基于環(huán)境性能模擬的歷史建筑更新設(shè)計(jì)優(yōu)化研究*

史立剛 蔣欣彤 李玉青 陶露露 SHI Ligang, JIANG Xintong, LI Yuqing, TAO Lulu

0 引 言

作為當(dāng)代的國(guó)際學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，特別是近年來我國(guó)建筑界由增量時(shí)代轉(zhuǎn)向存量時(shí)代，舊建筑的更新改造成為我國(guó)建筑內(nèi)涵式增長(zhǎng)的關(guān)鍵。教育類歷史建筑承載著歷史文化、情感需求和實(shí)際的教育功能，其“盤活存量，做優(yōu)增量”的改擴(kuò)建更新受到廣泛關(guān)注。縱觀當(dāng)前我國(guó)的歷史建筑改擴(kuò)建更新，建成環(huán)境性能低效、高能耗、使用者舒適度待提升的問題亟待解決。因此探索雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)下的歷史建筑更新優(yōu)化方法是當(dāng)代建筑發(fā)展的關(guān)鍵突破口。本文擬以哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木樓改擴(kuò)建更新為例，探討教育類歷史建筑更新的形體生成邏輯和建筑環(huán)境優(yōu)化規(guī)律，進(jìn)而凝練出基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 歷史建筑改擴(kuò)建理論研究現(xiàn)狀

作為當(dāng)今城市建設(shè)轉(zhuǎn)入存量提升階段的重要議題，針對(duì)歷史建筑改擴(kuò)建更新的研究和討論日益豐富，例如對(duì)其改擴(kuò)建形式、方法與原則理論的引介和探索[1-3]，其中楊昌鳴等[4]提出滿足建筑功能、空間容量擴(kuò)展或者不定型轉(zhuǎn)變，調(diào)和兩種需求的模式原則；和馬町[5]等提出“混合體”與“盒中盒”兩種更新擴(kuò)建模式；再如改造后的價(jià)值與影響認(rèn)知，王蔚等[6]在歷史建筑改造推動(dòng)社區(qū)微更新的策略與模式上開展探索研究。此外，徐宗武[7]、何鏡堂[8]等學(xué)者針對(duì)近代歷史建筑的保護(hù)理念、改造更新技術(shù)體系與策略展開研究。在改擴(kuò)建更新中結(jié)合綠色建筑技術(shù)日趨成為當(dāng)下歷史建筑更新的焦點(diǎn)問題。

第一，提升室內(nèi)環(huán)境性能。徐小東等[9]建構(gòu)出當(dāng)下產(chǎn)業(yè)類歷史建筑改造再利用中建筑形體分級(jí)改造、功能布局優(yōu)化與空間氛圍營(yíng)造的設(shè)計(jì)策略；左琰[10-11]解析出提高外維護(hù)系統(tǒng)、采用地源新風(fēng)技術(shù)、設(shè)備智能化以改善歷史建筑環(huán)境性能，并提出了歷史建筑保護(hù)與利用的節(jié)能評(píng)價(jià)方法和步驟。

第二，降低能耗。錢鋒等[12]提出歷史建筑生態(tài)節(jié)能改造方法；劉啟波[13]確立了高校歷史建筑節(jié)能高效原則；圖爾坎·戈克薩爾·奧茲巴爾塔（Turkan Goksal Ozbalta）[14]創(chuàng)建了建筑能源模型，進(jìn)而提出公共歷史建筑兼顧能源效率和成本最優(yōu)水平的設(shè)計(jì)措施；洪烽桓等[15]提出了建筑師主導(dǎo)下基于能耗模擬的建筑形體與空間組織節(jié)能設(shè)計(jì)流程。

