多目標(biāo)舒適導(dǎo)向的既有工業(yè)建筑改造方法研究＊

李麟學(xué) 王馳迪 徐姝蕾 喬靈

技術(shù)進(jìn)步推動了建筑舒適研究的發(fā)展。工業(yè)革命以來，在機(jī)器取代人力的浪潮中，建筑依靠空調(diào)、照明等技術(shù)設(shè)備精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境，從而創(chuàng)造標(biāo)準(zhǔn)化的舒適空間，抵御不斷惡化的外部條件。然而大量的能源消耗與隨之而來的健康、環(huán)境問題為我們敲響了警鐘，成為當(dāng)今國際關(guān)注的問題。在我國，黨的十九大報告中將實施“健康中國”戰(zhàn)略納入國家發(fā)展基本方略，并提出“節(jié)能減排”背景下實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的宏偉目標(biāo)。通過構(gòu)筑人體所處外部環(huán)境，建筑成為城市人居環(huán)境的媒介。因此，在合理降低資源消耗的前提下，探索建筑環(huán)境的主動式舒適健康特征以及設(shè)計策略整合，將是當(dāng)前建筑研究的重點內(nèi)容[1]。

1 舒適研究的進(jìn)程

對舒適感受認(rèn)知的不斷更新，是涉及歷史、技術(shù)、社會的一項復(fù)雜議題和綜合敘事。在古羅馬時期，維特魯威將原始人類的“集合、聚議及共同生活”歸因于身體對于火的熱氣感到舒服，人群的聚集為發(fā)明原始“建筑”的遮蔽形式創(chuàng)造了條件[2]。其中應(yīng)對地域氣候的“建造遮蔽”與反映能量消耗的“燃木取熱”，成為歷史進(jìn)程中人類謀求舒適的兩種基本策略[3]。工業(yè)革命以來，環(huán)境惡化的問題與技術(shù)革新的潛力愈發(fā)凸顯，以柯布西耶為代表的現(xiàn)代建筑派探索“中性墻體”“雙層幕墻”“遮陽百葉”等新技術(shù)應(yīng)用（圖1），在空調(diào)系統(tǒng)的推廣下實踐18℃的恒定舒適溫度構(gòu)想。能量與建構(gòu)從而得到建筑設(shè)計上的統(tǒng)一，進(jìn)一步定義了舒適感受的可復(fù)制、通用性與標(biāo)準(zhǔn)化。伴隨不同學(xué)者對人體生理感受、舒適理性計算、舒適心理評價等認(rèn)知的不斷加深，也使舒適概念逐漸拓展至熱、風(fēng)、光、聲、空氣等復(fù)合環(huán)境維度。我國于2016年推出了《健康建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（T/ASC 02-2016)，其以《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50378-2014）為申請前提，規(guī)定了以物理環(huán)境參數(shù)為控制項的“舒適”，與空氣、水、健身、人文、服務(wù)共同成為評價健康建筑的指標(biāo)?？梢钥吹?，人們的觀念正從追求單一環(huán)境舒適向追求綜合的健康評價轉(zhuǎn)變，意味著對生理與心理、物質(zhì)與非物質(zhì)、個人與環(huán)境因素之間更微妙的平衡關(guān)系的考慮[4]。

2 既有工業(yè)建筑改造新模式

2.1 設(shè)計結(jié)合舒適

早在古羅馬時期，建筑空間設(shè)計與舒適評價就是緊密關(guān)聯(lián)的?？ɡɡ–alacalla）浴場以熱力學(xué)規(guī)劃和人體生理舒適為設(shè)計原則，在迎合太陽朝向的建筑空間布局中整合了加熱供暖系統(tǒng)。這一公共建筑從而成為濕度與熱力分布的協(xié)同器，在平面空間中創(chuàng)造使用者行為序列上的熱感愉悅[5]（圖2）。從中世紀(jì)到工業(yè)革命，不論是開放式火塘占據(jù)主導(dǎo)地位的住宅廳堂，把健康舒適融入到平面和剖面設(shè)計中的圓廳別墅，還是依靠機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)控制室內(nèi)舒適的環(huán)境實驗室，都將生理學(xué)、熱力學(xué)與建筑環(huán)境調(diào)控整合起來，并最終反映到建筑實體形式的設(shè)計上[6]?，F(xiàn)代建筑以來，以有限的測量驗證結(jié)合實踐經(jīng)驗的傳統(tǒng)設(shè)計方法，在應(yīng)對更全時段的環(huán)境考量、更高效率的設(shè)計協(xié)同、更精準(zhǔn)的空間分布反饋時受到很大限制。在同樣的舒適目標(biāo)下，從經(jīng)驗向理性，從數(shù)值向空間的建筑設(shè)計轉(zhuǎn)型需求愈發(fā)強(qiáng)烈。

