環境要素影響下的中庭原型空間多維性能互聯優化推演

陳鑫星，李珺杰（通訊作者）

0 引言

隨著我國人民生活水平的不斷提高，建成環境性能對舒適性、建筑能耗等的影響也逐漸得到關注。在這樣的背景下，以環境要素性能為主導的研究與實踐工作逐漸得到了重視和推動。另一方面，數字技術的發展也使得建筑性能模擬越來越成熟，促使越來越多的建筑師與設計者在建筑早期設計階段就通過優化建筑環境性能來提高設計的總體品質和效率。

然而在目前的建筑環境性能優化領域中，也存在著諸多問題。目前，國內外大多數研究主要關注建筑的排布，外部形體和圍護結構的設計，分別占到了19%、23%、58%，其中較少關注類似于中庭空間等內部空間優化問題[1]。但是，隨著行業的發展，建筑內部形態的逐漸復雜化，中庭空間也成為了重要的研究對象。中庭空間不僅有助于組織內部空間，也能利用自然調控提升室內舒適度水平[2]。然而中庭空間的置入涉及風、光、熱、能耗等多種環境性能和空間感知的綜合問題，尤其是對風環境計算有很高的要求。大多數風模擬計算存在耗時長，所需的計算機性能較大，與其他軟件之間存在壁壘，很難進行聯動耦合計算的問題[3]。如何盡可能同時、全面地評價和模擬建筑中庭空間設計，是亟需關注的問題。

另一方面，大約60%的建筑優化研究使用單目標方法，即在優化運行中只能優化風、光、熱等環境中的其中一個目標函數[4]。然而，在現實世界的建筑設計問題中，設計師往往不得不同時處理沖突的設計目標。而中庭空間的設計與圍護結構、外部形體等設計不同，需要同時對多維環境性能進行優化。因此需要結合多目標優化方法[5]，整體提升中庭空間的性能品質。

為了解決這兩個問題，本文嘗試結合性能模擬、多目標優化、參數化建模[6]等多種數字方法形成創新的研究方法，主要以辦公建筑中庭為研究對象，為建筑師提供空間形態設計的修改輔助和性能評估。具體的創新研究結果為：（1）提出一種針對辦公中庭空間形體優化選擇和性能評價方法，（2）通過相關建模平臺、模擬軟件和優化算法實現該方法，（3）結合具體案例對方法的有效性進行檢驗并討論建筑師的主觀調控。

1 方法構想和路線

為了實現這種對辦公中庭空間的形體優化和性能評價方法，本研究比較和選擇相關建模平臺、模擬軟件和優化算法，以解決以下兩個問題。

1.1 中庭空間多目標優化問題

Cui等人總結出建筑性能領域的多目標優化共有4種方法[5]。目前主要使用其中的兩種處理方式，分別是權值方法和帕累托前沿方法。

（1）權值方法：最終結果為所有目標性能的線性疊加，根據偏好對每個目標值添加不同的權重，其公式為：

（2）帕累托前沿方法：如果有兩個以上的目標需要最小化，位于紅線上的解在兩個目標值上都好于其他的解，這些解就被稱為帕累托前沿解（圖1）。

1 帕累托前沿解集（繪制：陳鑫星）

而在現有相關研究中，多目標優化一般僅限于3個，無法全面的評價建筑空間的整體性能，因此本研究將使用網頁可視化和進化算法等多種手段結合帕累托前沿方法，嘗試更多維度的多目標優化。 國內外學者在建筑性能多目標優化領域有過一些研究和應用，例如Evins等人的綜述中顯示，過去10年中大約40%的性能優化中使用了帕累托前沿優化[7]；Nguyen等人總結了多目標優化目前存在的相關缺點[4]；韓昀松等人針對日照輻射量的多目標優化設計進行了研究[8]；吳迪等人針對寒冷地區居住建筑歸納出節能最優、經濟最優和權衡最優的優化方法[9]。以上相關研究中的多目標優化依舊存在如下缺點：（1）很少優化3個以上目標值，（2）很難從帕累托集中選最佳解，（3）不能較好地反映方案形態和可視化過程。