第三，提高使用者舒適性。杜曉輝[16]通過模擬手段評(píng)估天津原大陸銀行改造后節(jié)能與提高室內(nèi)熱舒適的有效性；曲柯（Ke Qu）[17]針對(duì)歷史建筑改造的各種被動(dòng)式改造措施的節(jié)能潛力、經(jīng)濟(jì)性和熱舒適性能進(jìn)行評(píng)估。

綜上可知，我國(guó)已開始在綠色建筑技術(shù)和歷史建筑改擴(kuò)建領(lǐng)域開展項(xiàng)目實(shí)踐與理論研究，但目前仍多限于單一案例、技術(shù)應(yīng)用原理等研究，尚缺乏定量化、類型化、地域性的設(shè)計(jì)方法研究。

2 哈工大土木樓改擴(kuò)建更新設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

哈工大土木樓位于哈爾濱市南崗區(qū)，于1953 年建成，具有歐洲古典復(fù)興形式的建筑風(fēng)格，為哈爾濱市二類歷史保護(hù)建筑。參照普通高等學(xué)校建筑規(guī)劃面積指標(biāo)[18]，其作為建筑學(xué)院教學(xué)樓，生均教室面積4.2 m2，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范要求。

通過實(shí)地問卷調(diào)研獲取受試者活動(dòng)習(xí)慣與使用需求，受試者選定為哈工大土木樓在校師生。共計(jì)發(fā)放問卷71 份，有效問卷數(shù)69份，有效率97.2 %。問卷分為四個(gè)部分。第一部分為受試者基本信息，包括性別、所在年級(jí)、職業(yè)等；第二部分為土木樓現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，包括土木樓氛圍評(píng)價(jià)、功能空間評(píng)價(jià)、整體滿意度評(píng)價(jià)等；第三部分為土木樓兩翼內(nèi)院使用情況調(diào)查，包括活動(dòng)頻率、活動(dòng)種類、景觀評(píng)價(jià)、整體滿意度評(píng)價(jià)等；第四部分為改造意向調(diào)查，包括專教類型傾向、功能空間補(bǔ)充需求等。調(diào)查結(jié)果顯示師生在土木樓兩翼內(nèi)院的活動(dòng)頻率較低，以通行為主，更傾向于私密或半開放的專教類型，現(xiàn)有的自習(xí)研討、休憩與活動(dòng)空間、半私密空間等均無法滿足師生日漸增長(zhǎng)的使用需求。教學(xué)模式的升級(jí)最終對(duì)教學(xué)空間提出了新的需求，教學(xué)空間的范圍也不止局限于單個(gè)教室組成的教學(xué)區(qū)內(nèi)[19]。整體來看，由于師生數(shù)量的擴(kuò)張，哈工大土木樓的“E”字形平面布局已無法滿足師生日漸豐富的行為活動(dòng)需求，現(xiàn)擬加建一個(gè)陽光大廳，將土木樓建筑面積增加約10 000 m2（圖1）。

圖1 基地規(guī)劃示意圖Fig.1 base planning sketch

由于原土木樓結(jié)構(gòu)與立面均保留完整，本設(shè)計(jì)決定采用輕盈的玻璃通透體量與原土木樓形成新舊對(duì)比，最大限度地保證原土木樓風(fēng)貌的可視性。為追求新建陽光大廳的通透感與整體性，要求其空間尺度與組織關(guān)系切合原土木樓，結(jié)構(gòu)體系清晰明確、輕盈且貼合體量。

2.2 拓?fù)鋵W(xué)和圖解靜力學(xué)方法

20世紀(jì)90 年代以來，建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的傳統(tǒng)合作模式通常表現(xiàn)為建筑師定義建筑造型，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行后期合理化處理，這導(dǎo)致的建筑形式與結(jié)構(gòu)形式嚴(yán)重分離廣受詬病[20]。近年來，拓?fù)鋵W(xué)與圖解靜力學(xué)均由二維向三維發(fā)展，其普遍適用性愈加增強(qiáng)，對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)與空間形態(tài)設(shè)計(jì)綜合發(fā)展的指導(dǎo)意義愈加突出。

