基于日照分析的機(jī)場航站樓BIPV屋面形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化研究＊

隋金廷 張龍巍 王超 陳宇

全球航空運(yùn)輸業(yè)碳中和方案及減排計(jì)劃（CORSIA）的實(shí)施，對機(jī)場的可持續(xù)發(fā)展提出了更高的要求。利用太陽能光伏發(fā)電是解決機(jī)場高能耗問題、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效手段。機(jī)場航站樓屋面收集太陽能的優(yōu)勢顯著：一方面航站樓屋面規(guī)模廣闊且形體復(fù)雜度低，是收集太陽能的良好界面；另一方面機(jī)場大多位于城郊，周邊建筑密度低且高度可控，不易出現(xiàn)陰影遮擋，有利于提升光伏發(fā)電效能。

本文對機(jī)場航站樓屋面進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)研究，總結(jié)一套屋面形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化方法，該方法包括“屋面形態(tài)分析—幾何邏輯建構(gòu)—分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化”三個(gè)步驟，使光伏系統(tǒng)與機(jī)場航站樓屋面實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀的有機(jī)結(jié)合，有效提升機(jī)場的太陽能發(fā)電效能，為實(shí)現(xiàn)機(jī)場能源自給自足提供可行思路。

1 屋面形態(tài)分析

1.1 機(jī)場屋面選型

機(jī)場航站樓屋面受功能布局、交通組織和機(jī)位布置等多方面因素影響，發(fā)展出多種形態(tài)，目前最常見的有三種，分別為前列式、指廊式和衛(wèi)星式（表1）。前列式航站樓空側(cè)邊線為直線或弧線，飛機(jī)沿航站樓停放；指廊式航站樓空側(cè)向外伸出若干個(gè)指形廊道，飛機(jī)沿指廊兩側(cè)停放；衛(wèi)星式作為指廊式的復(fù)雜變體，通常在航站樓主體之外布置一座或多座衛(wèi)星式候機(jī)廳，飛機(jī)圍繞衛(wèi)星建筑物停放。本文選取三類共八種常見的航站樓屋面形式，在相同氣象條件下進(jìn)行太陽輻射分析，探討不同種類屋面的優(yōu)化方法。

太陽輻射分析是光伏建筑一體化設(shè)計(jì)的依據(jù)，其結(jié)果為屋面的太陽輻射獲取量與日照時(shí)長，能有效指導(dǎo)機(jī)場航站樓屋面分區(qū)及光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文基于Grasshopper的Ladybug及Honeybee工具，對上述八種航站樓屋面進(jìn)行太陽輻射分析和形態(tài)優(yōu)化。表2中由淺到深的顏色代表屋面太陽輻射獲取量由低到高，通過該分析方法可精確計(jì)算屋面不同區(qū)域太陽輻射獲取量，為后續(xù)光伏單元分區(qū)排布提供依據(jù)。

1.1.1 前列式

前列式常應(yīng)用于中小型機(jī)場，典型形式有平滑式（A1）、起伏式（A2）。分析其單位面積全年太陽輻射獲取量，A1為1 038.91～1 404.84kW·h/m，A2為1 241.79～1 266.11kW·h/m。由于屋面復(fù)雜度較低，受形態(tài)制約較少，兩者所獲太陽輻射量均相對充足，有利于光伏單元的排布。

1.1.2 指廊式

指廊式常應(yīng)用于大中型機(jī)場，在航站樓中占比最高。屋面大多以航站樓為中心將指廊向外延伸，典型形式有雙廊式航站樓（B1）、多廊式航站樓（B2）。分析其單位面積全年太陽輻射獲取量，B1為1 035.68～1 405.49kW·h/m和207.25～1 352.98kW·h/m，B2為654.42～1 397.03kW·h/m和721.30～1 417.19kW·h/m。不同形態(tài)的屋面接收太陽輻射量差距較大，其中B1太陽輻射接收面較大且完整，最低值在1 000kW·h/m以上的區(qū)域占80%；B2太陽輻射接收面在1 000～1 300kW·h/m的占比較高。由分析可知，指廊式雖整體接收太陽輻射量較高，但由于其屋面形態(tài)較復(fù)雜使得局部太陽輻射量差別較大，在進(jìn)行光伏單元排布時(shí)需對其進(jìn)行局部優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1.3 衛(wèi)星式