2.2 舒適研究的新數(shù)字工具

結(jié)果導(dǎo)向的性能評估與過程導(dǎo)向的設(shè)計進(jìn)程難以協(xié)同，這歷來是設(shè)計師、工程師著力解決的問題。由監(jiān)測節(jié)點與無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起的數(shù)據(jù)采集終端，實時獲取氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、空間狀態(tài)、人體運動等指標(biāo)，使高精準(zhǔn)、全覆蓋的數(shù)據(jù)積累成為現(xiàn)實。而基于數(shù)據(jù)積累的智能算法與編程技術(shù)，進(jìn)一步推動了建筑信息模型、人體熱生理模型和適應(yīng)性心理模型在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺中的可視、協(xié)同和聯(lián)動。舒適研究的數(shù)字化路徑因而被打通：從工程導(dǎo)向的封閉式特定軟件，到完善自身編程環(huán)境的信息化建筑建模軟件，逐漸實現(xiàn)與Honeybee、OpenFOAM、EnergyPlus等模擬平臺的調(diào)用串聯(lián)（圖3）。隨著模擬性能與準(zhǔn)確性的提升，在實際應(yīng)用中兼顧多性能目標(biāo)，建構(gòu)環(huán)境、人體、建筑的評價與反饋系統(tǒng)，將使舒適導(dǎo)向的建筑設(shè)計真正成為可能。

2.3 舒適導(dǎo)向的既有工業(yè)建筑改造

工業(yè)建筑在工業(yè)化進(jìn)程中孕育發(fā)展，在全球“去工業(yè)化”進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整中成為了城市更新的難點。這些建筑往往空間尺度巨大，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，材料性能簡單，其既有的適合工業(yè)活動的環(huán)境特征與民用建筑相去甚遠(yuǎn)，在空間改造與置換中難以適應(yīng)當(dāng)下的舒適需求。然而工業(yè)遺產(chǎn)同時也是場所和人的復(fù)雜聚合體，是工業(yè)文化的實物體現(xiàn)，在改造過程中必須正視其時代性、歷史性價值[7]。因此，以環(huán)境性能為參數(shù)，探索舒適導(dǎo)向下的既有工業(yè)建筑改造的路徑、工具、方法和策略，既是設(shè)計實踐的新挑戰(zhàn)，也是在節(jié)能減排、美觀適用、歷史傳承目標(biāo)下對未來城市環(huán)境新思路的探索。

3 上海電站輔機(jī)廠案例研究

3.1 項目概況

上海楊樹浦工業(yè)帶是上海近代工業(yè)最重要的發(fā)源地，經(jīng)歷了從興建大量輕工業(yè)和市政工業(yè)建筑，到后工業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，再到歷史廠區(qū)開發(fā)的城市現(xiàn)代化更新過程[8]。在上海市規(guī)劃中，楊樹浦工業(yè)帶已經(jīng)開展了許多既有工業(yè)遺產(chǎn)改造，這些案例雖極力保留工業(yè)建筑內(nèi)部原有的大空間特征，但都通過修繕呈現(xiàn)出封閉的建筑界面，依賴機(jī)械設(shè)備來維持環(huán)境舒適?？梢哉J(rèn)為，工業(yè)建筑的環(huán)境特征尚未得到充分挖掘和利用。

上海電站輔機(jī)廠緊鄰楊浦大橋，前身為鋼制造廠和鍋爐廠，1980年后經(jīng)產(chǎn)業(yè)劃分，獨立經(jīng)營成為國內(nèi)規(guī)格最大、品種最多的電站輔機(jī)制造企業(yè)，后于2010年完全停產(chǎn)空置。屋頂、外墻、結(jié)構(gòu)等構(gòu)件保存完好，廠房內(nèi)部設(shè)備與臨時架構(gòu)則被拆除（圖4）。作為歷史保護(hù)建筑，也是楊浦濱江濱水改造的重要節(jié)點之一，電站輔機(jī)廠將在未來承擔(dān)藝術(shù)、展覽等復(fù)合功能，重新融入城市。應(yīng)對以電站輔機(jī)廠為例的大量工業(yè)建筑遺存，以舒適為導(dǎo)向的改造方法實踐具有很大潛力。