所謂拓?fù)鋵W(xué)是近代發(fā)展起來的一個(gè)數(shù)學(xué)分支，用來研究各種“空間”在連續(xù)性變化下不變的性質(zhì)[21]。網(wǎng)格拓?fù)渥兓瓤梢员ＷC建筑空間秩序關(guān)系不變的同時(shí)又改變了空間的形態(tài)和大小[22]。圖解靜力學(xué)是一種以全圖形化的思維方式為基礎(chǔ)，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力傳遞進(jìn)行設(shè)計(jì)的手法[23]。圖解靜力學(xué)利用圖解法可作為一種雙向設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素，平衡結(jié)構(gòu)體系與其形體的關(guān)系[24]。其由力到形的過程可以極大地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)可以得到形式多樣的桁架形態(tài)，且這些桁架均處于受力平衡狀態(tài)，可以很好地應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)中去[25-27]。

2.3 體量生成

在本方案設(shè)計(jì)中，擬采用拓?fù)鋵W(xué)與圖解靜力學(xué)結(jié)合的方法生成新建體量（圖2）。首先，根據(jù)各功能的空間布局及面積大小需求，在原土木樓內(nèi)院分別置入自習(xí)研討、休憩、展覽與中心大廳等功能體塊，生成線性空間體量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合原土木樓空間尺度與組織模式，延續(xù)大空間尺度，遵照功能體塊組織秩序，利用拓?fù)渌季S將線性空間體量轉(zhuǎn)變成整體的非線性空間體量。

圖2 體量生成示意圖Fig.2 schematic diagram of building mass generation

對(duì)于具體的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，結(jié)構(gòu)形態(tài)需要在滿足自身平衡的同時(shí)，回應(yīng)場(chǎng)地與功能等問題，形成兼具力學(xué)合理性與建筑文脈對(duì)話性的形態(tài)[28]。體量生成的最后一步，即需要結(jié)合結(jié)構(gòu)體系的選擇與優(yōu)化以修正非線性空間體量。利用玻璃透明的庇護(hù)功能，連接歷史建筑或覆蓋原有建筑的庭院，可以在對(duì)原有建筑影響較小的情況下達(dá)到對(duì)建筑空間的擴(kuò)展[29]。結(jié)構(gòu)體系力求與建筑形態(tài)一體化設(shè)計(jì)，采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，力求輕盈與簡(jiǎn)潔，通過靜力學(xué)算法，在構(gòu)建結(jié)構(gòu)骨架的同時(shí)，修正非線性空間體量，盡最大程度使結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)部受力均為軸向以減少?gòu)澗兀s減結(jié)構(gòu)斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)效率（圖3）。

圖3 基于grasshopper平臺(tái)的更新設(shè)計(jì)邏輯Fig.3 updated design logic based on the grasshopper platform

3 室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及性能模擬

3.1 室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料使用較多的高大空間中，夏季室內(nèi)人員的熱舒適受太陽輻射以及室內(nèi)高溫壁面的影響較大[30]。由于設(shè)計(jì)引入了大面積玻璃材質(zhì)的陽光大廳，可能存在熱環(huán)境方面問題，因而需要進(jìn)一步優(yōu)化。盡管哈爾濱屬于嚴(yán)寒地區(qū)，但非采暖季室外溫度最高也可達(dá)到30℃左右，太陽輻射量大、壁面溫度高，均會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)過熱，進(jìn)而影響人員熱舒適。

本文根據(jù)我國(guó)《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中非人工冷熱源建筑內(nèi)I級(jí)舒適體感溫度的評(píng)價(jià)方法[31]對(duì)逐月不舒適時(shí)間占比進(jìn)行計(jì)算[32]，進(jìn)而評(píng)價(jià)室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣（表1）。

