基于G1序-物元可拓模型的重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)

張森林, 鮑安紅, 胡嫚, 敖寧玉

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院, 重慶 400715)

2019年,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2019)[1],和原《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2014)相比,新版綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更加突出堅(jiān)持民生導(dǎo)向,以人為本,對(duì)建筑帶給人的舒適度、健康性層面提出了新的高要求[2],但當(dāng)前綠色建筑評(píng)分規(guī)則與庭院式農(nóng)宅存在適應(yīng)性不足的問題[3]。

近年來,重慶加快推進(jìn)農(nóng)房和村莊現(xiàn)代化,全面改善農(nóng)村居民生活居住條件,2022年與四川聯(lián)合開展“巴蜀美麗庭院示范片”建設(shè),通過調(diào)研重慶渝西片區(qū)6個(gè)區(qū)縣74戶庭院式農(nóng)宅,發(fā)現(xiàn)重慶庭院式農(nóng)宅舒適度整體不高,需采取措施提升其室內(nèi)外的舒適度。

國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)舒適度的研究主要集中在利用溫度、濕度、風(fēng)速等因素進(jìn)行研究。例如,Cheng等[4]、Ng等[5]從風(fēng)冷指數(shù)、風(fēng)力指數(shù)、熱舒適度研究室外舒適度,提出室外熱舒適性由氣溫、風(fēng)速、濕度、行為、著裝、太陽輻射等因素共同影響,通過進(jìn)一步研究后,表示社會(huì)以及行為因素也會(huì)影響室外熱舒適度;胡興等[6]從氣候條件、生理調(diào)節(jié)、社會(huì)習(xí)慣和行為模式等4個(gè)方面分析室外熱舒適度影響因素;鄧粒子等[7]基于溫濕指數(shù)、風(fēng)寒指數(shù)和著衣指數(shù)建立了氣候綜合舒適指數(shù)。

部分學(xué)者從建筑與建筑環(huán)境方面探究了建筑對(duì)舒適度的影響。通過使用紊流模型進(jìn)行研究,鄒惠芬等[8]發(fā)現(xiàn)農(nóng)村住宅依賴于火炕或火墻供暖無法滿足居民的舒適性要求,并以此評(píng)價(jià)室內(nèi)熱舒適性;呂小勇[9]從室內(nèi)溫濕度、通風(fēng)情況、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、窗墻比、綠色能源利用以及綠色意識(shí)等方面評(píng)價(jià)嚴(yán)寒地區(qū)村莊室內(nèi)熱濕環(huán)境;張杰等[10]針對(duì)內(nèi)蒙古中西部居住建筑進(jìn)行研究,得到了農(nóng)牧民冬季室內(nèi)可接受溫度范圍和期望溫度;彭旭路[11]以上海黃金城道步行街為例,研究夏季街道熱舒適的微氣候因素;胡海輝等[12]以哈爾濱公園的植物群落為研究對(duì)象,來探究植物群落微氣候與人體舒適性的關(guān)系。

針對(duì)農(nóng)村居住建筑室內(nèi)舒適性的研究已經(jīng)比較成熟,但往往是涉及單個(gè)或某幾個(gè)因素進(jìn)行分析,缺少系統(tǒng)的指標(biāo)體系,而室外舒適性研究還處于發(fā)展階段,大多數(shù)研究者針對(duì)城市室外舒適性研究,對(duì)農(nóng)村室外舒適性少有研究。

基于此,現(xiàn)針對(duì)庭院式農(nóng)宅,從建筑及建筑環(huán)境角度,研究重慶地區(qū)庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo),以期為后續(xù)庭院式農(nóng)宅舒適度設(shè)計(jì)及改造研究打下基礎(chǔ)。

1 綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

通過查閱舒適度評(píng)價(jià)、綠色農(nóng)房評(píng)價(jià)等相關(guān)文獻(xiàn),以及《重慶市綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ 50T-066—2020)、《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》、《綠色農(nóng)房建設(shè)導(dǎo)則》等國(guó)家、地區(qū)文件,篩選出與舒適度相關(guān)的建筑與建筑環(huán)境指標(biāo)。通過實(shí)地調(diào)研重慶市永川區(qū)、江津區(qū)、榮昌區(qū)、潼南區(qū)等地的多個(gè)村落,調(diào)研重慶庭院式農(nóng)宅建造情況、用能現(xiàn)狀、主觀舒適度,并訪問當(dāng)?shù)卮迕?詢問建筑及建筑環(huán)境影響其舒適度的因素。

