基于日照及熱輻射影響的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化策略分析

梁 田

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，建筑能耗的占比極可能再次上升，因此，降低建筑能耗、提升能源使用效率將更加有助于建設(shè)資源節(jié)約型社會[1-3]。近年來我國出臺了GB/T 50378—2019《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》作為綠色建筑的評價(jià)依據(jù)，并對達(dá)標(biāo)的項(xiàng)目予以經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，開始對綠色建筑設(shè)計(jì)采取激勵(lì)措施，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師及業(yè)主關(guān)注并盡可能使用綠色技術(shù)手段來輔助完成建筑設(shè)計(jì)。

然而，現(xiàn)階段的綠色建筑設(shè)計(jì)依然缺乏足夠的技術(shù)支持，諸多設(shè)計(jì)單位在注重效率及產(chǎn)值的當(dāng)下，忽視或輕視綠色設(shè)計(jì)的重要意義[4-6]。本文利用優(yōu)化算法對綠色建筑模型進(jìn)行分析整理，試圖用更先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具和參數(shù)化模型取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)主義和手工分析，在建筑設(shè)計(jì)初期就給予建筑師足夠的、可信賴的數(shù)據(jù)分析，以輔助設(shè)計(jì)師在實(shí)際工程項(xiàng)目中完善建筑的綠色性能。

1 優(yōu)化算法原理分析

1.1 優(yōu)化算法

近年來，優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路開始在建筑設(shè)計(jì)和規(guī)劃設(shè)計(jì)中嶄露頭角[7-8]。在建筑領(lǐng)域，可持續(xù)建筑概念逐步被主流建筑師認(rèn)同，被動式綠色節(jié)能已成為當(dāng)下資源節(jié)約型社會的關(guān)注熱點(diǎn)，如何在現(xiàn)有條件中對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，引起了一些建筑師的思考和探索。大型建筑建設(shè)活動具有消耗能源及資源巨大、短時(shí)期不可逆的特點(diǎn)。優(yōu)化算法的引入，使得建筑師可在設(shè)計(jì)初期就針對自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效評估，并根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法針對耗費(fèi)巨大、周期較長的項(xiàng)目，有很好的輔助效果。常用的優(yōu)化算法主要有遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、粒子群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。

在實(shí)際工程及項(xiàng)目中，除利用單一標(biāo)準(zhǔn)便可輕易得到最優(yōu)結(jié)果的線性問題，其余都是多目標(biāo)問題。而在多目標(biāo)優(yōu)化中，如何處理各參數(shù)之間的平衡是關(guān)鍵。例如，根據(jù)使用者的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)領(lǐng)域規(guī)范，對各參數(shù)設(shè)置加權(quán)處理；將不同緯度的目標(biāo)參數(shù)用公式進(jìn)行協(xié)同，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問題等，都是在多目標(biāo)情況下解決參數(shù)平衡性的手段。但同時(shí)也意味著，面臨多目標(biāo)情況下，要使所有的目標(biāo)同時(shí)達(dá)到各自的最優(yōu)狀態(tài)完全不可能，只能在它們中間尋求折中平衡的處理方式，使各目標(biāo)在一個(gè)系統(tǒng)下盡可能地優(yōu)化到最大值。

1.2 遺傳算法

遺傳算法是在一個(gè)固定系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)設(shè)置的約束條件，針對一個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析評估，進(jìn)而控制某一個(gè)或某幾個(gè)變量來尋找當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)下最優(yōu)解的一個(gè)過程。得到最優(yōu)解的同時(shí)，也能得到與之對應(yīng)的基礎(chǔ)參數(shù)和自變量參數(shù)，其邏輯如圖1所示。

圖1 遺傳算法邏輯

1.3 建筑模型

基于Grasshopper的可視化編程算法生成建筑模型方案，相對于傳統(tǒng)的建模方式，不必在初始狀態(tài)下就明確目標(biāo)建筑的長、寬、高及位置等信息，而是在算法生成之后通過參數(shù)之間的關(guān)系確定這些數(shù)值。這樣一來，首要關(guān)注的是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的邏輯。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)方案在生成過程中的形體關(guān)系，可將建模邏輯分為迭代式尋優(yōu)和對比式尋優(yōu)?；趨?shù)化工具的設(shè)計(jì)過程能記錄建筑設(shè)計(jì)中所有的生成過程及邏輯，這也使得建筑師可隨時(shí)調(diào)用之前的數(shù)據(jù)，以在各階段引入技術(shù)分析手段和內(nèi)容，對設(shè)計(jì)全周期進(jìn)行評估。