表1 哈爾濱自然通風(fēng)建筑室內(nèi)體感溫度Ⅰ級(jí)舒適區(qū)間/（℃）Tab.1 Harbin natural ventilation building indoor body temperature comfort zone Ⅰ/ ℃

3.2 計(jì)算機(jī)模型建立

本研究計(jì)算模型采用Rhinoceros3D建模平臺(tái)及Grasshopper插件輔助建立，按1∶1的比例導(dǎo)入Ecotect Analysis軟件，并在Ecotetc軟件中，重新賦予圍護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)材質(zhì)（表2）。

表2 建筑模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要材料及相關(guān)參數(shù)Tab.2 main materials and related parameters of building model envelope

模擬計(jì)算域尺寸為125 m（W）× 105 m（L），X方向與Y方向各均分32 格，位置距一層地面1.5 m，分析界面為垂直地面向上（圖4）。網(wǎng)格中采用等值線的呈現(xiàn)方式以直觀了解模擬數(shù)據(jù)。因本文僅討論新建體量的室內(nèi)熱環(huán)境，故沿新建體量劃定熱量區(qū)域，設(shè)定為indoor，方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 模擬計(jì)算網(wǎng)格所在位置示意圖Fig.4 schematic diagram of the location of the simulation calculation grid

3.3 模擬條件設(shè)定

本研究從氣象數(shù)據(jù)、模擬時(shí)段和人員作息時(shí)間表等方面對(duì)模擬的邊界條件進(jìn)行了限定。研究采用Weather tool提供的CTYW典型氣象數(shù)據(jù)，為氣象站多年實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)利用插補(bǔ)法獲得的逐時(shí)氣象參數(shù)，哈爾濱（126.8°E，45.8°N）作為嚴(yán)寒地區(qū)的典型城市，非采暖期為5—9月。

調(diào)研結(jié)果顯示，由于建筑學(xué)院學(xué)生學(xué)習(xí)生活作息的特殊性，教學(xué)樓內(nèi)人員在室周期較長(zhǎng)，人員日常在室時(shí)段為早上6:00至次日凌晨2:00，集中周期間人員在室時(shí)段可達(dá)24 h。因此，以學(xué)期非集中周時(shí)間段師生的作息情況為研究條件，設(shè)定新建體量?jī)?nèi)人員的逐時(shí)在室率。本文擬研究非采暖期、無設(shè)備狀態(tài)的室內(nèi)熱舒適情況，根據(jù)調(diào)研設(shè)定人體衣著量（短袖長(zhǎng)褲狀態(tài)）為0.6 clo，代謝率設(shè)置為學(xué)習(xí)狀態(tài)（70 W），氣象條件選取全年最熱日平均值。

4 模擬結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

4.1 初步方案模擬結(jié)果

觀察平均太陽輻射溫度分布圖（圖5）與日逐時(shí)溫度曲線（圖6）可知，室內(nèi)溫度在師生活動(dòng)主要時(shí)間段內(nèi)均高于室外溫度，且相較于室外溫度波動(dòng)較大，尤其中庭區(qū)域的熱環(huán)境相當(dāng)惡劣。這是由于在本方案中，除門外無其他可開窗扇，室外空氣幾乎無法進(jìn)入室內(nèi)，空氣流動(dòng)效果不佳；由于太陽輻射對(duì)玻璃透明體量影響較大，中午日照強(qiáng)烈，中庭區(qū)域無有效遮擋，形成“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致室內(nèi)溫度不斷升高，超出熱舒適范圍。

圖5 平均太陽輻射溫度分布圖Fig.5 average solar radiation temperature distribution map

圖6 日逐時(shí)溫度曲線Fig.6 hourly temperature curve

對(duì)于非采暖季來說，防止室內(nèi)過熱的需求大于防寒保溫需求，盡管冬季對(duì)通風(fēng)的需求減少，可利用“溫室效應(yīng)”調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)熱舒適質(zhì)量，但夏季應(yīng)盡量避免受其影響，利用被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度至人體舒適溫度，防止室內(nèi)過熱問題的出現(xiàn)。