本研究經過對比不同優化算法和平臺后，最終選擇Wallacei作為多目標優化的優化處理平臺[10]，Wallacei是一款基于Grasshopper參數化建模平臺，以NSGA-2算法作為主要進化算法的優化軟件。此進化引擎在處理超過3個以上目標值的優化中也能有比較好的表現[11]，且其操作界面直觀清晰，人機交互性友好，不需要外接其他的計算軟件平臺。并選擇Design Explorer作為多目標優化的可視化處理平臺，Design Explorer是一款基于Grasshopper參數化建模平臺的優化方法[12]，可以在參數化可視化腳本界面中運行，將計算的輸入輸出端圖示化，從而可以探索設計空間和多目標優化。

1.2 中庭空間評價和模擬

大多數建筑模擬軟件存在與建模及優化軟件數據銜接不便的問題。一些環境性能化研究只考慮了某一種環境性能，例如，使用Autodesk Ecotect Analysis模擬進行建筑的采光性能分析[13]。而當多維性能需要耦合互聯時，風環境、能耗和自然采光模擬所需要的模擬平臺和建模環境不同，互相之間無法進行兼容。在這種情況下，建筑師不得不進行多次重復建模，降低了方案設計效率的同時也增加了性能計算的誤差。為了將這些復雜的性能優化集中在一個平臺中，設計在參數化建模平臺Grasshopper（GH）上選用Ladybug模擬軟件進行環境性能分析，并用相同平臺下的多目標優化軟件進行搜索尋優。從而將形態生成、性能模擬和搜索尋優3個模塊集成在同一個平臺上運行。通過完整的技術路線流程（圖2），能夠有效地解決數據連接不便的問題，且能在同時優化超過3個目標值的基礎上，進一步可視化選擇過程，方便與建筑師的主觀經驗選擇協同工作。

2 技術路線流程

2 設計模式和推演流程

2.1 選擇空間原型對象

經過相關辦公空間的調研，其柱跨基本在8~10m之間，因此本研究按照柱跨進行切分，截取10m開間標準辦公中庭空間單元原型作為研究對象，簡化具有不同開間條件的建筑空間方案（圖3）。

3 空間原型單元對象尺寸

2.2 形態要素影響因子解析

采用兩組參數對中庭空間原型進行描述：第一組為形態參數：中庭形態、樓板進深、中庭進深、底層高度、辦公高度、樓板錯動距離6個影響因子；第二組為圍護結構參數：入風比率、出風比率、室內比率、屋頂外墻的熱工性能K值、玻璃遮陽系數SHGC值、百葉寬度6個影響因子。研究相關既有辦公中庭空間常見的尺寸[2]，在此基礎上進行適當的拓展后得到各影響因子的取值范圍（表1）。

表1 形態變量取值范圍（繪制：陳鑫星）

2.3 建立性能多維評價參數關聯

論文以寒冷地區北京為例，寒地城市冬季寒冷夏季較為炎熱，建筑物需要提升冬季防寒、保溫等水平，盡可能得到更多太陽熱量，夏季應兼顧通風、防熱和遮陽條件，因此光熱環境的提升優化需要同時考慮冬季和夏季，而風環境的提升主要集中在夏季[14]。

為了建立性能多維評價，需要將不同的環境參數進行互聯。在風、光、熱、空間4個方面模擬運算并提取關鍵性的指標進行評價，并將每一個指標可視化。本研究共選取8個輸出指標，以達到盡可能獲得全面優化的結果（表2）。

表2 多維性能評價（繪制：陳鑫星）

（1）風環境性能

建筑的風環境性能包括街區尺度的室外風環境和建筑尺度的室內風環境，目前較多研究主要將室外風環境作為研究對象[15]，忽視了建筑尺度例如中庭、微觀尺寸等影響因子。因此，本文將主要研究室內風環境，選取舒適風速范圍占比、舒適溫度范圍占比、不舒適最大風速3個目標值作為評價建筑風環境方面的參數[3]。研究的評價標準是盡可能提高舒適風速、溫度占比，降低不舒適最大風速。

