基于EPC能耗模擬工具的建筑設(shè)計初期能耗模擬與整合設(shè)計研究

洪烽桓 李麟學(xué) Hong Fenghuan Li Linxue

建筑所消耗的能量占全球總能耗的30%以上，建筑自身的電力需求約占全球總電力需求的50%，全球范圍內(nèi)，近幾年建筑年均總能耗較2000年提高約20%，建筑行業(yè)的二氧化碳排放量約占世界總排放量的30%。近年來隨著我國“雙碳”目標(biāo)的確立，綠色節(jié)能建筑設(shè)計成為推動我國綠色低碳發(fā)展的重要組成部分，并已迫在眉睫。但是，當(dāng)下建筑師無法將能耗模擬有效整合至建筑設(shè)計初期，導(dǎo)致在設(shè)計中后期，經(jīng)常因設(shè)計成果不滿足要求而退回至概念設(shè)計階段，致使“回溯性驗算”盛行。為了解決這一問題，羅亞x 瑞扎伊（Roya Rezaee）與詹森x 布朗（Jason Brown）等提出建筑設(shè)計初期的線性反向建模邏輯方法，桑迪普x 阿胡亞（Sandeep Ahuja）與帕特里克x 超普森（Patrick Chopson）等通過能耗需求來分析建筑體量與材料參數(shù)，但這些研究都脫離了實際建筑創(chuàng)作，在設(shè)計初期的應(yīng)用性較弱。

在有效結(jié)合建筑設(shè)計初期相關(guān)特征基礎(chǔ)上，為設(shè)計初期提出一個系統(tǒng)完整、切實可行的能耗模擬整合設(shè)計方法，并基于EPC能耗模擬工具，全面展示該設(shè)計方法在具體設(shè)計實踐的應(yīng)用過程。

1 建筑設(shè)計初期的特征

此處討論的建筑設(shè)計初期，主要以概念方案設(shè)計（Schematic Design）為主，未涉及過多的初步設(shè)計、擴初設(shè)計及施工圖設(shè)計。建筑設(shè)計初期具有一系列特征，包含階段性、迭代性、重要性和不確定性等。

建筑設(shè)計初期的階段性（Phasing Feature），主要指設(shè)計初期所包含的發(fā)散階段（Divergent Phase）、收斂階段（Convergent Phase）和深化階段（Developing Phase）。發(fā)散階段指依靠發(fā)散性思維，創(chuàng)造對實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)和建筑師自我表達都有效的概念設(shè)計；收斂階段指對發(fā)散階段生成的概念設(shè)計進行分析評估后，選擇最優(yōu)方案；深化階段指對建筑方案在設(shè)計初期的進一步優(yōu)化。

建筑設(shè)計初期的迭代性（Iterative Nature）指包含發(fā)散階段與收斂階段的設(shè)計決策過程會因不同設(shè)計側(cè)重點或設(shè)計參數(shù)而在整個設(shè)計過程中不斷反復(fù)。建筑設(shè)計初期的重要性（Decisive Impact）體現(xiàn)在與建筑設(shè)計的開端距離越近，對建筑設(shè)計方案的影響越大，且這種影響會隨建筑設(shè)計的推進而逐漸消亡（圖1）。不確定性（Uncertainty）指由于目前所掌握知識的限制而難以描述現(xiàn)在或?qū)砟硞€情況或結(jié)果的狀態(tài)，因為建筑設(shè)計是“建筑師在當(dāng)下做的對既定未來目標(biāo)的承諾”——建筑在施工建造后的最終成果，在根本上是由設(shè)計初期所有不確定參數(shù)在各自范圍內(nèi)的取值結(jié)果構(gòu)成的。

1 建筑設(shè)計初期的重要性體現(xiàn)及理想設(shè)計過程

在設(shè)計初期對能耗模擬進行整合，可以實現(xiàn)方案多評判標(biāo)準(zhǔn)的更新與引導(dǎo)，并有效建立能耗方面“目標(biāo)—路徑”的映射關(guān)系。作為分系統(tǒng)之一的能耗模擬與作為總系統(tǒng)的建筑設(shè)計之間，具有重要的協(xié)同工作機制：建筑師開始方案創(chuàng)作后，能耗模擬也隨之不斷調(diào)整，從而及時反饋結(jié)果，為方案的推進與優(yōu)化提供富有建設(shè)性的指導(dǎo)建議。

2 基于EPC 能耗模擬工具的建筑設(shè)計初期整合設(shè)計方法

2.1 EPC能耗模擬工具概述

Energy Performance Calculator（簡稱EPC）是基于微軟辦公軟件Microsoft Office Excel對建筑日常能耗進行模擬的低階簡易精度模擬工具。在EPC中，共有8個不同的標(biāo)簽頁面（Sheets），只需在模擬氣候數(shù)據(jù)頁面加載氣象文件，并在輸入內(nèi)容頁面填寫與建筑能耗相關(guān)的信息，即可得到建筑能耗模擬結(jié)果。

