型明顯更加完善.此外，眾多學(xué)者也在成熟模型基礎(chǔ)上提出優(yōu)化，如錢煒[16]在PMV基礎(chǔ)上建立的城市戶外熱舒適度的綜合評價模型.為保證實驗的普遍性及易施性，本研究結(jié)合Grasshopper中的Ladybug插件，采用通用熱氣候指標(biāo)UTCI作為居住區(qū)熱舒適評價指標(biāo)，以地塊內(nèi)冬夏兩季室外熱舒適為優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計實驗.

表1 OUT_SET、PET、UTCI理論基礎(chǔ)與影響因素對比分析[3]

圖3為本實驗的程序流程框架圖.實驗首先通過已確定的建筑單體長寬與高度簡化建筑模型，并結(jié)合基地信息錄入Grasshopper.同時，實驗錄入西安市氣候數(shù)據(jù)作為性能模擬依據(jù)，該數(shù)據(jù)來自Ladybug全球氣候數(shù)據(jù)庫.實驗根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗生成基地網(wǎng)格，參數(shù)變量為建筑單體的相對位置，分別為單體的橫縱坐標(biāo)值及旋轉(zhuǎn)角度.其中旋轉(zhuǎn)角度的取值范圍為-15°～15°，正南為0°，南偏西為負(fù)值，取5°作為該基因皿參數(shù)調(diào)整粒度，且各單體的坐標(biāo)以10 m為粒度.

圖3 基于參數(shù)化平臺的實驗框架

方案初期，建筑布局中需要設(shè)置的主要約束條件包含日照間距、防火間距、退線要求以及住宅間最小間距等(表2).除此之外，實驗也可根據(jù)實際項目及地塊要求增加約束條件.本研究對約束流程進行了算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過串行化計算流程減少大量冗余計算，極大縮短計算時間，并對所有滿足約束條件的方案進行夏季和冬季的UTCI平均值的模擬計算.模擬過程中UTCI_sum的實驗日期選定為典型夏季日7月22日， UTCI_win的實驗日期選定為典型冬季日1月1日，模擬時間段為8:00～16:00.此外，設(shè)定場地中的人為靜坐類的行動狀態(tài)，地面反射率與服裝吸收率等選用ladybug推薦的默認(rèn)值.通過Octopus優(yōu)化算法，實驗可得滿足設(shè)定條件的解集.

表2 預(yù)設(shè)約束條件

2.2 本研究參數(shù)設(shè)定

在Octopus插件所構(gòu)建的電池組中，參數(shù)變量作為自變量連接電池G端，UTCI_sum與UTCI_win作為優(yōu)化目標(biāo)連接電池O端.與Galapagos不同，Octopus默認(rèn)計算結(jié)果趨近于坐標(biāo)原點的方案為較優(yōu)解，即默認(rèn)找到每個目標(biāo)的最小值.因此，實驗在目標(biāo)值設(shè)定中，令UTCI_win為負(fù)值，從而將UTCI計算最大值求解問題轉(zhuǎn)換為最小值求解[17].隨后，實驗對Octopus相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，具體設(shè)置如表3所示.

表3 Octopus相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

2.3 分析

在實驗中，模擬過程經(jīng)過20次迭代后，種群狀態(tài)趨于穩(wěn)定.結(jié)果如圖4所示，坐標(biāo)系中三角形表示最近一代的精英解.

圖4 Octopus運算結(jié)果

正方形為歷史運算中的精英解，正方形的顏色越深代表距最后一次迭代計算越近.靠近坐標(biāo)原點的最近一代的精英解所構(gòu)成的折線為帕累托前沿解集，可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，方案的解逐漸向帕累托前沿收斂(圖4).通過數(shù)據(jù)比對及分析，我們可以得到以下結(jié)論：西安市某住區(qū)冬季及夏季UTCI均值在本次優(yōu)化過程中不完全滿足線性關(guān)系，在一定程度上服從于類似指數(shù)函數(shù)的曲線，符合實驗預(yù)期.

3 結(jié)果及討論

帕累托解是較優(yōu)解的集合，因此設(shè)計者可根據(jù)實際需求從中選擇滿足需要的最優(yōu)解.由于上文提及Octopus默認(rèn)求解方程的最小值為最優(yōu)解，參考?xì)W幾里得度量原理，本研究選擇第20代帕累托前沿解集中的三個解作為最終優(yōu)化方案進行分析比對(圖4及表4、5)：

表4 優(yōu)化方案

(1)夏季UTCI值最低即最佳夏季室外熱舒適值；

(2)冬季UTCI值最低即最佳冬季室外熱舒適值；

(3)冬夏UTCI較優(yōu)值.