根據(jù)上述兩種方法建立了初步的評(píng)價(jià)指標(biāo)池,通過與綠色建筑、農(nóng)業(yè)建筑領(lǐng)域的專家、建筑工程師等多次溝通,確定重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。將重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)分為1個(gè)一級(jí)指標(biāo),3個(gè)二級(jí)指標(biāo)(包括建筑設(shè)計(jì)、建筑室內(nèi)環(huán)境、場(chǎng)地生態(tài)與室外物理環(huán)境),以及18個(gè)三級(jí)指標(biāo),具體內(nèi)容如表1所示。

表1 重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要說明

1.2.1 建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)簡(jiǎn)要說明

(1)建設(shè)選址:①應(yīng)位于安全區(qū)域;②應(yīng)保護(hù)場(chǎng)地原有的地形地貌;③具備一定的交通便利性;④不應(yīng)存在危害物質(zhì)。

(2)建筑布局:①居住空間具有一定的靈活性;②空間劃分合理;③有利于夏季通風(fēng)、屋面隔熱和遮陽,保證室內(nèi)獲得良好的日照和采光;④對(duì)其他民居不會(huì)產(chǎn)生光線或自然風(fēng)的遮擋。

(3)建筑朝向:宜采用當(dāng)?shù)刈罴殉颉?/p>

(4)建筑材料:應(yīng)使用綠色低碳建材,使用率應(yīng)達(dá)到20%。

(5)遮陽措施:采用適宜建筑遮陽技術(shù),改善室內(nèi)熱舒適,遮陽面積占外窗透明部分比例應(yīng)達(dá)到25%。

(6)無障礙設(shè)計(jì):①室內(nèi)外無障礙設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);②室內(nèi)外出入口、場(chǎng)地出入口和村莊道路之間應(yīng)設(shè)有連貫的無障礙步行系統(tǒng);③樓梯和坡道須設(shè)置防滑措施;④道路交通組織應(yīng)便于人、機(jī)等通過,不同方位道路互相連接,同時(shí)減少占用土地面積。

(7)防水防潮措施:①衛(wèi)生間和浴室地面應(yīng)涂抹防水涂層,墻面和頂棚應(yīng)使用防潮材料;②防水材料、外墻材料以及基底材料應(yīng)相容,黏結(jié)可靠,且性能穩(wěn)定,以達(dá)到防水、防滲的要求。

建筑設(shè)計(jì)下3級(jí)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 建筑室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)簡(jiǎn)要說明

(1)室內(nèi)空氣質(zhì)量:①避免廚房、衛(wèi)生間等區(qū)域的空氣擴(kuò)散到其他空間;②設(shè)計(jì)規(guī)范的排污系統(tǒng),衛(wèi)生間應(yīng)裝置排氣扇,廚房應(yīng)配置抽油煙機(jī);③房間中應(yīng)無明顯異味。

(2)室內(nèi)噪聲、隔聲性能、室內(nèi)燈光照明:應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(3)采光照度值比例:庭院式農(nóng)宅室內(nèi)主要空間至少60%面積區(qū)域,其采光照度值不低于300 lx的小時(shí)數(shù)平均不少于4 h/d。

(4)通風(fēng)開口面積比例:庭院式農(nóng)宅外窗應(yīng)有利于室內(nèi)空氣流通,通風(fēng)開口面積與房間地板面積的比例達(dá)到8%。

(5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能:應(yīng)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì),保證具有良好的保溫隔熱性能。

室內(nèi)建筑環(huán)境下3級(jí)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 室內(nèi)建筑環(huán)境指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 場(chǎng)地生態(tài)與室外物理環(huán)境指標(biāo)簡(jiǎn)要說明

(1)庭院布局:①庭院設(shè)計(jì)需具有一定的統(tǒng)一性;②庭院空間保持均衡,各空間利用有效;③庭院地面平整,環(huán)境整潔衛(wèi)生;④臨近道路的農(nóng)宅,應(yīng)采取措施降低噪聲影響。

(2)綠化美化:利用自然要素和人工條件進(jìn)行庭院綠化美化,綠地率不低于5%。

(3)噪聲分區(qū):應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(4)典型風(fēng)速和風(fēng)向:場(chǎng)地內(nèi)的風(fēng)環(huán)境應(yīng)有利于建筑的自然通風(fēng)以及室外行走和活動(dòng)的舒適性。

場(chǎng)地生態(tài)與室外物理環(huán)境下3級(jí)指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 場(chǎng)地生態(tài)與室外物理環(huán)境指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

2 舒適度評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

2.1 基于G1法的權(quán)重的確定

G1法又稱秩序關(guān)系分析法,是對(duì)AHP法的改進(jìn),與AHP法相比,不僅能充分體現(xiàn)專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)特點(diǎn),而且具有計(jì)算量少、無需一致性檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)[13]。其步驟如下。

