建筑形體光熱性能耦合設(shè)計
——以寒冷地區(qū)高校教學(xué)樓建筑為例

原野

郭彬彬

徐宗武

劉剛

一、引言

建筑是人類應(yīng)對氣候和調(diào)控環(huán)境的復(fù)雜產(chǎn)物，作為此過程中的首要調(diào)節(jié)手段，形體的選擇與塑造會顯著影響建筑光熱性能[1-4]，而且此影響往往呈現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。例如，增加建筑進深可節(jié)約建筑能耗[5]，但同時也會降低天然采光效果[6]；將主要功能房間布置在北向可獲得高質(zhì)量的均勻光線，但在采暖期又會造成過量熱損失[7]；形體自遮擋可減少夏季空調(diào)能耗，但也會降低天然采光效率[8]。因此，通過形體操作實現(xiàn)建筑光熱性能提升，應(yīng)對二者進行兼顧并統(tǒng)籌。

建筑光熱性能改善的需求在高校教學(xué)樓建筑中尤為迫切。一方面，良好的采光環(huán)境可提升學(xué)生的社交能力和注意力[9]，緩解學(xué)習(xí)壓力[10]，提高學(xué)習(xí)效率[11，12]；另一方面，迅速擴張的高校規(guī)模使建筑能源需求不斷上升[13]，只占全國人口3%左右的高校在校生人均能耗卻為全國居民人均能耗的4倍[14]。但考慮到目前對光熱性能的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計主要集中于窗墻面積比、窗戶材料、遮陽等圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件，故如何在設(shè)計伊始，從建筑形體出發(fā)探究采光與能耗性能共同驅(qū)動下的建筑形體原型，將更有利于發(fā)揮建筑對環(huán)境的適應(yīng)與調(diào)控潛能。

二、建筑形體優(yōu)化方法

建筑形體光熱性能耦合設(shè)計是在兼顧并統(tǒng)籌建筑采光與能耗雙重性能的前提下，尋找形體最優(yōu)解的過程。該過程的探究依賴于特定優(yōu)化設(shè)計方法的構(gòu)建，鑒于現(xiàn)有形體優(yōu)化研究多基于簡化后的幾何體塊而并未考慮建筑內(nèi)部空間組織關(guān)系的影響[15-18]，本文將通過建立外部形體與內(nèi)部空間協(xié)同變化的參數(shù)化模型以彌補該部分研究內(nèi)容缺失，并在此模型基礎(chǔ)上根據(jù)光熱性能評價指標(biāo)完成具體設(shè)計目標(biāo)函數(shù)確定，進而最終借由光熱性能聯(lián)動模擬實現(xiàn)形體優(yōu)化設(shè)計。

1. 形體模型生成

建筑形體優(yōu)化設(shè)計應(yīng)首先建立形體參數(shù)化模型。在對30 座已建成高校教學(xué)樓建筑方案圖紙統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，典型高校教學(xué)樓建筑形體可分為回字形、U 形、L 形和一字形四大類。研究將基于Rhinoceros 和Grasshopper 參數(shù)化平臺，并通過Python編程語言按照“點—線—面—體”的生成邏輯，首先完成四類典型形體模型的生成過程（圖1）：

圖1： 四種典型建筑形體模型生成過程

（1）控制點確定。為保證研究的普適性，根據(jù)圖紙統(tǒng)計結(jié)果以6000 人容量教學(xué)樓為例，并根據(jù)規(guī)范中綜合性大學(xué)每人2.88m2使用面積為基準(zhǔn)，可將建筑規(guī)模限定為17288m2。為避免場地環(huán)境與用地形狀的干擾，暫不對二者進行設(shè)定，僅確定統(tǒng)一的可建設(shè)范圍以便不同形體間進行橫向比較。初始建筑形體選擇回字形，以其幾何中心O 為原點構(gòu)建坐標(biāo)系，可根據(jù)建筑規(guī)模倒推出圖中各幾何參數(shù)w1、w2、w3、w4、v1、v2、v3和v4取值，進而定義初始形體各控制點坐標(biāo)。