衛(wèi)星式常應(yīng)用于特大型機(jī)場，航站樓屋面與候機(jī)廳屋面分開布置，典型形式有雙星式航站樓（C1）、多點(diǎn)式航站樓（C2）。分析其單位面積全年太陽輻射獲取量，C1為601.62～1 428.64kW·h/m，C2為116.91～1 453.98kW·h/m。衛(wèi)星式因形態(tài)復(fù)雜遮擋明顯，導(dǎo)致局部太陽輻射量顯著降低，最低可至116.91kW·h/m。衛(wèi)星式同時(shí)存在兩個(gè)以上屋面類型，光伏單元難以統(tǒng)一布置，因此在進(jìn)行光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)需分屋面進(jìn)行針對性優(yōu)化。

表1 航站樓屋面形態(tài)分類

1 桃仙機(jī)場T3 航站樓鳥瞰

表2 航站樓屋面太陽輻射分析圖

2 桃仙機(jī)場T3 航站樓施工現(xiàn)場

三種航站樓典型屋面因其形態(tài)復(fù)雜程度不同，光伏一體化設(shè)計(jì)及建造難度差別較大。其中，前列式相對簡單，可直接進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；指廊式及衛(wèi)星式屋面形態(tài)復(fù)雜程度較高，需根據(jù)設(shè)計(jì)條件劃分分區(qū)，單獨(dú)優(yōu)化。由于指廊式機(jī)場數(shù)量龐大、典型性強(qiáng)（衛(wèi)星式可視作多個(gè)指廊的組合），所以本文選取指廊式為研究對象，以沈陽桃仙機(jī)場T3航站樓為例（圖1），對其屋面進(jìn)行光伏一體化改造，探討航站樓屋面形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化的具體方法。

1.2 屋面分析

沈陽桃仙機(jī)場位于遼寧省沈陽市南郊，是東北地區(qū)航空運(yùn)輸樞紐，占地面積約8.7萬m，總建筑面積約24.6萬m。其巨大的規(guī)模、廣闊的屋面、較少的遮擋是BIPV應(yīng)用的良好載體，能有效解決機(jī)場高能耗問題。T3航站樓整體屋面面積約12萬m，由三維曲面組合而成，形態(tài)相對復(fù)雜（圖2）。航站樓由主樓和指廊組成，主樓屋面為漸變曲面，并向下延伸與立面幕墻平滑連接，頂部由23片高度漸變的羽葉狀側(cè)天窗覆蓋。指廊屋面呈單曲形式，東西兩指廊對稱布置，頂部由4片高度漸變的羽葉狀側(cè)天窗覆蓋。

桃仙機(jī)場屋面的太陽輻射情況如下：輻射量在1 200kW·h/m以上區(qū)域占比80%，太陽能接收面較大且完整，光伏發(fā)電潛力較大；1 000～1 200kW·h/m區(qū)域占比約12%，可進(jìn)一步優(yōu)化提升其太陽輻射獲取量；700～1 000kW·h/m區(qū)域占比約8%，光伏發(fā)電性能較低，需綜合造價(jià)和太陽能收益等因素確定是否設(shè)置光伏單元（圖3）。綜上可知，桃仙機(jī)場整體太陽輻射獲取量較高，具備光伏發(fā)電的優(yōu)勢，但因其形態(tài)復(fù)雜，在進(jìn)行光伏單元排布時(shí)需分區(qū)設(shè)計(jì)并加以優(yōu)化。

2 幾何邏輯建構(gòu)

（1）建構(gòu)分區(qū)

模型建構(gòu)邏輯在很大程度上決定了后期優(yōu)化的方向和最終結(jié)果，因此在模型建構(gòu)之初就應(yīng)考慮BIPV屋面的合理性、經(jīng)濟(jì)性與可實(shí)施性。桃仙機(jī)場根據(jù)功能布局及結(jié)構(gòu)排布，將航站樓屋面分成核心區(qū)、過渡區(qū)、指廊區(qū)（圖4）三類區(qū)域。建構(gòu)分區(qū)有以下幾大優(yōu)勢：1）形式方面，分區(qū)建構(gòu)更精細(xì)，與原始屋面吻合度更高；2）功能方面，分區(qū)建構(gòu)在拓?fù)鋬?yōu)化過程中可對不同區(qū)域進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，便于后期光伏單元的布置，有效契合分區(qū)，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性；3）結(jié)構(gòu)方面，分區(qū)建構(gòu)遵循機(jī)場的初始建造邏輯，有效契合既有屋面結(jié)構(gòu)、降低改造成本。

（2）屋面重構(gòu)