1 柯布西耶環(huán)境調(diào)控技術(shù)的設(shè)計實踐

2 熱力學(xué)視角下的卡拉卡拉浴場平面

3.2 模型建構(gòu)與工作流建立

上海電站輔機(jī)廠長約228m，共19跨，寬約48m，共有形制相似的東西兩大開間。建筑朝向為北偏東約38°，其中西側(cè)的11跨為二期擴(kuò)建，東西兩廠延續(xù)了結(jié)構(gòu)與空間，一、二期立面均保存完好。大空間的采光主要得益于在建筑南側(cè)凸起的天窗，光線通過其結(jié)構(gòu)兩側(cè)的玻璃面進(jìn)入室內(nèi)，并經(jīng)屋頂反射形成均勻的自然光環(huán)境（圖5-7）。在本模擬研究中，為兼顧效率與實踐意義進(jìn)一步簡化了立面與空間，從而重點關(guān)注舒適導(dǎo)向的設(shè)計工作流（圖8）：1）根據(jù)場地調(diào)研、現(xiàn)場測繪和工程文件確定建筑尺度，利用Rhinoceros軟件建立三維模型，設(shè)定相應(yīng)材質(zhì)參數(shù)；2）根據(jù)《建筑風(fēng)環(huán)境氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-2328-2020）選取上海地區(qū)數(shù)據(jù)，通過與建模軟件聯(lián)動的Ladybug+Honeybee+Butterfly平臺，模擬在四季典型月（3、6、9、12月）中全開窗條件下的室內(nèi)熱舒適滿意度與自然通風(fēng)，以及當(dāng)月9:00、12:00、15:00的平均自然采光情況；3）在方案調(diào)整優(yōu)化階段，以9月為例，基于歷史建筑保護(hù)要求、結(jié)構(gòu)和實踐可行性，對現(xiàn)有天窗高度進(jìn)行形態(tài)試驗，對比分析室內(nèi)風(fēng)光熱舒適指標(biāo)的相應(yīng)變化情況；4）從整體指標(biāo)轉(zhuǎn)向精細(xì)化的平面分布策略，通過疊加獲得多目標(biāo)舒適的平面區(qū)域，以針對性地指導(dǎo)空間改造或分區(qū)利用。

3 以Rhino+Grasshopper 為基礎(chǔ)的性能模擬插件系統(tǒng)

4 電站輔機(jī)廠內(nèi)部空間環(huán)境現(xiàn)狀

3.3 舒適評價指標(biāo)建構(gòu)

本研究通過平均值計算評估建筑整體的風(fēng)光熱環(huán)境舒適情況，并求解舒適達(dá)標(biāo)的面積比例（表1）。

（1）平均風(fēng)速(Vav)：既有研究表明，自然通風(fēng)建筑的用戶比空調(diào)建筑的用戶更能容忍室內(nèi)熱條件[9]，從而用平均風(fēng)速描述室內(nèi)空間整體風(fēng)環(huán)境。

（2）舒適風(fēng)速區(qū)比例(Rv)：1m/s的室內(nèi)風(fēng)速即會吹起紙張，影響日常辦公，而對于公共活動等用途，該風(fēng)速限值可適當(dāng)提升[10]。本研究中以1m/s作為風(fēng)速臨界值。

（3）平均采光系數(shù)(Dav)：平均采光系數(shù)被定義為平均照度與室外無陰影水平處測點照度之間的比率。上海屬于中國Ⅳ類光氣候區(qū)，室外設(shè)計照度值按13 500lx制定。

（4）標(biāo)準(zhǔn)日照面積比(Rd)：根據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）對不同功能的建筑室內(nèi)自然光照度要求，在距離地面0.75m的干燥環(huán)境下，采光系數(shù)應(yīng)為2%～7%。

（5）平均熱舒適滿意度(Tav)：既有研究表明，使用CFD模擬預(yù)測室內(nèi)熱舒適是有效的[11]。Tav是在建筑內(nèi)部每一測點的熱舒適滿意度的平均值，描述了對熱舒適感到滿意人群的百分比。

（6）熱舒適區(qū)比例(Rt)：以75%閾值為例，對不同方案進(jìn)行比較，通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)定，在滿足自然采光和室內(nèi)風(fēng)速要求的同時，獲得最高百分比的室內(nèi)熱舒適滿意度。