4.2 焓濕圖及優(yōu)化方案設(shè)定

利用Weather tool軟件中的被動(dòng)式設(shè)計(jì)分析模塊，對(duì)比各種被動(dòng)式策略對(duì)室內(nèi)舒適度的改善效果。圖中紅色柱狀表示采用被動(dòng)式策略后的舒適區(qū)域占比，黃色柱狀表示未采用被動(dòng)式策略舒適區(qū)域占比（圖7）。在六種被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略中，高熱容及夜間通風(fēng)、高熱容材料、自然通風(fēng)等三種策略在哈爾濱非采暖季（5—9 月）效果最為顯著，由此說明自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與熱量設(shè)計(jì)的重要性。具體對(duì)策如設(shè)置可開合窗扇（包括天窗與側(cè)窗），但其改善舒適度有效性易受環(huán)境溫度與最大風(fēng)速限制；兼顧盡量避免過渡季節(jié)直射光的不利影響，采用遮陽構(gòu)架策略，如建筑遮陽裝置或百葉窗等；針對(duì)早晚溫差大的地區(qū)，采用高熱容與夜間通風(fēng)策略，如采用高效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并在洞口處設(shè)置遮陽材料，日間盡量減少熱量的進(jìn)入與蓄積，夜間利用自然空氣流動(dòng)降低建筑自身日間所吸收的熱量。

圖7 不同被動(dòng)式策略分析對(duì)比Fig.7 analysis and comparison of different passive strategies

針對(duì)上述的具體改善措施，本文重點(diǎn)討論針對(duì)遮陽有無、天窗開合與否及是否有上舷窗等條件的室內(nèi)熱舒適模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，共計(jì)五組方案（表3）。在優(yōu)化模型中，兼顧整體體量的通透性和技術(shù)適用性，遮陽方式設(shè)定為內(nèi)遮陽，在無天窗的頂界面部分設(shè)置電動(dòng)天棚遮陽簾，透光系數(shù)為0.29，太陽吸收率為0.51。

表3 模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突拘畔ab.3 basic information of simulation experiment model

4.3 優(yōu)化方案熱環(huán)境模擬結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化前后，四組方案的平均太陽輻射溫度分布圖（表4）和非采暖季逐月過熱不舒適時(shí)間占比（圖8），可以看到在7—9 月差距較為顯著。比較優(yōu)化方案與原方案的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，天窗開啟面積占頂界面面積增至15.3%時(shí)，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例增長(zhǎng)0.4%；遮陽面積為頂界面面積71.8%時(shí)，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例降低2.46%；與此同時(shí)，天窗開啟面積占比增至28.2%，側(cè)界面上舷窗占比1.8%時(shí)，過渡季節(jié)逐月不舒適度比例降低2.19%。開關(guān)天窗對(duì)逐月過熱不舒適時(shí)間占比影響不大，有無遮陽在夏季即7—9 月對(duì)其影響較為顯著。天窗開合即自然通風(fēng)的影響較設(shè)置遮陽的影響偏小，這是由于玻璃體量的被動(dòng)式得熱量主要來自直接太陽輻射。同時(shí)，由于采用熱壓通風(fēng)原理，在中庭處開設(shè)天窗，內(nèi)遮陽設(shè)置于無天窗的頂界面區(qū)域，中庭區(qū)域仍無有效遮擋，因此中庭區(qū)域的平均太陽輻射溫度仍然較高，導(dǎo)致整體室內(nèi)逐月不舒適時(shí)間占比優(yōu)化效果不夠顯著。

表4 各優(yōu)化方案平均太陽輻射強(qiáng)度分布圖示Tab.4 average solar radiation intensity distribution of each optimization program

圖8 逐月不舒適時(shí)間占比（過熱）Fig.8 proportion of monthly uncomfortable time (overheating)