（2）原型推導(dǎo)。以上述回字形建筑形體為基準(zhǔn)，通過變化參數(shù)取值可分別演化出其他三種建筑形體：當(dāng)v4=0 時，形體為U 形；當(dāng)v4=w4=0 時，形體為L 形；當(dāng)v2=v3=v4=0、w2=w3=w4=0 時，可得到一字形形體。設(shè)定初始回字形形體為五層，受限于統(tǒng)一的可建設(shè)范圍和建筑規(guī)模，U形、L 形和一字形形體建筑層數(shù)應(yīng)分別為五層、六層和十層。故根據(jù)各形體標(biāo)準(zhǔn)層面積可推導(dǎo)形體控制點坐標(biāo)，進而將各控制點連線得到四種典型形體建筑輪廓。

（3）平面生成。建筑形體平面生成包括建筑方位以及內(nèi)部空間組織兩部分。對于建筑方位，該參數(shù)可由各初始形體與北向夾角θ來控制，當(dāng)θ取值分別為0°、90°、180°和270°時，可涵蓋形體所有朝向及位置變化。至于內(nèi)部空間組織，應(yīng)考慮當(dāng)形體進深變化時走廊與教室間的位置關(guān)系改變。根據(jù)已建成圖紙統(tǒng)計結(jié)果，教室進深取值范圍為6～12m，走廊寬度多為3m，據(jù)此可依據(jù)建筑進深取值區(qū)間得到單廊式與內(nèi)廊式兩種典型空間組織形式，即當(dāng)進深為9～15m 時生成單廊式平面，而當(dāng)進深為15～27m 時生成內(nèi)廊式平面。綜合各形體內(nèi)四種方位角度和兩種平面形式，可分別得到形體變化過程中如圖所示回字形、U 形、L 形和一字形相對應(yīng)的16、32、16 和8 種不同形體平面布局形式（圖中紅色實線為走廊）。

（4）形體生成。根據(jù)所生成平面及建筑層高（圖紙統(tǒng)計結(jié)果顯示常見層高為4.2m），可最終得到包含外部形體構(gòu)形及內(nèi)部空間組織的形體體量模型。但應(yīng)注意的是，四類形體中回字形、U 形和L 形均含有室外庭院，應(yīng)結(jié)合室外空間感受對庭院尺度進行判定。由于當(dāng)室外庭院高寬比大于1 時會造成壓抑感，小于1/3 時又會產(chǎn)生空曠、離散的感受，因此將此高寬比限定為1/3-1，可對各參數(shù)取值范圍進行約束。

綜合上述形體生成過程可以看出，除建筑形體的類型選擇外，各形體變化所帶來的影響主要體現(xiàn)在建筑方位、平面形式以及教室進深三方面。因此，對建筑形體優(yōu)化設(shè)計的過程即是對此三個設(shè)計參數(shù)最優(yōu)取值進行求解的過程。

2. 設(shè)計目標(biāo)確定

為量化具體光熱性能設(shè)計目標(biāo)，將分別使用有效天然采光照度（Useful Daylight Illuminance，UDI）和建筑用能強度（Energy Use Intensity，EUI）對建筑光熱性能進行評價。

UDI是用來判斷工作面全年天然采光照度是否在所設(shè)定舒適范圍區(qū)間的指標(biāo)，評價時具體使用UDI100-2000作為依據(jù)，表示工作面天然采光照度滿足100～2000lx 時長占全年總工作時長的比例。EUI 是目前建筑能效評價領(lǐng)域廣泛使用的評價指標(biāo)，指單位面積建筑全年能耗，本文具體包括空調(diào)系統(tǒng)的制冷和供暖兩部分能耗?；谏鲜鲈u價指標(biāo)，可將建筑形體光熱性能耦合優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槎咧笜?biāo)同時達到最優(yōu)時的方案求解過程?？紤]到UDI100-2000取值越大越好，優(yōu)化中可對其求倒數(shù)，即使用1/UDI100-2000和EUI同時達到最小值作為設(shè)計目標(biāo)函數(shù)。

3. 性能模擬與優(yōu)化

建筑采光和能耗性能的模擬均基于Rhinoceros 和Grasshopper 參數(shù)化平臺，并使用Ladybug 和Honeybee 插件對模擬參數(shù)進行設(shè)定，在設(shè)定完成后通過調(diào)用Radiance與EnergyPlus 計算內(nèi)核分別完成建筑采光與能耗性能的聯(lián)動模擬。模擬采用天津標(biāo)準(zhǔn)年氣象參數(shù)，具體模擬參數(shù)設(shè)置依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 50189—2015》以及圖紙統(tǒng)計結(jié)果完成（表1）。