風環境使用了Ladybug平臺中的Butterfly插件與風模擬軟件Openfoam連接，進行CFD風環境計算[16]。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》得到北京夏季風信息，風速為2m/s，方向為正南方，溫度為29.5℃。并設定相關的網格尺寸和模擬范圍。

表3 全球變暖潛力（GWP）材料系數（繪制：陳鑫星）

（2）光環境性能

光環境采用夏季累積日照輻射得熱量和冬季累積日照輻射得熱量兩個光環境評價指標，有效地表現自然采光的性能[17]。北京作為寒冷地區，需要同時做到夏季隔熱和冬季保溫，因此研究的評價標準是盡可能提高冬季輻射量，減少夏季輻射量。光環境分析使用了Ladybug平臺與光模擬軟件Radiance連接，進行全年光照計算[18]。選擇7月1日-9月30日作為夏季時間，選擇12月1日-2月29日作為冬季時間，模擬計算全天累計的日照輻射得熱量。

（3）能耗性能

采用全年單位能耗和建筑材料的碳排放量作為評價建筑能耗方面的參數[9]。建筑材料碳排放量是按照全球變暖潛力值（GWP）計算方法,根據建筑墻體、樓板等各項材料用量，選取常用的建筑材料，計算出建筑早期的碳排放消耗[19]。研究的評價標準是盡可能減少這兩個目標值。GWP是基于充分混合的溫室氣體輻射特性的一個指數，對于建筑物，通常以建筑物總建筑面積每平方米（m2）的KgCO2eq計量。

GWP（KgCO2eq）=材料體積（m3）×全球變暖潛在體積系數因素（KgCO2eq/m3）

能耗分析使用了Ladybug平臺與能耗分析軟件Open studio連接[20]，進行能耗計算。根據《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015，設置能源使用參數如下。辦公區：人員密度10m2/人，照度功率密度11W/m2，新風量30m3/人，設備功率20W/m2；走廊中庭區：人員密度50m2/人，照度功率密度5W/m2，新風量10m3/人；設備功率：5W/m2。設置暖通空調設備參數，夏季空調期6月1日-9月30日，空調為多聯機系統，系統COP為3.0，冬季采暖期為11月15日-3月15日，設備為燃氣爐，系統COP為0.9。工作時間為工作日9:00-17:00，周末為0。根據當地的氣象參數得到全年能耗并進行可視化。

（4）空間性能

為了保證建筑的使用率和經濟效益，研究需要提高建筑可用面積，同時應該控制住建筑的表面積以減少體積系數。因此本研究用建筑可用面積以及建筑表面積兩個目標值作為評價建筑空間方面的參數。

（5）各性能互聯

不同性能類型之間并不互相獨立，某一類型的性能評價值改變會同時影響其他的輸出指標，根據上述各性能的定義、變量，與形態參數進行互聯，歸納出關系圖，建立兩對輸入輸出值之間的規律（圖4）。

4 形態參數與性能評價的定義、變量、關系（繪制：陳 鑫星）

3 優化結果討論

3.1 基于進化算法的優化驗證

此優化實驗選擇了Wallacei作為優化平臺，連接上文中選擇的參變量和目標值后開始模擬分析。由于風模擬時間較長，受限于迭代時間限制，將設置運算代數為40代，每個種群數量為25，共得到1000個解。

經過多目標進化算法優化計算平均每次模擬時長為1.6分鐘（min），實驗共計27.5小時（h），所得模擬標準差圖表（圖5）顯示，優化結果有收斂的趨勢，但是因模型搜索空間過大和優化時長限制，沒有做到完全收斂，但是也能在很大程度上篩選出帕累托前沿解。

5 模擬實驗標準差圖標-正態分布圖

對優化結果輸出的帕累托解進行篩選，在前沿曲線上提取各目標值排名平均最高的方案（表4）。分布圖的縱坐標為各個目標值的大小，方案所處位置越低，代表該性能越好。

表4 模擬實驗輸出結果篩選方案表（繪制：陳鑫星）

3.2 基于網頁可視化的相關性分析

在得到了優化算法生成的1000個解后，研究基于網頁端平臺Design Explorer進行可視化和相關性分析，選擇所有方案進行模擬運算后提取參變量和目標值，將其導入可視化數據網頁。各目標值可視化表現輸出結果見圖6。