綜合以上對(duì)比結(jié)果，在本方案中宜設(shè)置內(nèi)遮陽以調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境，提高室內(nèi)熱舒適狀況。

4.4 優(yōu)化方案風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

空氣流動(dòng)是影響人體熱舒適的六個(gè)主要因素之一，也是一種低能耗的夏季舒適提供方式，可補(bǔ)償環(huán)境溫度升高[33]。適宜的空氣流速有助于人體的對(duì)流和蒸發(fā)散熱，提高室內(nèi)熱環(huán)境水平，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，使人保持身心愉悅，提高工作效率[34]（表5）。定義室內(nèi)風(fēng)速低于0.2 m/s的區(qū)域?yàn)殪o風(fēng)區(qū)，即不會(huì)對(duì)人體熱舒適產(chǎn)生影響；風(fēng)速介于0.2～0.5 m/s為中風(fēng)區(qū)；風(fēng)速大于0.5 m/s的為高風(fēng)區(qū)；靜風(fēng)區(qū)的范圍越少，中風(fēng)區(qū)及高風(fēng)區(qū)的范圍越大，自然通風(fēng)情況越好[35]。本節(jié)擬討論天窗與側(cè)立面上舷窗開合對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的影響，以天窗關(guān)閉且設(shè)置遮陽的方案C為對(duì)照組，與方案D和方案E進(jìn)行對(duì)比討論。

表5 風(fēng)速對(duì)人體作業(yè)的影響Tab.5 the effect of wind speed on human work

風(fēng)環(huán)境模擬沿用Ecotect Analysis軟件及哈爾濱CTYW典型氣象數(shù)據(jù)，載入winAIR4風(fēng)環(huán)境模擬分析插件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)氣象局所提供的歷年哈爾濱各城區(qū)氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定夏季主要風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)22.5°，平均風(fēng)速為3.15 m/s[36]。設(shè)定高于室內(nèi)地面一層平面1.5 m處為分析平面，因網(wǎng)格精度對(duì)風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果影響顯著，但網(wǎng)格精度過高也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率降低，故進(jìn)行風(fēng)模擬前應(yīng)先完成網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。研究選取3 組網(wǎng)格細(xì)分尺寸，在相同邊界條件下進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬（表6）。當(dāng)網(wǎng)格密度持續(xù)加大時(shí)，如模擬結(jié)果未發(fā)生明顯變化，即表示達(dá)到較為優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格劃分情況。由分析圖可知，可采用中等網(wǎng)格密度劃分。

表6 不同方案風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果Tab.6 wind environment simulation results of different scenarios

對(duì)比分析三組方案的風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果（表6），盡管開啟天窗與側(cè)立面上舷窗，室內(nèi)風(fēng)速仍然較低，風(fēng)速相對(duì)較高區(qū)域主要分布于中庭及門窗區(qū)域；左內(nèi)院中庭區(qū)域空氣風(fēng)速相對(duì)較大，這是由于在非采暖季主要受到西南22.5°風(fēng)的影響。模擬結(jié)果分別顯示：

第一，對(duì)照方案C無窗扇開啟，僅有主入口大門可開啟，靜風(fēng)區(qū)占比較大，不利于室內(nèi)空氣的流動(dòng)，易引起身體不適，使人感到煩悶。

第二，優(yōu)化方案D天窗與側(cè)立面上舷窗均開啟，室內(nèi)平均風(fēng)速在三個(gè)方案中最大，為0.13 m/s。室內(nèi)區(qū)域風(fēng)速主要處于0.04～0.55 m/s之間，此區(qū)間風(fēng)速不影響人工作，且有利于人保持身心愉悅。但同時(shí)由于側(cè)立面上舷窗的開啟，在窗口區(qū)域出現(xiàn)局部較大風(fēng)速，為0.74 m/s，需要注意防止紙張吹散。