桃仙機(jī)場T3航站樓屋面呈非線性形態(tài)，通過參數(shù)化平臺中的NURBS（非均勻有理B樣條）曲線對其精確描述，B樣條曲線受一系列控制點(diǎn)約束，控制點(diǎn)與曲線之間存在實(shí)時(shí)聯(lián)動關(guān)系，使曲線具有良好的連續(xù)性和光滑性。通過NURBS曲線對屋面進(jìn)行重構(gòu)，既能保證曲面具備形式的可變性，與大多數(shù)非線性機(jī)場航站樓屋面相契合，又能簡化其構(gòu)成邏輯，與模數(shù)化光伏單元相匹配。

重構(gòu)過程需綜合考慮航站樓屋面的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等因素，設(shè)置能夠擬合原始建筑的控制點(diǎn)，合理排布控制點(diǎn)的數(shù)量和點(diǎn)位（圖5），保證新建曲面與原始曲面相吻合，并使各個(gè)分區(qū)間邊界曲率統(tǒng)一、平滑銜接，為后續(xù)屋面的拓?fù)鋬?yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3 太陽輻射分析圖

4 建構(gòu)分區(qū)

3 分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化

太陽輻射分析結(jié)果表明，機(jī)場屋面在不同區(qū)域的太陽輻射獲取量及日照時(shí)長有顯著差異。通過對不同分區(qū)的針對性優(yōu)化，可顯著提高屋面總體太陽輻射獲取量。本文利用參數(shù)化工具設(shè)置屋面的可變控制點(diǎn)，通過遺傳算法優(yōu)化控制點(diǎn)位置及排布方式，實(shí)現(xiàn)屋面光伏發(fā)電效率的最大化和形式的最優(yōu)化。

3.1 屋面控制點(diǎn)設(shè)置

本文以原始建筑形態(tài)日照分析結(jié)果為依據(jù)，將邊界控制點(diǎn)分為三類：錨固控制點(diǎn)、橫軸控制點(diǎn)、縱軸控制點(diǎn)（表3）。錨固點(diǎn)位于航站樓屋面與立面交接處，由于立面接收太陽輻射較少，無需進(jìn)行光伏單元排布和形態(tài)優(yōu)化，故此類控制點(diǎn)位置固定，主要用于平滑連接機(jī)場立面；橫軸點(diǎn)為屋面水平方向的邊界控制點(diǎn)，為保證建筑邊界的連續(xù)性與完整性，此類點(diǎn)按固定距離分段并可整體沿垂直方向移動，最大限度確保與原始建筑形態(tài)的吻合；縱軸點(diǎn)為屋面垂直方向的邊界控制點(diǎn)，決定了屋面起伏程度，直接影響屋面所接收的太陽輻射量，因此此類點(diǎn)為沿Z軸可上下移動的可變點(diǎn)。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

機(jī)場航站樓屋面的形態(tài)優(yōu)化是一個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，需平衡太陽輻射獲取量和原型契合度兩個(gè)目標(biāo)。太陽輻射獲取量以太陽輻射分析為依據(jù)，直接決定機(jī)場屋面光伏發(fā)電效能，是優(yōu)化的首要目標(biāo)；原型契合程度體現(xiàn)為屋面上各類控制點(diǎn)沿Z軸的累計(jì)偏移量，密切影響建筑的功能及結(jié)構(gòu)排布，同時(shí)影響建筑的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)現(xiàn)性，是優(yōu)化的關(guān)鍵目標(biāo)。因此，應(yīng)在保證太陽輻射量最優(yōu)條件下最大限度契合屋面原始形態(tài)。本文通過多目標(biāo)遺傳算法工具Octopus將上述兩目標(biāo)統(tǒng)一設(shè)置，完成航站樓BIPV屋面優(yōu)化目標(biāo)定義。

3.3 優(yōu)化選型

初始BIPV 屋面太陽輻射獲取量及日照時(shí)長共有三類分區(qū)，分別用E、F、G 表示，表4 為通過Octopus 工具進(jìn)行100 次迭代優(yōu)化后所選出的三類分區(qū)各自的三種優(yōu)化方案，在太陽輻射獲取量和原型契合程度兩方面各有優(yōu)勢。其中在900～1 400kW·h/m太陽輻射區(qū)間內(nèi)，分區(qū)E 優(yōu)化方案中（表5）E1 太陽輻射升幅較大，屋面控制點(diǎn)沿Z 軸變化較少，a、b 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為3.5m，橫軸c系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為1.7m，原型契合程度較高；E3 太陽輻射最高，1 300kW·h/m以上區(qū)域幾乎涵蓋整個(gè)屋面，但屋面控制點(diǎn)沿Z 軸變化極大，a、b 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離高達(dá)59.3m，橫軸c系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離也高達(dá)14.4m，原型契合程度較低；E2 太陽輻射及原型契合程度均處于中間值，太陽輻射1 300kW·h/m以上區(qū)域占比近一半以上，屋面控制點(diǎn)沿Z 軸變化較大，a、b 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離18.9m，橫軸c 系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離5.1m（圖6）。