由實驗結果比較可知，不同輸入參數對不同指標的影響程度不同。對各種優化結果進行比較分析后，可見對某一目標值不同影響因子的相關性排序（圖7）。

7 影響因子相關性排序

同時，研究整理了不同目標值之前的相關性，由圖8可知，可以明顯得出結論，夏季日照輻射、冬季日照輻射、全年單位能耗、碳排放和建筑可用面積5個目標值之前呈現顯著的正或負相關性，但與風環境的3個目標值沒有顯著關聯。

8 目標值相關性排序

4 中庭空間形態生成

為了測試構想的方法和工作流程是否能解決建筑設計實踐上的問題，本研究選取某辦公空間的更新改造設計實例進行流程檢驗。該方案項目位于北京西城區，氣候上屬于寒冷地區，建筑物屬于既有建筑改造和加建。設計師給出的初稿形態設計 （圖9、10）。

9 初稿形體軸測

10 初稿形體單元軸測

獲得初稿方案后，建筑師可以利用文中方法對建筑中庭進行風、光、熱和空間等相關性能的模擬評價和多目標優化。建筑師在通過網頁可視化和進化算法等工具獲得最佳單元形體之后，可以有效提升多維性能的指標。

如表5所示，分布圖位置越靠下，雷達圖面積越小，則代表方案性能越好。優化方案與原方案對比可以看出，優化后的性能僅在冬季輻射量和建筑面積兩個目標值有6%和3%的較小降低，在其他6個目標值中都有顯著提升。且雷達圖的面積相比原方案有較大的減小，說明該優化方法顯著地提升 了中庭原型單元性能的綜合水平。

表5 優化前后方案性能評價對比（繪制：陳鑫星）

除了利用該方法得到最優解之外，建筑師還可以進行主觀調控。例如在該實例中，建筑的開間長達150m，若整個中庭都為同一個單元組成，則會造成單調乏味的空間體驗。因此，在客觀的數據模型的基礎上，納入建筑師主觀的空間形態的思考，修改該單元形體在建筑整體布局中的比例，例如將不同性能評價的單元間隔組合。雖然在局部降低一些性能水平，但是可以形成有節奏感的空間造型。主觀調控還可以根據不同功能辦公空間，創造所需的最佳環境，置換成優先級為不同性能的單元。

輔助功能空間環境性能要求較弱，需要滿足較高的面積需求，封閉辦公空間容易出現通風不暢的問題，因此風環境性能水平需要提升，開放辦公空間人群使用頻率最高，需要綜合性能全面的單元（圖11）。

11 主觀調控不同性能單元組合（繪制：陳鑫星）

上述實驗測試表明，在不深入了解相關模擬方法和相關優化策略的情況下，建筑師仍能通過該優化流程，對辦公空間中庭的形態進行針對性的優化，避免多平臺和多個矛盾目標互相協調所耗費的時間，有助于提高方案早期設計過程的效率和品質；同時，在這一過程中計算機可以提供多種不同性能取向下的方案，以此提供建議和引導，建筑師仍可以掌控前期的建筑形態生成方法，并有多種選擇，保證了設計的主觀性和自由度，避免變成計算機決定一切的問題。

5 結論

本研究結合參數化設計、性能模擬等數字設計方法，提出了一種針對辦公建筑中庭空間的多維性能互聯方案優化方法，連接了方案在前期生成過程中需要考慮到的不同維度建筑性能，并通過網頁可視化和進化算法兩種手段實現了所提出的方法。本研究的工作可以得出以下結論：

（1）參數化生成和多維環境性能評估可以結合到建筑早期形態設計的過程中，使建筑師獲得快速且多方面的建筑方案性能表現反饋，改善目前設計流程中方案優化與環境性能評價效率較低的問題。

（2）建筑師可以在不了解相關性能運算機制的情況下，直接對建筑早期性能的目標值進行評價和篩選，有利于提升方案形態設計的初期性能水平。

（3）本方法可以通過多種交互方式對建筑師進行反饋，具有較高的實時性和可靠性，可以保證建筑師具有主觀調控能力的同時，確定該形態的最優解。□