光熱性能模擬參數(shù)設(shè)置 表1

最終所構(gòu)建的建筑光熱性能多目標(biāo)優(yōu) 化 流 程 是 在MATLAB、Rhinoceros 和Grasshopper 共同集成的參數(shù)化平臺上實現(xiàn)的（圖2）。優(yōu)化時，MATLAB 會首先在變量取值范圍內(nèi)隨機生成變量初始取值，并將其傳送給Rhinoceros 和Grasshopper 完成形體幾何模型生成。之后，對所生成的形體模型將通過Python 編程模塊判斷室外庭院比例（一字形形體除外），并將判斷結(jié)果（True/False）發(fā)送給Ladybug 和Honeybee 插件。當(dāng)結(jié)果為True 時，插件將調(diào)用Radiance 和EnergyPlus 分別計算建筑采光與能耗性能；當(dāng)結(jié)果為False 時，則使用懲罰函數(shù)干預(yù)變量取值。為提升運算速度并保證解集質(zhì)量，將采用非支配排序遺傳算法（NSGA-II）作為優(yōu)化算法，通過將上述優(yōu)化過程進行不斷循環(huán)，直至程序?qū)ふ业浇ㄖ误w光熱性能的多目標(biāo)最優(yōu)解。

圖2： 建筑形體光熱性能多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計流程

三、優(yōu)化結(jié)果與設(shè)計反思

在優(yōu)化設(shè)計完成后，可得到各建筑形體在光熱性能多目標(biāo)驅(qū)動下的帕累托最優(yōu)解（以下簡稱最優(yōu)解），優(yōu)化所得每一個最優(yōu)解均為在兼顧并統(tǒng)籌建筑采光和能耗兩部分性能后的方案最優(yōu)決策，只是不同解中采光與能耗性能所占比重不同。這些最優(yōu)解所形成的集合稱為帕累托前沿（Pareto Front）（圖3），對該前沿中各最優(yōu)解方案及所對應(yīng)設(shè)計參數(shù)取值進行分析，可得到高校教學(xué)樓建筑形體的決策方法以及相應(yīng)建筑方位、教室進深和平面形式具體參數(shù)的設(shè)計策略。

圖3： 四種建筑形體優(yōu)化設(shè)計帕累托前沿

1. 形體決策

建筑師在進行形體決策時可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果以及實際方案需求，通過權(quán)衡采光與能耗二者性能比重選擇合適的最優(yōu)解作為最終方案。當(dāng)二者比重不同時，方案的側(cè)重點也會有所差異。以圖3最優(yōu)解集合中三類特征解為例：當(dāng)方案側(cè)重于建筑低能耗設(shè)計時，可選擇能耗性能最優(yōu)解形體方案，此時形體方案為所有最優(yōu)解中能耗最低；當(dāng)方案以采光性能為側(cè)重點時，則可選擇采光性能最優(yōu)解，即方案采光效果達到最優(yōu)；而當(dāng)光熱性能二者比重相同時，又會得到綜合性能最優(yōu)解，此時該最優(yōu)解為圖中與坐標(biāo)原點距離最近（Dmin）的解。

將此三類特征解進行匯總可得到表2 所示各形體具體方案。對比可發(fā)現(xiàn)，能耗性能最優(yōu)解屬于集約型形體，方案體型系數(shù)在三類特征解中最小，該形體主要通過減少建筑與室外環(huán)境的接觸面積而實現(xiàn)降低建筑得熱與失熱以節(jié)能；采光性能最優(yōu)解為松散型形體，方案體型系數(shù)較大，此類形體通過增大建筑外表面面積、減小空間進深，從而爭取更充足的天然光以提升采光性能；綜合性能最優(yōu)解則為適中型形體，是前二者方案的折中，該形體較好的兼顧了采光與能耗性能。此外，將四種建筑形體的三類特征解進行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，能耗性能最優(yōu)、采光性能最優(yōu)以及綜合性能最優(yōu)解分別對應(yīng)于U 形、一字形和回字形建筑形體。說明U 形形體更有利于建筑節(jié)能，一字形形體更有利于建筑采光性能提升，而回字形形體則更適宜于實現(xiàn)二者間平衡，該結(jié)論可用以指導(dǎo)建筑師在方案階段的形體選擇。

