分析優化建筑設計方法
——以日照、熱輻射為基礎

王秋明

（中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024）

1 概述

近年來，國內外許多學者基于多目標進化算法和參數化仿真工具對建筑形態和空間優化設計進行了研究。針對冬夏兩季太陽輻射的利用，同力以冬夏太陽輻射差異最小為設計目標，利用參數化仿真工具對建筑形態進行優化設計研究。根據雅典夏季和倫敦冬季的氣候特點，Fokaides在冬季和夏季使用參數化化學工具，在太陽輻射的指導下優化建筑圍護結構的設計。維爾穆倫研究了冬至、春分、夏至和太陽輻射所產生的全年總熱量的城市布局結構的優化設計，以確定在直達太陽輻射時的最大熱量。為了提高城市太陽輻射可達性和太陽輻射利用潛力，加布里埃爾結合特隆赫姆城市規劃實踐，優化了城市建筑的方向、高度和間距[1]。

在建筑設計中，建筑物的日照時間是一個非常重要的指標，它不僅關系到建筑的綠色、節能和低碳，而且關系到建筑的空間能量和利用評價。在《居住建筑規范》（GB 50368—2005）中，居住建筑日照時數是強制性要求，在建筑設計中必須滿足。然而，建設用地的開發強度往往與充足的日照時間背道而馳。考慮建筑容積率和日照要求，滿足消防通道間距的布置是住宅規劃設計中最突出的矛盾。在實際設計過程中，為了同時滿足日照和建筑面積比的要求，需要進行大量的反復修改和反復試驗，以找到一個平衡點。為了最大限度地合理利用氣象資源，使氣象資料具有實用參考價值，根據我國不同地區的氣候條件，以及對建筑設計的綜合影響，可分為Ⅰ寒區、Ⅱ寒區、Ⅲ夏熱冬冷地區，Ⅳ為夏熱冬暖地區，Ⅴ為溫和地區，Ⅵ為寒冷地區，Ⅴ為寒冷地區[2]。

2 優化設計過程

結合嚴寒地區某大學宿舍樓的設計方案，進行了研究。項目基地位于哈爾濱市雙城區，北、南與校園主干道相鄰，東西兩側與校園支路相鄰。地勢相對平坦，周圍沒有高樓。基地東西長252m，南北長64m。總建筑面積項目面積23000m2，波動率為5%。有五層。宿舍區總人數為2200人，每個宿舍區可容納4人。該項目要求宿舍樓采用庭院布局和靜修設計方法，以創造豐富的層次。

根據現場既有建筑物的日照條件，擬建區域西側和北側的建筑物日照條件良好，滿足2h日照要求，即：新建建筑應確保周圍建筑一層的日照條件不會受到明顯影響，照明也不會被遮擋。以確保周圍建筑的日照時間≥2h，即一樓的最低日照時數為≥2h時，可單獨評估建筑物第一層的底面。在新建筑物的遮光下，如果周圍建筑物的一樓和一樓仍能滿足2h的最低日照要求，那么周圍建筑物的其他樓層也必須滿足2h的日照要求。在Grasshopper中，分別提取周圍建筑物第一層的地面，以擬建建筑面積的三維空間作為目標函數，并使用蜜蜂的向量算法計算建筑物的第一層面積周圍的建筑，用于模擬底層建筑的位置關系。計算結果表明，在優化范圍內的任何建筑物，在2h以下都不會降低周圍建筑物的日照水平，但會在一定程度上影響周圍建筑物的日照水平[3]。

2.1 優化設計目標建設

本研究的優化目標是使采暖期的太陽輻射熱最大化，使制冷期的太陽輻射熱最小化，并使太陽能的可用面積最大化屋頂的太陽輻射。在這種做法中，供暖季節的太陽輻射熱是指在建筑物外表面累積的太陽輻射熱宿舍樓群從10月20日至次年4月20日。冷卻季節的太陽輻射熱是太陽輻射在建筑物外部區域的累積熱宿舍組從4月21日至10月19日。可用面積的百分比屋頂太陽輻射按全年計算，參考太陽能光伏利用需求，800kWh/m2為臨界值[9]。屋頂太陽輻射有效面積百分比定義為年平均吸收太陽輻射熱量大于800kWh/m2的屋頂太陽輻射有效面積占屋頂總面積的百分比。基于哈爾濱市CSWD氣候數據庫，利用蚱蜢插件瓢蟲計算太陽輻射產生的熱量，計算網格為2m×2m[4]。