EPC工作平臺有一系列衍生工具，例如EPC Tech-Opt，可在已有的建筑能耗模擬結(jié)果基礎(chǔ)上設(shè)置能耗目標(biāo)，植入與之對應(yīng)的限制條件，將原本作為輸入端的參數(shù)取值變?yōu)槲粗M而通過Microsoft Office Excel中自帶的規(guī)劃求解加載項（Solver）求解工具插件，利用蒙特·卡羅（Monte Carlo）隨機模擬方法得到最優(yōu)參數(shù)組合，從而得到最優(yōu)全局解決方案。

EPC能耗模擬工具具有操作便利性、過程快捷性和內(nèi)容可變性等特點，非常適合在設(shè)計初期使用。

2.2 建筑設(shè)計初期能耗模擬與整合設(shè)計方法

將能耗模擬整合至設(shè)計初期，目的是在初期為建筑師提供引導(dǎo)與幫助，設(shè)計初期的階段性特征被應(yīng)用于能耗模擬路徑的核心板塊，形成整合方法中由發(fā)散階段和收斂階段構(gòu)成的正向設(shè)計過程和由深化階段構(gòu)成的逆向設(shè)計過程。前者通過對每一個設(shè)計參數(shù)設(shè)置不確定取值范圍，評估、檢驗與對比各個方案的能耗概率分布，如式（1）所示；后者通過設(shè)定能耗目標(biāo)，尋求所有不確定參數(shù)的最終取值結(jié)果，通過EPC的衍生工具Tech-Opt，達到方案在能耗上的優(yōu)化，如式（2）所示。

式中：式（1）自變量x代表建筑設(shè)計元素參數(shù)，x、x、x表示具體的參數(shù)項目；因變量y指建筑能耗模擬結(jié)果；自變量x和因變量y二者均具有不確定性；式（2）已知條件y是設(shè)定的能耗目標(biāo)；未知量x是能夠滿足能耗目標(biāo)的設(shè)計參數(shù)取值組合。

能耗模擬的整合方法可以根據(jù)建筑設(shè)計初期的階段性特征加以制定，但需要選出對建筑能耗影響較大的設(shè)計參數(shù)，并確定其在各個方案中的取值范圍及概率分布情況。判斷參數(shù)取值范圍的依據(jù)包含建筑規(guī)范、研究成果和設(shè)計經(jīng)驗等，參數(shù)的篩選可以通過敏感性分析實現(xiàn)。

3 同濟大學(xué)嘉定校區(qū)學(xué)生活動中心設(shè)計實踐案例研究

以同濟大學(xué)嘉定校區(qū)學(xué)生活動中心項目為例，探究基于EPC能耗模擬工具的建筑設(shè)計初期整合設(shè)計方法在具體設(shè)計實踐中的應(yīng)用。

3.1 建筑能耗模擬參數(shù)的選擇及范圍確定

根據(jù)能耗模擬常規(guī)要點，結(jié)合上海作為夏熱冬冷地區(qū)的普遍建筑能耗特征，以及本項目的具體情況，設(shè)計初期共選出19個主要建筑能耗模擬參數(shù)。在初步確定其設(shè)計范圍并經(jīng)過敏感性分析后，根據(jù)每個參數(shù)的影響程度確定整合設(shè)計過程中需要重點關(guān)注的設(shè)計要素（圖2）。

2 各參數(shù)對建筑能耗的相對影響程度

3.2 發(fā)散階段的概念設(shè)計

學(xué)生活動中心場地位于貫穿整個校園的中心綠地東北角，恰與上海夏季主導(dǎo)的西北—東南風(fēng)向契合，形成校園內(nèi)的主導(dǎo)風(fēng)向通廊。由此，在充分利用中心綠地景觀條件外，還應(yīng)關(guān)注其獨特的風(fēng)環(huán)境，充分利用校園內(nèi)部的微氣候進行綠色節(jié)能設(shè)計。設(shè)計提出兩個主要概念發(fā)展體系：“水平體系”和“垂直體系”，并根據(jù)要求，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，在每一個概念體系中分別發(fā)展出兩個子概念設(shè)計（表1）。