步驟1確定指標(biāo)序關(guān)系。

步驟2確定相鄰指標(biāo)相對(duì)重要程度。

假設(shè)專家關(guān)于指標(biāo)Xk-1與Xk的重要程度之比的理性判斷為zk。

zk的賦值可參考表5。

表5 zk賦值參考表

步驟3確定權(quán)重系數(shù)Wm。

若專家給出理性賦值z(mì)k,則

(1)

根據(jù)10位綠色建筑和農(nóng)業(yè)建筑領(lǐng)域的高校、企業(yè)專家的問卷調(diào)查,得出重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,如表6所示。

表6 重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2 基于物元可拓模型的評(píng)價(jià)方法

物元可拓分析[14]可以將庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)中不相容的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為相容指標(biāo),使問題得到合理解決。

傳統(tǒng)物元可拓模型通常使用最大隸屬度準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)等級(jí)。采用貼近度準(zhǔn)則代替最大隸屬度準(zhǔn)則,避免最大隸屬度準(zhǔn)則確定評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)近似處理的缺陷,提高模型評(píng)判的可靠性[15]。

步驟1確定經(jīng)典域及節(jié)域。

根據(jù)所構(gòu)建的重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,將舒適度等級(jí)劃分為j個(gè),影響舒適度的指標(biāo)有n個(gè),即c1,c2,…,cn,其評(píng)分取值區(qū)間為Vij∈(aij,bij),確定經(jīng)典域矩陣Rj表示為

(2)

式(2)中:R為重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度;P為反映重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度的n個(gè)指標(biāo);C為評(píng)價(jià)指標(biāo);V為取值區(qū)間[15];anj和bnj分別為Vij的下限值和上限值。

節(jié)域物元矩陣是由待評(píng)價(jià)對(duì)象全體評(píng)價(jià)等級(jí)、評(píng)價(jià)指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍組成,記作Rp[16]。根據(jù)重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci全體等級(jí)的取值范圍Vpi,確定節(jié)域物元矩陣為

(3)

式(3)中:apn和bpn分別為Vpi的下限值和上限值。

步驟2確定待評(píng)價(jià)物元。

以影響重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度的作用參數(shù)用物元表示,確定待評(píng)物元為R0,表達(dá)式為

(4)

式(4)中:P0為重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度的評(píng)價(jià)等級(jí);Vj為影響重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度指標(biāo)的評(píng)分。

步驟3等級(jí)貼近度計(jì)算。

采用貼近度準(zhǔn)則進(jìn)行舒適度等級(jí)評(píng)價(jià),公式為

(5)

(6)

式中:Kj(N)為貼近度;Dj為距離;Ti為權(quán)重。

步驟4等級(jí)評(píng)判。

若滿足式(7),則稱待評(píng)物元N屬于等級(jí)j。

Kj0(N)=maxKj(N),j=1,2,…,m

(7)

2.3 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分

將重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí),如表7所示。

表7 重慶庭院式農(nóng)宅綠色舒適度等級(jí)劃分

3 實(shí)例分析

3.1 模型的建立

選取對(duì)象為重慶永川區(qū)庭院式農(nóng)宅,該農(nóng)宅屬于調(diào)研中的典型農(nóng)宅,也是區(qū)級(jí)的最美庭院,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖如圖1所示。

圖1 建筑實(shí)拍圖

根據(jù)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況,利用Auto CAD 2021繪制建筑平面布局如圖2所示,利用Revit 2018進(jìn)行建筑三維模型構(gòu)建,三維模型圖如圖3所示。

圖2 建筑平面布局圖

圖3 建筑三維模型圖

3.2 性能分析

使用Ecotect軟件進(jìn)行建筑環(huán)境分析,Ecotect可以對(duì)建筑進(jìn)行光環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等方面的模擬。

將Revit 2018中的模型通過gbXML格式導(dǎo)出,導(dǎo)入到Ecotect中,簡(jiǎn)化導(dǎo)入的模型,并導(dǎo)入重慶市氣象資料,載入Ecotect的子工具Weather Tool,可以查看重慶市全年的氣象環(huán)境資料[17]。由于用戶主要在建筑一層活動(dòng)與休息,選擇一層進(jìn)行建筑環(huán)境分析。

3.2.1 建筑朝向分析

通過Weather Tool[18]分析最佳朝向如圖4所示,黃色箭頭指向?yàn)橹貞c市建筑最佳朝向,為北偏南170°,紅色箭頭為最差朝向,為北偏東80°。該農(nóng)宅呈東西走向,正門朝向?yàn)楸逼?16°。

圖4 最佳朝向?qū)Ρ葓D

3.2.2 光環(huán)境分析

通過載入重慶氣象數(shù)據(jù),Ecotect可以自動(dòng)計(jì)算室外天然光的臨界照度值。為了確保室內(nèi)外的采光環(huán)境穩(wěn)定,選用CIE全陰天環(huán)境作為設(shè)計(jì)天空。在進(jìn)行采光分析時(shí),根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)[19]選取距地面750 mm的平面作為參考平面。另外,還需在軟件中檢查模型表面法線方向,設(shè)置材料的光學(xué)物理參數(shù)以及合適的網(wǎng)格參數(shù),以確保整個(gè)建筑被網(wǎng)格覆蓋[20]。