2.2 設計參數優化

根據設計要求，宿舍綜合樓的初始形式為三棟內庭院建筑。每棟建筑的單個平面都是一個規則的矩形。中心有一個長方形的內院。宿舍均勻地布置在內院周圍。宿舍采用靜修的設計方法。考慮到建筑面積和服務人員的數量，該建筑的一樓和二樓不是作為休憩區設計的，而是從三樓開始設計的。同時，為避免優化設計方案超出總建筑面積要求，對一棟宿舍樓限制在7654m2，建筑面積一樓是2187m2。建筑物縮進比例、分區和層高的設計參數不僅影響建筑物的外部面積建筑物既能接收太陽輻射熱量，又影響建筑物的太陽輻射防護，這與優化設計目標密切相關。因此，在設計實踐中，選擇了5個參數作為優化設計參數：3層的寬度、4層的寬度、5層的頂點偏移、宿舍和建筑的高度[5]。

為了確保建筑群形式的優化結果滿足結構要求，本研究將設定優化設計參數的范圍。同時，為了保證解空間尺度的合理性，避免解空間過大，在研究中會設置每個優化設計參數的步長。為了確保建筑內部空間的適宜性，宿舍的寬度Z被視為一個優化步驟，a和B代表三層和四層軸線上相對于上層的宿舍房間數量的增加，因此出口平臺的寬度為3和4f*Z和B*Z，分別地為了保持總建筑面積不變，平臺在Y軸方向的寬度限制為（4-A）*z和（4-B）*z，A和B的范圍為0～4，步長為1。在本研究中，第5層的頂點偏移由AA1線段長度與間距（d）的比值d表示。優化設計的步長為1，優化范圍為0～17。同時，根據《宿舍建筑設計規范》（JGJ 36—2016），單人床宿舍凈高不小于2.6m，雙人床宿舍凈高不小于3.4m。考慮到宿舍空間的靈活性，樓層高度設置為3.3～4.5m，步長設置為0.3m。根據經濟舒適的空間布置原則，宿舍間的范圍為3.3～4.5m，步長為0.3m。建筑群形狀優化設計參數的約束范圍[6]。

2.3 優化算法參數設置

研究了基于多目標進化算法的建筑群太陽輻射利用性能優化設計過程。已有研究表明，多目標優化算法可以平衡多個性能目標，實現建筑性能的協同優化。多目標算法根據采暖期太陽輻射熱、制冷期太陽輻射熱和建筑可用面積百分比三個優化目標的計算結果，對建筑群的設計參數進行選擇、交叉和變異，并迭代生成建筑簇形式。

3 優化設計結果

經過100代計算，在多目標優化設計過程中獲得了150個非優勢解。非支配解集中相鄰點的網格為凹曲線，在較低的區域有較多的非支配解，表明在可用面積百分比較大的區域屋頂的太陽輻射，以建筑群形式出現的非主導解決方案相對較多[7]。

在最佳目標范圍內，屋頂太陽輻射的有效面積百分比為64.71%～94.15%，大多數非優勢解的屋頂太陽輻射有效面積百分比較高。采暖期太陽輻射熱在212.19～259.29kWh/m2之間，制冷期太陽輻射熱在343.28～423.87kWh/m2之間。這在一定程度上表明，多目標優化設計過程對冷季太陽輻射熱性能的影響大于對采暖季太陽輻射熱性能的影響。同時，寒冷季節太陽輻射熱性能的提高制約了屋頂太陽輻射有效面積百分比性能的提高。此外，加熱季節太陽輻射熱的增加也會導致冷卻季節太陽輻射熱的增加。因此，在集群配置的設計中，應考慮寒冷和溫暖季節對太陽輻射熱的性能要求[8]。