2 日照影響下的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基礎(chǔ)日照分析

在建筑設(shè)計(jì)中，建筑所接受的日照時(shí)長是一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)，不僅與綠色、節(jié)能、低碳相關(guān)，也與建筑的空間功能及使用評價(jià)相關(guān)。在GB 50368—2005《住宅建筑規(guī)范》中，對住宅日照的時(shí)數(shù)要求屬于強(qiáng)制性規(guī)定，在建筑設(shè)計(jì)中須滿足規(guī)范要求，而建設(shè)用地的開發(fā)強(qiáng)度與足夠的日照時(shí)長又往往背道而馳。兼顧容積率和日照要求，并滿足消防車道間距的布置，是住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的最突出矛盾。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，同時(shí)滿足日照和容積率需求，需大量反復(fù)修改，反復(fù)試錯(cuò)，才能找到平衡點(diǎn)。

為了最大化合理利用氣象資源，讓氣象數(shù)據(jù)有切實(shí)的參考價(jià)值，我國根據(jù)不同地區(qū)的氣候條件，綜合其對建筑設(shè)計(jì)的影響，將我國國土劃分為Ⅰ嚴(yán)寒地區(qū)、Ⅱ寒冷地區(qū)、Ⅲ夏熱冬冷地區(qū)、Ⅳ夏熱冬暖地區(qū)、Ⅴ溫和地區(qū)、Ⅵ嚴(yán)寒地區(qū)、Ⅶ嚴(yán)寒地區(qū)7個(gè)一級區(qū)域。

2.2 基于周邊建筑日照的建筑形體分析

武漢某地塊場地初始態(tài)如圖2所示，深色區(qū)域?yàn)槌鞘心车貕K現(xiàn)有建筑，斜線區(qū)域?yàn)樾陆ńㄖ目山ㄔ靺^(qū)域?？山ㄔ靺^(qū)域邊緣距現(xiàn)存建筑有13m的退讓空間，目標(biāo)建筑需在全年任意一天都不得影響周邊地塊的2h最小日照。全天11：00—13：00是日照最充分的時(shí)間段，默認(rèn)在這2h內(nèi)，新建建筑都不會對周邊建筑任意區(qū)域產(chǎn)生遮擋。

圖2 場地初始態(tài)

試驗(yàn)設(shè)置的思路是針對周邊建筑的日照進(jìn)行反向分析，在全年每天11：00—13：00，每層建筑都能滿足2h日照要求。在現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)部，根據(jù)周邊建筑日照情況，模擬場地內(nèi)部可建造的三維區(qū)域。期望求得一個(gè)三維區(qū)域，滿足在該區(qū)域內(nèi)任意建設(shè)均不會使周邊建筑的日照降至2h以下。

2.3 基于評價(jià)體系生成的建筑形體范圍

針對場地現(xiàn)存建筑的日照進(jìn)行演算，如圖3所示，待建區(qū)域西側(cè)、北側(cè)的建筑群日照條件良好，滿足2h日照的要求，即新建建筑需保證周邊建筑群的首層日照條件不受到重大影響，采光不受遮擋。

圖3 場地現(xiàn)存日照情況

要保證周邊建筑群的日照時(shí)長≥2h，即首層最低日照時(shí)長≥2h，可對建筑群的首層底面進(jìn)行單獨(dú)評估。在新建建筑遮擋下，若周邊建筑的首層建筑底面依然能滿足2h的最低日照，則周邊建筑群其他各層必然也滿足2h日照要求。

在Grasshopper中，單獨(dú)抽取周邊建筑群的首層底面，將擬建建筑區(qū)域的三維空間作為目標(biāo)函數(shù)，利用Honeybee的向量運(yùn)算器，求出周邊建筑的底層區(qū)域，用來模擬首層建筑的位置關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，在優(yōu)化范圍內(nèi)任意建造建筑物，均不會使周邊建筑的日照水平降至2h以下，但確實(shí)會在一定程度上影響周邊日照。

圖4 場地優(yōu)化結(jié)果

3 熱輻射影響下的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建筑組團(tuán)與風(fēng)熱環(huán)境分析

日照輻射是建筑設(shè)計(jì)中需慎重考慮并與之呼應(yīng)的一個(gè)重要?dú)夂驐l件，同時(shí)太陽能也是目前主要使用的清潔能源。現(xiàn)行建筑法規(guī)中，針對住宅區(qū)規(guī)劃或商業(yè)辦公建筑設(shè)計(jì)，并沒有對建筑室外風(fēng)熱環(huán)境的強(qiáng)制性規(guī)定和要求。然而，隨著綠色理念逐步普及，在設(shè)計(jì)中盡可能尋求良好的室外環(huán)境已是大勢所趨。此類設(shè)計(jì)主要的矛盾焦點(diǎn)是容積率和日照時(shí)長兩者如何兼顧。

建筑熱環(huán)境包括輻射量、所在區(qū)域宏觀氣候及局部地區(qū)微觀氣候等自然因素，也包含建筑圍護(hù)熱構(gòu)件、建筑材料與構(gòu)造、建筑布局等設(shè)計(jì)因素，最終均會反映在熱平衡及人體舒適度上。

3.2 常量取值

根據(jù)典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，分析并計(jì)算了武漢全年平均干球溫度。記錄了武漢全年8 760h的逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)，并以月為單位，計(jì)算出武漢全年12個(gè)月的平均氣溫和極值氣溫，如表1所示。