分區(qū)F優(yōu)化方案中（表6），F(xiàn)1太陽輻射有顯著提升，屋面控制點(diǎn)沿Z軸累計(jì)偏移距離較小，d、e系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為-2.8m，橫軸g系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為2.2m，原型契合程度較高；F3太陽輻射最高，1 300kW·h/m以上區(qū)域占比明顯高于其他優(yōu)化方案，但屋面控制點(diǎn)沿Z軸累計(jì)偏移距離較劇烈，d、e系列縱軸控制點(diǎn)d1-5、e1-5累計(jì)偏移距離10.7m，d17-20、e17-20累計(jì)偏移距離高達(dá)-18.7m，橫軸f系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離3.6m，橫軸g系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離高達(dá)-14.4m,原型契合程度較低；F2太陽輻射獲取量及屋面控制點(diǎn)沿Z軸累計(jì)偏移距離僅次于F3，d、e系列縱軸控制點(diǎn)d1-2、e1-2累計(jì)偏移距離0.8m，d17-20、e17-20累計(jì)偏移距離高達(dá)-9.1m，橫軸f系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離0.6m，橫軸g系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離高達(dá)-5.1m（圖7）。

分區(qū)G 優(yōu)化方案中（表7），G1 太陽輻射在1 000kW·h/m以上區(qū)域占比顯著提高，屋面控制點(diǎn)沿Z 軸變化微小，h、i、j 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離僅為3.7m，橫軸m 系列控制點(diǎn)保持不變，n 系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為1.7m，高度契合原始屋面；G2 太陽輻射1 300kW·h/m以上區(qū)域占屋面面積一半以上，屋面控制點(diǎn)沿Z 軸變化較明顯，h、i、j 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為19.2m，橫軸m 系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為0.6m，n 系列控制點(diǎn)為5.1m；G3 太陽輻射最高，1 300kW·h/m以上區(qū)域占比極大，但同時(shí)控制點(diǎn)沿Z 軸變化也最大，h、i、j 系列縱軸控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離高達(dá)62.1m，橫軸m 系列控制點(diǎn)累計(jì)偏移距離為3.7m，n 系列控制點(diǎn)為14.4m，原型契合程度較低（圖8）。

考慮到分區(qū)間平滑連接問題，將上述分區(qū)方案按原型契合程度進(jìn)行形態(tài)整合，生成總體優(yōu)化方案（表8）。優(yōu)化方案1與原始方案相比，太陽輻射獲取量有顯著提高，且原型契合程度方面與原始方案高度契合；方案3的太陽輻射最高，但原型契合程度極低，與原始建筑形態(tài)差別較大；方案2太陽輻射獲取量較方案1稍高，但屋面控制點(diǎn)偏移距離較大，原型契合程度較低，可實(shí)現(xiàn)性不強(qiáng)。因此，選擇優(yōu)化方案1作為機(jī)場屋面形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化最佳方案。

上述結(jié)果表明，利用遺傳算法進(jìn)行分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化，可有效提升機(jī)場BIPV屋面太陽輻射獲取量及建造可實(shí)施性，具備較高的實(shí)踐價(jià)值。

5 幾何重構(gòu)

6 E 區(qū)優(yōu)化方案(原型契合程度分析)

7 F 區(qū)優(yōu)化方案(原型契合程度分析)

8 G 區(qū)優(yōu)化方案(原型契合程度分析)

表3 控制點(diǎn)設(shè)置及變化方向

表4 優(yōu)化選型分區(qū)

表5 E 區(qū)優(yōu)化方案（太陽輻射分析）

表6 F 區(qū)優(yōu)化方案（太陽輻射分析）

表7 G 區(qū)優(yōu)化方案（太陽輻射分析）

表8 總體優(yōu)化方案

3.4 光伏單元排布

光伏單元排布體現(xiàn)了屋面整體形態(tài)的建構(gòu)及排布邏輯。本文通過結(jié)構(gòu)體系和表皮系統(tǒng)兩個(gè)層面，從宏觀屋面拓?fù)鋬?yōu)化—中觀光伏排布—微觀細(xì)部調(diào)整逐級深入，將光伏單元與機(jī)場屋面有機(jī)結(jié)合，達(dá)到最佳日照獲取和光伏單元最優(yōu)排布的目標(biāo)，有效提升光伏發(fā)電效率的同時(shí)又契合機(jī)場初始建造邏輯，降低建造成本。