通過優化得到的非支配解集對這三個優化目標有不同的側重點。本研究分別選取了三個數值優化目標和最差目標，屋頂太陽輻射的有效面積百分比和冷卻季節的太陽輻射熱增益相對較好，屋頂太陽輻射加熱循環的有效面積百分比和太陽輻射加熱率相對較好。兩個目標相對最優，三個目標相對最優，并比較了七個非支配解的最優設計參數。

在7種非主導解決方案中，第一組和第二組在冷卻季節的太陽輻射熱較低，第五組和第二組的太陽輻射熱較低ⅵ在供暖季節，第三組和第四組的太陽輻射熱往往較高，而該區域的屋頂太陽輻射與第三組相對平衡ⅶ.通過比較第一組和第三組的數據，在建筑隔間和層高不變的情況下，建筑平臺寬度的變化和第五層峰值偏移量的變化可以產生27.97%的可用面積差異供暖季節屋頂上的太陽輻射。太陽能熱增量的10.94kWh/m2差值。冷卻季節的太陽輻射熱差為19.28kWh/m2。可以看出，在建筑空間和樓層高度相同的情況下，改變建筑后退的寬度和五層平面的頂點偏移對建筑可用面積百分比的影響更大建筑群屋頂上的太陽輻射，但在寒冷和溫暖的季節。太陽輻射熱的影響較小。通過Ⅳ數據及其組織，當返回臺灣的三層和四層僅沿一個軸（X或Y）傳播時，非受控解決方案的屋頂太陽輻射可用面積百分比增加最大，即返回臺灣以來最低條件下的建筑樓層，從而有效提高屋頂太陽輻射的利用潛力。通過比較群的非支配解ⅶ平方基面與群的非支配解ⅵ對于基面，發現群的解ⅶ方形基面在供暖季節可減少太陽輻射熱量24.13kWh/m2。有效面積屋頂上的太陽輻射增加了1.7%。此外，冷卻季節43.04kWh/m2的太陽輻射熱增益降低，這更好地平衡了三個性能目標之間的關系。研究表明，新的優化設計方法不僅可以提高建筑群的太陽輻射利用性能，還可以通過四組可視的宿舍建筑群形式，形成多樣化的建筑群形式方案，為設計決策提供更多選擇[9]。

太陽輻射是建筑設計中需要考慮和響應的重要氣候條件，太陽能也是目前使用的主要清潔能源。在現行的建筑法規中，對于住宅規劃和商業辦公樓設計的室外空氣熱環境沒有強制性的規定和要求。然而，隨著綠色理念的逐漸普及，在設計中尋求良好的戶外環境已是大勢所趨。該設計的主要矛盾是如何考慮容積率和日照時數。

建筑熱環境包括輻射、區域大氣候、局部小氣候等自然因素，以及建筑熱構件、建筑材料結構、建筑布局等設計因素，最終體現在熱平衡和人體舒適性上。

4 結語

建筑設計是基于復合影響因素尋求多種性能權衡優化解決方案的過程。根據嚴寒地區的氣候特點，結合工程實踐，對該建筑進行了優化設計。該組織形式基于太陽輻射加熱和冷卻季節。以可用區域屋頂太陽輻射的形式和比例為優化目標，采用150個非主導解。結論包括以下3點。

（1）通過優化得到的150個非優勢解的范圍分布表明，寒冷地區建筑群的優化設計可以探索出具有更好太陽輻射利用性能的寒冷地區建筑群的形態設計方案；結果表明，該方法能有效地改善寒冷地區的建筑群。太陽輻射利用性能[10]。

（2）非支配解的參數分析表明，建筑物后退的寬度和建筑物第五層的頂點偏移對屋頂可用面積的太陽輻射百分比有很大影響，但對供暖和制冷季節的太陽輻射熱量幾乎沒有影響。

（3）非優勢解的比較表明，用寒冷地區建筑群優化設計方法計算出的非優勢解具有不同的建模特點，表明該方法不僅可以提高太陽輻射利用性能的同時，也能為建筑組團形態創作提供靈活選擇。