面向全生命周期的綠色建筑多目標優化決策

李曉娟 劉 科

福建農林大學交通與土木工程學院

0 概述

大量的能源消耗是導致全球變暖的最大因素，產生的溫室氣體約占人類溫室氣體排放總量的三分之二[1]。作為我國國民經濟的支柱行業，建筑業促進了經濟社會發展、增加了民生福祉，行業市場容量持續擴張。但作為能耗大戶，存在資源消耗量大、碳排放量高、環境污染嚴重等問題[2,3]。大量研究表明，建筑節能的切實可行性，但面對總量巨大的能源消耗，如何采用新技術、新手段，從源頭更有效、更合理地控制建筑能耗，是每一個“建筑人”都應該思考和面對的問題，保證我國經濟健康發展具有重大意義[4]。

綜上所述，綠色建筑評價體系的適用性和有效性仍不夠全面，尤其是對影響經濟成本的指標項考慮較少。由于綠色建筑設計參數數量眾多、構成復雜，采取各種措施所引起生命周期成本的增加或減少，在設計時未能得以體現。因此，在參數化設計中，分析各設計參數對建筑生命周期能耗和成本的影響程度，才能在實現節能目標的基礎上有效地控制建設投資。本文旨在從建筑節能成本優化設計出發，結合節能設計的相關專業知識、技術，開展綠色建筑全生命周期多目標優化，促進我國建筑行業的可持續發展。并以福建地區的實際工程為案例分析，結合當地氣候條件、規范標準，實現公共建筑的優化設計流程與方法進行求證。

1 基于BIM 的綠色建筑全生命周期多目標優化決策框架

基于BIM 的節能優化設計以建筑BIM 模型為核心，首先分析能耗性能與全生命周期經濟性分析，通過優化算法構建多目標決策，進行方案綜合評價，最終得到最佳的設計方案，其理想流程框架如圖1所示。

2 綠色建筑全生命周期能耗與經濟性分析

2.1 能耗計算范圍

采用等效電法進行能耗計算，符合公共建筑能耗以電能為主的特征。

圖1 基于BIM的節能設計優化流程框架

能耗計算公式：

2.2 能耗分析與輸出

本文采用Revit 軟件進行項目建筑設計，通過上述方法中rvt 格式轉換導入能耗模擬軟件進行能耗計算分析，保證了建筑設計的有效性及能耗計算的可靠性，為節能設計優化創造新途徑與思路。

2.3 全生命周期成本

實現節能與經濟的雙目標優化，真正達到節能建筑的社會、經濟、環境目標，須進行經濟性成本分析，主要考慮生命周期的成本。經濟性成本性分析，引入全生命周期成本分析（LCCA，Life Cycle Cost Analysis）方法作為理論指導，實現對設計方案的成本優化。在進行的分析時可只對初始化建設成本和運營成本作分析，計算中各項取值如式（4）。

2.4 全生命周期成本的經濟性評價指標

全生命周期成本的經濟性評價指標現值法不僅能夠用來分析不同方案在全生命周期的總成本，而且現值法還考慮到了資金的時間價值問題。生命周期成本現值（）的計算方法如式（5）所示。在比較方案的現值時，現值最小的方案全生命周期總成本最低。

影響圍護結構全生命周期成本分析的因素見表2。

表1 分析方案分析的各項因素

表1 分析方案分析的各項因素

3 綠色建筑全生命周期多目標優化決策

3.1 決策參數

通過參考近些年來建筑節能優化設計的研究成果，決策參數集中在建筑圍護構造方面，如：建筑朝向、窗墻比、保溫層厚度、玻璃類型、圍護結構熱工性能等，建筑圍護結構傳熱量占建筑熱量損失的比重最大，因此選擇外圍護結構作為優化對象[11]。針對外墻、外窗、屋頂三大設計參數提出不同的設計方案進行優化決策分析。

3.2 多指標正交試驗設計

在優化設計過程中，為了探究多個因素對試驗指標結果的作用機理，通常會將這些因素進行組合試驗，由于因素較多，因此會產生眾多的組合情況，若采用全面試驗的方法，將每種組合逐一進行試驗，試驗次數和難度則會更加的提高，任務更加繁重，甚至有的試驗不可能完成。因此，在實際應用中，做多因素的全面試驗不太現實，需要利用實驗設計方法，更加科學地選擇具有代表性的水平組合進行試驗，簡化試驗次數，捕捉足夠的試驗信息[12]。目前應用數理統計概念和正交原理是解決全面試驗的有效方法，借助規格化的正交表，從次數眾多的全面試驗中挑選出部分且具有代表性的組合方案，然后將試驗結果進行簡單計算，便能找出較好的工藝條件或最優組合。

3.3 功效系數法確定最優節能設計方案

功效系數法，又叫功效函數法，由E.C.Harrington在1965年提出的用于多目標優化的一種方法，被應用于正交試驗評價[15]。這種方法將試驗各指標通過功效函數轉化，并將同組各指標的取值作歸一化處理，得到一個總功效系數進行評定，當求解目標的量綱不同時特別適用。

本文采用功效系數法對多指標正交試驗結果進行分析，最后依據分析結果對各個方案進行綜合評價，擇優選出最佳的設計方案。

4 結論

本文對公共建筑節能設計優化進行了研究，將軟件模擬工具與優化算法、經濟性評價等理論知識進行有機結合，制定了一套基于BIM的公共建筑節能優化設計框架。以正交試驗設計為多目標優化算法確定優化方案，以Revit軟件和BECS軟件為建模、成本分析、能耗模擬工具，實現對辦公建筑優化方案的年度耗電量與生命周期成本現值的多指標評價，優選出最佳的節能設計方案，形成一個完整的節能設計優化框架可以將其應用于實際的節能設計過程中，旨在促進建筑業的可持續發展，實現向綠色建筑及節能建筑的轉型。