3.4.1 結(jié)構(gòu)體系

太陽能光伏屋面結(jié)構(gòu)體系由三個(gè)層級構(gòu)成（圖9）。第一層級為機(jī)場結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，本文案例采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為機(jī)場主要承重結(jié)構(gòu)，用以接收和傳遞太陽能光伏屋面的所有荷載；第二層級為屋面系統(tǒng)，用以保證屋面體系的整體性與穩(wěn)定性；第三層級為軌道系統(tǒng)，由水平軌道和垂直支撐構(gòu)件組成，具有固定光伏組件及快速布置、便于更換的作用。一、二層級可利用機(jī)場原有結(jié)構(gòu)，避免二次建造，有效降低建造成本；三層級在原有結(jié)構(gòu)之上增設(shè)，可有效契合機(jī)場初始建造邏輯并極大提升施工效率。通過以上三個(gè)層級，既兼顧機(jī)場初始建造邏輯，又便于光伏單元的排布與后期維護(hù)。

3.4.2 表皮系統(tǒng)

傳統(tǒng)的屋面光伏組件排布方式難以滿足非線性屋面的曲面造型。本文通過參數(shù)化工具將單一的復(fù)雜曲面簡化為多個(gè)便于建造的平面網(wǎng)格，并引入600mm×1 200mm光伏單元基礎(chǔ)尺寸。對其進(jìn)行劃分，過程除保證非線性機(jī)場屋面連續(xù)性以外，盡量控制光伏單元間的縫隙使其在施工誤差內(nèi)，最大化排布光伏單元，增加發(fā)電效率的同時(shí)減少材料損耗。光伏單元排布完成之后，利用參數(shù)化工具優(yōu)化每個(gè)光伏單元的日照入射角度，在微觀層面最大化發(fā)電效率。

4 結(jié)論

本文提出一種“屋面形態(tài)分析—幾何邏輯建構(gòu)—分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化”的設(shè)計(jì)方法，以屋面形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化的視角，從宏觀到微觀將機(jī)場原始屋面優(yōu)化為利于太陽輻射接收的BIPV屋面，為機(jī)場應(yīng)用BIPV提供新思路。

（1）屋面形態(tài)分析：通過對不同形態(tài)航站樓屋面的太陽輻射分析，從屋面選型及太陽輻射獲取量兩方面為機(jī)場屋面拓?fù)鋬?yōu)化提供依據(jù)。

（2）幾何邏輯建構(gòu)：以機(jī)場屋面原始建造邏輯為基礎(chǔ)，通過參數(shù)化工具對屋面進(jìn)行分區(qū)建構(gòu)，使生成邏輯與原始屋面契合，為后續(xù)屋面拓?fù)鋬?yōu)化及光伏組件的分區(qū)布置奠定基礎(chǔ)。

（3）分區(qū)拓?fù)鋬?yōu)化：基于多目標(biāo)優(yōu)化算法工具，在太陽輻射獲取量與原型契合度兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的驅(qū)動下開展對航站樓屋面形態(tài)的拓?fù)鋬?yōu)化，從中篩選兩個(gè)目標(biāo)權(quán)衡優(yōu)化的航站樓BIPV屋面形態(tài)。在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)體系、表皮系統(tǒng)兩個(gè)層面進(jìn)行光伏單元排布。

航站樓BIPV屋面從太陽能利用角度為機(jī)場能源自給自足提供了一種新思路。通過形態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化，提升航站樓屋面太陽輻射獲取量，同時(shí)兼顧較高的原型契合程度，在有效緩解機(jī)場高能耗問題的同時(shí)兼顧可建造性，符合我國碳中和能源戰(zhàn)略規(guī)劃，具有較大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

＊本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“目標(biāo)和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計(jì)新方法及工具”（2016YFC0700200）之課題“北方地區(qū)高大空間公共建筑綠色設(shè)計(jì)新方法與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化”（2016YFC0700202）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (51738006)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51978418）、遼寧省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（lnqn201902）資助。

1-2來源于文獻(xiàn)[3]

3-9作者自繪

表1-8作者自繪