由圖5可知,農(nóng)宅一層的客廳和樓梯處光線較弱,采光系數(shù)范圍為0.3%～40.3%,室內(nèi)天然光照度為10～1 410 lx,房間采光較差,需要增加人工照明。

圖5 天然光照度分析圖

3.2.3 風(fēng)環(huán)境分析

利用Weather Tool[17],可以得到重慶地區(qū)的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù),在自然通風(fēng)策略下,可以提高4月和5月的室內(nèi)舒適度,如圖6所示。為了進(jìn)行風(fēng)速分析,將分析網(wǎng)格設(shè)置在1.5 m處,并借助第三方插件Big Winair,運(yùn)算夏季風(fēng)速并將其導(dǎo)入模型,可得夏季風(fēng)速圖,如圖7所示,可知大門處風(fēng)速較小,南側(cè)及西側(cè)風(fēng)速較大。

圖7 夏季風(fēng)速圖

3.2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分析

按照農(nóng)宅實(shí)際使用情況設(shè)置參數(shù)[21],可以得到該農(nóng)宅全年被動(dòng)組分得失熱分布情況,如圖8所示。

對(duì)于建筑得熱,通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱占比17.8%,通過通風(fēng)得熱占比29%;對(duì)于建筑失熱,通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)失熱占比34.4%,通過通風(fēng)失熱占比56.1%。表明該農(nóng)宅通風(fēng)情況良好,圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱效果較好。

3.3 理論基礎(chǔ)評(píng)價(jià)

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與性能模擬,定性指標(biāo)邀請(qǐng)專家進(jìn)行打分,評(píng)分結(jié)果見表8,得到G1序-物元可拓模型的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表8 重慶某庭院式農(nóng)宅評(píng)分表

二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Ti(x)和待評(píng)物元與經(jīng)典域間的距離Dj(vi)(表9),一級(jí)指標(biāo)的貼近度及舒適度等級(jí)(表10)。

表9 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和距離

進(jìn)而求該庭院式農(nóng)宅與各舒適度等級(jí)的貼近度,如表11所示。

表11 該庭院式農(nóng)宅與各舒適度等級(jí)的貼近度

選擇在評(píng)價(jià)方法中常用的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)比較,結(jié)果如表12所示。

表12 重慶農(nóng)村某居住建筑綠色舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果

3.4 舒適度驗(yàn)證

于五月一天中午(溫度28 ℃,體感溫度32 ℃)對(duì)該農(nóng)宅五人(其中常住人口兩人)進(jìn)行主觀舒適度問卷調(diào)查[22],得到結(jié)果如表13所示,室內(nèi)室外人體整體舒適度比較舒適。

表13 舒適度主觀調(diào)查結(jié)果

4 討論與結(jié)論

通過實(shí)地調(diào)研,發(fā)現(xiàn)重慶地區(qū)自建庭院式農(nóng)宅通常不注重庭院的舒適性設(shè)計(jì),庭院往往只用作晾曬農(nóng)作物等,而在“巴蜀美麗庭院示范片”政策引導(dǎo)下,地方政府更多關(guān)注庭院式農(nóng)宅的美觀性以及村落農(nóng)宅整體的和諧性,對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)外的舒適性少有考量,在生活水平快速提高的當(dāng)下,這將極大增加農(nóng)村地區(qū)的能耗使用。

針對(duì)重慶地區(qū)庭院式農(nóng)宅,從建筑及建筑環(huán)境這個(gè)較新的角度,系統(tǒng)性地選取舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo),通過G1序-物元可拓模型建立評(píng)價(jià)體系,并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證分析,通過主觀舒適度問卷調(diào)查驗(yàn)證了評(píng)價(jià)體系的合理性,從建筑設(shè)計(jì)、建筑室內(nèi)環(huán)境、場(chǎng)地生態(tài)與室外物理環(huán)境等方面為庭院式農(nóng)宅的設(shè)計(jì)與改造提供了優(yōu)化方向,體系完善,具有廣泛適用性,可以為成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈“巴蜀美麗庭院示范片”以及村民自建庭院式農(nóng)宅提供建造及改造方向,引領(lǐng)重慶地區(qū)庭院式農(nóng)宅舒適性建設(shè)。

由于實(shí)證案例較少,在后續(xù)的研究中,需要對(duì)多個(gè)案例進(jìn)行分析,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),通過舒適性指數(shù)進(jìn)一步研究評(píng)價(jià)體系的可靠性。