表1 發(fā)散階段中兩個主要的概念體系內(nèi)分別發(fā)展出的概念設(shè)計

3.3 收斂階段的方案比選

在確定設(shè)計參數(shù)概率分布后，可以模擬計算出方案的建筑能耗。以概念方案A-1“聚落”為例，通過EPC能耗模擬工具，利用蒙特·卡羅隨機模擬方法將每一個參數(shù)在其范圍內(nèi)隨機取值5 000次，最終得到建筑使用期間總能耗概率分布圖，并進行概率分布函數(shù)曲線的擬合分析。進而得到四個建筑方案的能耗概率分布情況，分析其描述性數(shù)字特征，包含能耗模擬分布的最小值與最大值、眾數(shù)、中位數(shù)、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差，以及90%范圍起始點與終止點所對應(yīng)的建筑能耗。在進行概率分布函數(shù)曲線擬合后，將不同方案的能耗結(jié)果在同一坐標(biāo)系中比較分析，取得更加直觀的效果（圖3）。這是一個正向設(shè)計的過程，最終在綜合了包括能耗評價、業(yè)主要求、總體成本、施工難易程度、土地節(jié)約程度、校園整體風(fēng)貌等標(biāo)準(zhǔn)后，選取方案B-1“熱力學(xué)煙囪”為收斂階段的最終設(shè)計方向。

3 四個概念設(shè)計方案的能耗概率分布曲線比較分析

3.4 深化階段的方案優(yōu)化

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08-107-2015）的相關(guān)要求，運用EPC能耗模擬工具可以得到“參照建筑”的能耗，其結(jié)果位于近似“鐘形”概率分布曲線的右半部，對應(yīng)數(shù)值約為80%。結(jié)合業(yè)主要求，將能耗目標(biāo)初步設(shè)定在能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)排名25%的位置，其對應(yīng)建筑使用期間總能耗約為105 kW·h/m/yr（圖4）。

4 建筑能耗目標(biāo)的設(shè)定

設(shè)置具體優(yōu)化數(shù)值或范圍后，在EPC Tech-Opt平臺上，利用蒙特·卡羅隨機模擬方法，尋求滿足能耗目標(biāo)的參數(shù)取值組合。這是一個逆向設(shè)計的過程，設(shè)計希望達到成本最小化（包含材料成本和施工成本等），因此要求在滿足能耗目標(biāo)的前提下，在EPC Tech-Opt的規(guī)劃求解加載項中設(shè)立限制條件，得到最低成本下滿足能耗目標(biāo)的結(jié)果，即參數(shù)在設(shè)計優(yōu)化后的最佳取值組合，進而整合至設(shè)計中，達到真正優(yōu)化建筑本體方案的目的。例如，設(shè)計優(yōu)化結(jié)果中，含有“45°立面外側(cè)垂直遮陽板”，設(shè)計希望遮陽板能夠與建筑立面渾然天成，提出建筑、結(jié)構(gòu)一體化的理念，采用豎向單元結(jié)構(gòu)構(gòu)件，熱力學(xué)技術(shù)性能方面形成豎向遮陽和自然通風(fēng)系統(tǒng)，使建筑不僅具有豐富的立面形式、空間光影與視線效果，同時還是承重結(jié)構(gòu)、裝飾構(gòu)件和建筑性能構(gòu)件。此外，創(chuàng)造性地將其延伸至屋頂，更好地滿足各類性能要求。在反復(fù)推敲后，形成單元式構(gòu)件有機組織的設(shè)計原型（圖5），簡潔有力地限定了建筑空間的邊界。同時，經(jīng)過設(shè)計初期的探索與把控，建筑能耗在設(shè)計中后期的深化中可以穩(wěn)定地維持在設(shè)立目標(biāo)附近，達到預(yù)期效果。

5 對單元式構(gòu)件進行組織的終版設(shè)計原型

基于EPC能耗模擬工具的建筑設(shè)計初期整合設(shè)計方法，在本次設(shè)計實踐中展現(xiàn)了以下創(chuàng)新性亮點：1）利用建筑設(shè)計初期特征，根據(jù)建筑項目的特點進行有針對性的設(shè)計，避免“回溯性驗算”或單純依靠節(jié)能設(shè)備實現(xiàn)綠色達標(biāo)；2）使節(jié)能設(shè)計為建筑本體設(shè)計服務(wù)；3）將正向與逆向設(shè)計過程結(jié)合，減少反復(fù)試驗的成本；4）以節(jié)能設(shè)計作為抓手，為建筑設(shè)計創(chuàng)新提供全新思路。

4 總結(jié)

“良好的開端是成功的一半”，建筑設(shè)計初期在整個設(shè)計周期中具有重要意義，對于節(jié)能設(shè)計與能耗模擬，關(guān)鍵是將其與建筑設(shè)計初期進行有效整合，從設(shè)計伊始把控建筑的能耗，解決當(dāng)下建筑節(jié)能設(shè)計與建筑本體設(shè)計嚴(yán)重脫節(jié)的問題。

6 建筑效果圖

1-5 作者自繪

6 麟和建筑工作室（ATELIER L+）提供

1 麟和建筑工作室（ATELIER L+）提供，作者自繪