4 結(jié)果與討論

4.1 模擬結(jié)果

針對建筑現(xiàn)狀進(jìn)行模擬（表2）：自然通風(fēng)方面，在窗全開啟狀態(tài)下四季室內(nèi)風(fēng)速都相對偏高，風(fēng)速在1m/s以下的測點數(shù)不足30%；自然采光方面，四季室內(nèi)自然采光照度整體較低，全年不足3%，室內(nèi)各類活動均需相應(yīng)補(bǔ)充人工照明；熱舒適滿意度方面，6月和9月即夏秋兩季的室內(nèi)熱舒適滿意度平均值達(dá)到75%以上，而3月和12月只有35%～55%?？傮w模擬結(jié)果表明，廠房內(nèi)部的熱舒適滿意度受不同季節(jié)影響很大，為在特定的氣候情況下獲取綜合舒適，需將自然調(diào)節(jié)和機(jī)械調(diào)節(jié)結(jié)合。

表1 舒適評價指標(biāo)

5 上海電站輔機(jī)廠數(shù)字模型

6 上海電站輔機(jī)廠物理模型1

7 上海電站輔機(jī)廠物理模型2

8 舒適模擬工作流

表2 現(xiàn)狀風(fēng)光熱環(huán)境模擬結(jié)果

研究進(jìn)一步選取9月結(jié)果作為樣本進(jìn)行后續(xù)方案優(yōu)化，結(jié)果如圖9所示，對比天窗抬升高度0.5～3m，重點研究過渡季節(jié)中不使用空調(diào)等機(jī)械設(shè)備時室內(nèi)環(huán)境適宜性。在自然通風(fēng)方面，風(fēng)速在1.50～1.61m/s之間波動，且1m/s以下風(fēng)速區(qū)域比例也穩(wěn)定在20%左右，形態(tài)變化對風(fēng)速無顯著影響；在自然采光方面，各時段室內(nèi)平均采光系數(shù)變化明顯且整體呈升高趨勢，采光達(dá)標(biāo)的比例也有明顯增加；在熱舒適方面，平均熱舒適滿意度從72.88%降至69.26%，所對應(yīng)的滿意度達(dá)到75%的占比從38.43%降至19.77%?？傮w來看，調(diào)節(jié)天窗高度對室內(nèi)熱舒適和自然通風(fēng)影響有限，對自然采光提升顯著。

4.2 多目標(biāo)舒適區(qū)評價

為指導(dǎo)實際空間劃分，在模擬可視化圖示中擬合繪制各舒適區(qū)邊界，通過平面疊加獲取風(fēng)光熱綜合舒適效果。選取過渡季節(jié)9月舉例研究，由圖10可見，現(xiàn)廠房南側(cè)靠窗區(qū)域采光符合使用要求，但近窗處過亮，其他區(qū)域采光分布較為均勻但整體偏暗；建筑空間中心位置的風(fēng)速相對均勻，而東側(cè)空間存在風(fēng)速過高、分布不均的問題；在熱舒適滿意度上，南側(cè)靠窗邊的熱舒適度相對較低，與南墻距離越遠(yuǎn)熱舒適度越高，室內(nèi)總體分布均勻。

同理獲得天窗改造中各方案的平面舒適區(qū)變化情況，通過平面疊加獲得多目標(biāo)舒適的空間分布特征（圖11）。隨著天窗升高，照度達(dá)標(biāo)區(qū)域邊界線和75%熱舒適滿意度邊界線在平面上呈相反移動趨勢，因此呈現(xiàn)出建筑空間中部和天窗底部的光、熱舒適重合區(qū)。而在風(fēng)、光環(huán)境上，建筑北側(cè)靠墻區(qū)域和南側(cè)中部則相對舒適。它們分別對應(yīng)了是否開窗的空間實際使用情況，可以配合不同舒適要求和使用模式形成間歇調(diào)控的空間策略。但同時也可看到，并非改造動作越大室內(nèi)越舒適，還需進(jìn)一步考量舊建筑保護(hù)的實際效果、可行性與經(jīng)濟(jì)性，提升1.5m的天窗高度綜合效果較為合適。

9 風(fēng)光熱模擬分析數(shù)據(jù)