第三，優(yōu)化方案E中僅開啟天窗，室內(nèi)風(fēng)速分布較為均勻，但由于減少了側(cè)立面上舷窗進(jìn)風(fēng)口的設(shè)置，室內(nèi)風(fēng)速相對(duì)較小，中庭區(qū)域風(fēng)速處于0.04～0.18 m/s之間，此區(qū)間風(fēng)速不易被人察覺。

哈爾濱作為嚴(yán)寒地區(qū)典型城市，需要在防寒保溫的基礎(chǔ)上兼顧非采暖季的室內(nèi)舒適狀況，因此遮陽面積與窗戶的數(shù)目及其可開啟有效面積不可無限制地增加。對(duì)比以上模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，綜合美學(xué)要求、功能布局與全年室內(nèi)舒適需求，選取方案D為最佳方案，設(shè)置內(nèi)遮陽、可開啟天窗與側(cè)立面上舷窗，以輔助室內(nèi)通風(fēng)，減少太陽輻射得熱，改善室內(nèi)熱舒適狀況與風(fēng)環(huán)境水平。

本文以哈工大土木樓改擴(kuò)建方案為例，基于兼顧結(jié)構(gòu)合理性與歷史建筑自身文脈的形體生成邏輯，提出設(shè)置可開啟天窗、遮陽和上舷窗等具體策略，嘗試整合凝練出基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化方法，以期推進(jìn)前策劃—后評(píng)估的建筑全壽命設(shè)計(jì)效能提升，對(duì)目前存在的建成環(huán)境性能低效、舒適度待提升等問題提出改進(jìn)策略（圖9）。鑒于本文基于通透表皮結(jié)構(gòu)改造策略的預(yù)設(shè)，太陽輻射對(duì)其室內(nèi)物理環(huán)境影響較大，導(dǎo)致后期環(huán)境改善效果受限于表皮的組合策略，且物理環(huán)境策略的實(shí)施僅采用計(jì)算機(jī)模擬評(píng)估驗(yàn)證，尚需內(nèi)部空間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

圖9 基于性能模擬的歷史建筑更新優(yōu)化方法流程Fig.9 process of optimization method of historical building renewal based on performance simulation

5 結(jié)論

本文以哈工大土木樓加建陽光大廳改擴(kuò)建設(shè)計(jì)為例，利用功能空間與結(jié)構(gòu)、環(huán)境耦合的方式，研究基于環(huán)境性能的歷史建筑更新環(huán)境優(yōu)化規(guī)律。一、基于Rhinoceros與Grasshopper平臺(tái)，結(jié)合拓?fù)渌枷肱c圖解靜力學(xué)理論，提出了基于環(huán)境性能和結(jié)構(gòu)性能的建筑形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；二、運(yùn)用Ecotect軟件模擬哈爾濱非采暖季期間哈工大建筑館新建陽光大廳的室內(nèi)風(fēng)熱環(huán)境，針對(duì)本方案提出設(shè)置內(nèi)遮陽、可開啟天窗及側(cè)立面開窗的設(shè)計(jì)策略，以期提高室內(nèi)環(huán)境性能。鑒于本研究尚處于方案階段，缺乏內(nèi)部空間的環(huán)境測(cè)試對(duì)比，因此方案的實(shí)際效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證，本文提出的基于風(fēng)熱環(huán)境模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法旨在為歷史建筑改擴(kuò)建提供理論指導(dǎo)。

圖表來源：

圖1-9：作者繪制

表1：程征, 亓?xí)粤? 張培峰, 等.體育館自然通風(fēng)降溫潛力評(píng)估及優(yōu)化策略研究[J].建筑與文化, 2019, 189(12): 196-197.

表2-4、6：作者繪制

表5：朱唯, 狄育慧, 王萬江, 等.室內(nèi)環(huán)境與自然通風(fēng)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 23(1): 90-94.