冬夏UTCI較優(yōu)值被定義為在圖4所示的二維空間中，與冬夏UTCI理想解的距離最近解的值，其中冬夏UTCI理想解的值Q可被公式描述如下：

QUTCI=[min(fUTCI_win)min(fUTCI_sum)]

(1)

故解x所構(gòu)成的冬夏UTCI較優(yōu)值P可被公式描述如下：

(2)

表5 優(yōu)化方案

續(xù)表5

相較于初始方案，第20代優(yōu)化方案的建筑基本均為南偏西朝向，同時，從優(yōu)化數(shù)據(jù)中可以得出建筑布局在冬季對住區(qū)的熱舒適改善作用更顯著這一結(jié)論.夏季是一年中太陽高度角最大的季節(jié),建筑基本暴露于日照中,因此,建筑布局在間距及角度的改變對夏季日照僅產(chǎn)生輕微影響,而冬季時則恰好相反[18].

優(yōu)化方案1在滿足約束條件的前提下，將低層建筑單體置于基地東北處，高層建筑則置于南側(cè)，使更多的室外空間處于建筑陰影中.同時，主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)較為疏散地布置建筑單體可以創(chuàng)造更多夏季舒適區(qū).優(yōu)化方案2采用“南低北高”的建筑布局，并在場地南側(cè)讓出更多無建筑遮擋的室外空間，且冬季主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)較為密集地布置建筑單體，該設(shè)計可以在抵擋冬季主導(dǎo)風(fēng)的同時利用太陽輻射創(chuàng)造更優(yōu)的冬季室外舒適區(qū).優(yōu)化方案3以方案2為基礎(chǔ)擴大建筑間距、微調(diào)建筑朝向，減少了南向無遮擋區(qū)域面積，增大了建筑陰影區(qū)域面積，在滿足場地冬季熱舒適要求的同時，兼顧了夏季防熱需求.

西安市位于ⅡA建筑氣候區(qū)，按照《建筑氣候區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)GB50178-93》要求，該區(qū)域建筑應(yīng)首要滿足冬季日照及防寒保溫要求，一定程度上兼顧夏季通風(fēng)防熱需求.故綜合模擬優(yōu)化得出的方案與西安市氣候特點，認(rèn)定優(yōu)化方案3為較優(yōu)解.

最終，結(jié)合冬夏兩季的模擬分析圖及上述分析，設(shè)計者在后期住區(qū)布局設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)將居民冬季室外活動區(qū)域放置于UTCI_win值高的位置，即優(yōu)化方案3的西南角處，將居民夏季室外活動區(qū)域結(jié)合水景與植物的配置放置于建筑陰影中，以期為居民創(chuàng)造更好的住區(qū)室外活動空間.

4 結(jié)論

(1)冬季及夏季UTCI均值隨迭代次數(shù)的增加逐漸收斂，所生成的帕累托前沿及UTCI數(shù)值變化曲線符合實驗預(yù)期，進而證明參數(shù)化設(shè)計與多目標(biāo)優(yōu)化算法可應(yīng)用于設(shè)計前期階段，可為最終的方案決策提供強有力的支持.

(2)該方法可應(yīng)用于住區(qū)前期建筑布局方案的生成，輔助設(shè)計者快速選擇合理的建筑布局以充分利用自然氣候?qū)ㄖa(chǎn)生的正面影響，并為活動場地的布置提供可靠數(shù)值依據(jù).除此之外，此方法簡化了不斷調(diào)整建筑布局與模擬的過程，提高效率的同時避免了因設(shè)計者主觀原因造成的備選方案缺失.

(3)結(jié)合建筑優(yōu)化布局領(lǐng)域諸多研究成果，本實驗方法可得出以下結(jié)論：在西安地區(qū)，相較于夏季，建筑布局優(yōu)化在冬季對住區(qū)的室外熱舒適改善作用更顯著；在具體布局時宜采用“南低北高，上風(fēng)向密，下風(fēng)向疏”的布局原則；而在場地的布置方面，宜預(yù)留南向且無建筑遮擋的區(qū)域為冬季室外活動區(qū)或幼兒及老人的活動場所，夏季室外活動區(qū)宜結(jié)合植物水景布置在建筑陰影區(qū).

在實驗中，僅通過優(yōu)化單體建筑的坐標(biāo)位置與旋轉(zhuǎn)角度得到室外熱舒適的改善高達1.23 ℃，但實驗過程中，為縮短模擬優(yōu)化時間，簡化實驗步驟，本研究未在實驗?zāi)M過程中采用實時模擬風(fēng)環(huán)境，這一設(shè)計可能對最終熱舒適的結(jié)果產(chǎn)生一定影響.此外，優(yōu)化對象為設(shè)計前期階段建筑布局，未考慮個體人的年齡與體質(zhì)要素、景觀要素與下墊面材質(zhì)等因子對室外熱舒適的影響.下墊面不同會產(chǎn)生差異較明顯的微氣候[19]，因此，在后續(xù)的研究中將在西安市室外熱舒適模擬優(yōu)化中加入以上影響因素，進一步改進和完善實驗設(shè)計.