表1 武漢全年氣溫?cái)?shù)據(jù) ℃

3.3 武漢全年輻射值數(shù)據(jù)

根據(jù)典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，分析并計(jì)算了武漢全年平均輻射情況。記錄武漢全年8 760h的逐時(shí)輻射情況，同時(shí)計(jì)算出武漢全年12個(gè)月的平均太陽輻射值，如表2所示。

表2 全年逐時(shí)輻射數(shù)據(jù) W·h·m-2

3.4 優(yōu)化模擬及分析

基于對武漢氣溫?cái)?shù)據(jù)的分析，選取全年高于26℃的時(shí)間段，設(shè)為高溫時(shí)間。在高溫時(shí)間段的輻射量對建筑節(jié)能有減益效果，因需額外的制冷損耗以對抗額外的熱輻射量。選取全年低于5℃的時(shí)間段，設(shè)為低溫時(shí)間，并認(rèn)為低溫時(shí)間段的輻射量對建筑節(jié)能有增益作用，因低溫狀態(tài)下額外的太陽輻射量會節(jié)省冬季采暖所耗費(fèi)的能源。

設(shè)W1為全年增益期熱輻射總量，W2為全年減益期熱輻射總量，當(dāng)前建筑狀態(tài)下，全年太陽輻射下的凈增益量W=W1-W2。W值越高，意味著當(dāng)前建筑形體及布局下，所獲得的增益輻射總量越高，減益輻射總量越小，即能提供更加出色的節(jié)能成果。在本次試驗(yàn)中，以武漢市中心某地塊為例，討論位于當(dāng)前地理氣候情況下，如何基于凈增益輻射獲得最優(yōu)化的建筑形體組合。設(shè)單體建筑面積為 1 000m2， 共4棟目標(biāo)建筑組成小型組團(tuán)。以目標(biāo)建筑的長寬比例、建筑層數(shù)(默認(rèn)3m/層)及建筑朝向?yàn)樽宰兞浚瑑粼鲆孑椛淞繛橐蜃兞?，進(jìn)行模擬演算。

模擬采用遺傳優(yōu)化算法，計(jì)算過程如圖5所示，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)總計(jì)迭代467次，最終成功獲得最優(yōu)解，以W作為適應(yīng)值(fitness)。由于本次試驗(yàn)中限制了建筑面積，使目標(biāo)建筑形體只能在長寬比例上進(jìn)行調(diào)整。建筑組團(tuán)在周邊無建筑且被限制了基點(diǎn)坐標(biāo)的情況下，自然而然地將建筑形體延伸開來，利用更多的東南或西南立面接受輻射。為了保證夏季隔熱，4個(gè)單體都沒有正向南方的立面。

表3 優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)

圖5 遺傳算法過程

由表3可知，在運(yùn)算結(jié)束后，建筑組團(tuán)的層數(shù)相對較固定，層數(shù)過高會產(chǎn)生互相之間的遮擋，使全年輻射量偏低，尤其是冬季的輻射量會降低很多，對建筑采暖的要求將會更高；層數(shù)過低，則會使得建筑整體受太陽輻射值過低，缺點(diǎn)與層數(shù)過高相同。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，4棟建筑分別為8，9，9，10層，數(shù)值比較平穩(wěn)。建筑寬度和建筑長度則囿于固定面積，本質(zhì)上更多是形態(tài)的變化。4棟建筑單體在優(yōu)化計(jì)算之后都形成了偏向長條的形態(tài)，也正是這樣的形態(tài)能接受到更多的太陽輻射。旋轉(zhuǎn)角度的變化則比較隨機(jī)，從1°到169°的角度值都有，這一組數(shù)據(jù)也是互相聯(lián)動，為了讓組團(tuán)作為整體獲得最大的太陽輻射情況。因此，本次試驗(yàn)成功得到了基于前期調(diào)節(jié)下的優(yōu)化結(jié)果。

4 結(jié)語

本文針對綠色建筑設(shè)計(jì)策略，結(jié)合現(xiàn)有參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件、優(yōu)化算法模擬插件與Ghpython模塊，設(shè)計(jì)了一套基于日照、風(fēng)熱環(huán)境及遮擋條件下的邏輯求解方式；相較于傳統(tǒng)反復(fù)試錯(cuò)的設(shè)計(jì)模式，極大地提高了設(shè)計(jì)效率，并能輔助設(shè)計(jì)師選取最優(yōu)的解決方式。試驗(yàn)成功得到了基于前期調(diào)節(jié)下的優(yōu)化結(jié)果，但是數(shù)值的限制還不夠完善，現(xiàn)階段只是對輻射狀態(tài)進(jìn)行了初步探究，在后期多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，需引入容積率、日照等多重因素，進(jìn)行分析；結(jié)合建筑類型、建筑平面的基本布置予以探討。