10 多目標(biāo)舒適綜合圖解1

11 多目標(biāo)舒適綜合圖解2

5 教學(xué)實驗探索

“熱力學(xué)建筑原型”課程實驗自2014年開展至今，在8年時間內(nèi)與哈佛大學(xué)建筑與設(shè)計研究生院、賓夕法尼亞大學(xué)建筑學(xué)院等院校合作，旨在以能量和熱力學(xué)系統(tǒng)建構(gòu)為主線進(jìn)行教學(xué)、研討與設(shè)計訓(xùn)練，從歷史與理論視角反思建筑環(huán)境調(diào)控。熱力學(xué)建筑原型通過自然能量流動、技術(shù)文化重構(gòu)、環(huán)境要素整合、舒適性能模擬、設(shè)計參數(shù)協(xié)同等方面重組建筑思考的整體性，實現(xiàn)空間、結(jié)構(gòu)和組織等的原型潛力和設(shè)計轉(zhuǎn)化[12]。筆者于2021年春季組織開展的“熱力學(xué)建筑原型——楊浦濱江舊廠房更新工業(yè)博物館”設(shè)計實驗，以上海電站輔機(jī)廠為真實基地，在應(yīng)對豐富的工業(yè)遺產(chǎn)和復(fù)雜基地條件的同時，探索熱力學(xué)原型在工業(yè)建筑改造中的方法系統(tǒng)，研究多目標(biāo)舒適導(dǎo)向的設(shè)計應(yīng)用。

三組學(xué)生作業(yè)分別以“峽谷”“冷巷”“煙囪”為熱力學(xué)原型，綜合考慮整體方法論下的原型自組織與改造置入。

“峽谷”提案的理論原型來源于羚羊谷剖面和自然界鳥類的羽毛，通過空間變化以及表皮的調(diào)節(jié)作用，形成內(nèi)部空間的能量流動，從而實現(xiàn)溫度梯度和氣流調(diào)控。通過置入“峽谷”引入江風(fēng)，調(diào)節(jié)塔樓高度和峽谷形狀，實現(xiàn)對風(fēng)、熱的捕獲和傳導(dǎo)，并驗證廠房室內(nèi)空間綜合舒適的性能。

“冷巷”提案以“正墻開口-室內(nèi)冷巷-天井”實現(xiàn)雙向通風(fēng)的青云巷，以及通過“街巷-廳堂-室內(nèi)冷巷-天井”實現(xiàn)進(jìn)出風(fēng)口轉(zhuǎn)化的手巾寮為原型，探索傳統(tǒng)民居中營造舒適環(huán)境的現(xiàn)代轉(zhuǎn)化策略。方案利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)原理，調(diào)整天井的形狀大小、通風(fēng)口的位置和開口數(shù)量/大小，從能量流動的視角探索大型工業(yè)廠房中置入冷巷的可能性。

“煙囪”提案從自然界植物蒸騰作用和蟻穴通風(fēng)系統(tǒng)中尋找原型，利用孔隙中的能量流動效應(yīng)，調(diào)整建筑中洞口、通道、腔體的形狀和大小，通過風(fēng)光熱舒適指標(biāo)多參數(shù)模擬比選，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動下的建筑生成和原型轉(zhuǎn)化。

6 結(jié)語

舒適量化研究與設(shè)計實踐的歷史已證明當(dāng)下單一目標(biāo)的評估標(biāo)準(zhǔn)并不可靠，從風(fēng)、光、熱到聲音、空氣質(zhì)量以及建筑能耗、排放等綜合指標(biāo)，展現(xiàn)了更宏觀的工具視角與理論視野。更可靠的模型與環(huán)境，更精細(xì)的模擬分析，更高效準(zhǔn)確的舒適反饋，促使舒適協(xié)同的設(shè)計方法不斷優(yōu)化升級，形成系統(tǒng)。從經(jīng)驗到理性，再到智慧，數(shù)據(jù)支撐正是今天的建筑相較以往建筑的優(yōu)越性，推動了量化的精準(zhǔn)決策[13]。未來人工智能的應(yīng)用還將繼續(xù)改變這一設(shè)計過程，也將進(jìn)一步重塑人們在整個系統(tǒng)中的角色和責(zé)任，不是面對一套新的約束，而是一種新的、更大程度的自由，可以搜索、迭代、評估、選擇，然后綜合應(yīng)對我們?nèi)找鎻?fù)雜的環(huán)境舒適挑戰(zhàn)。

圖表來源

1 來源于參考文獻(xiàn)[3]

2 來源于參考文獻(xiàn)[5]

3,5,8-11 作者自繪

4,6,7 作者自攝

表1-2 作者自繪