優(yōu)化過程中，所有最優(yōu)解UDI100-2000最大值與最小值分別為89.45%和36.65%，EUI最大值與最小值分別為145.83kWh/m2和133.39kWh/m2。即通過對建筑形體多目標(biāo)優(yōu)化可明顯改善建筑光熱性能，實現(xiàn)有效天然采光效率提升52.80%，建筑全年能耗降低接近10%。

2. 建筑方位

根據(jù)最優(yōu)解中變量θ取值，可得到四種形體建筑方位設(shè)計策略。結(jié)果顯示，回字形形體最優(yōu)解為0°無需旋轉(zhuǎn)，其他三類形體U 形、L 形和一字形則均在旋轉(zhuǎn)180°后達到最優(yōu)（圖4）。

圖4： 四種建筑形體建筑方位最優(yōu)解示意

四種建筑形體設(shè)計特征解及相應(yīng)性能計算結(jié)果 表2

建筑方位優(yōu)化結(jié)果與形體自遮擋情況以及形體旋轉(zhuǎn)所帶來的窗墻面積比變化有關(guān)。為避免形體自遮擋，同時最大化南向有效面積以促進形體對天然采光和太陽輻射的利用，U 形形體在設(shè)計時應(yīng)將U 形開口向上，L 形形體應(yīng)將建筑主體布局于場地的南側(cè)與東側(cè)。此外，根據(jù)圖紙統(tǒng)計結(jié)果，各初始形體中西向窗墻面積比略大于東向（表1），所以為減少夏季西曬作用以節(jié)能，一字形形體在建筑方位設(shè)計時應(yīng)控制西向窗墻面積比；而回字形形體由于本身即存在明顯自遮擋現(xiàn)象，所以為在天然采光和太陽輻射中取得平衡，應(yīng)采用西向窗墻面積比大于東向的設(shè)計。

3. 平面形式

最優(yōu)解中U 形、L 形和一字形三種形體均采用內(nèi)廊式平面布局，回字形形體中也僅有少數(shù)方案局部采取外廊式平面布局（表3）。因此方案設(shè)計中，不同建筑形體均宜采用內(nèi)廊式平面布局，該布局形式更有利于兼顧并統(tǒng)籌建筑光熱性能。內(nèi)廊式布局的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面，一是當(dāng)建筑規(guī)模確定時，內(nèi)廊式布局可使建筑形體更加集約，進而有利于控制建筑體型系數(shù)以節(jié)約能耗；二是采用內(nèi)廊式平面布局可便于控制教室進深，進而促使建筑天然采光效果更佳。

對于少數(shù)出現(xiàn)單廊平面的回字形形體，其具體方案以內(nèi)廊與單廊組合的形式呈現(xiàn)，且單廊形式多出現(xiàn)在所圍合庭院內(nèi)部的建筑西向與北向。這是由于當(dāng)走廊在西向時可避免教室在夏季受到西曬以節(jié)能，而北向走廊則可以在不損失南向采光與太陽輻射的前提下減少建筑冬季北向熱損失。

四種建筑形體最優(yōu)解中平面形式 表3

4. 教室進深

教室進深設(shè)計對光熱性能的影響呈相反趨勢，為在二者間取得平衡，可同樣根據(jù)最優(yōu)解中教室進深取值區(qū)間對各相應(yīng)形體設(shè)計提供依據(jù)（圖5）。相較而言，受形體自遮擋影響，在不同庭院比例條件下，回字形形體教室進深的變化范圍最為廣泛，可選設(shè)計區(qū)間為6.1～10.1m，且南北向教室進深略大于東西向。對于U 形和L 形形體而言，二者南北向教室進深的設(shè)計區(qū)間分別為8.1～9.5m 和7.8～9.9m，且明顯大于其各自東西向教室進深取值7.3～9.7m 和7.4～8.4m，說明此類形體平面布局中應(yīng)將大進深教室布置于南北向，而將小進深教室采用東西向布局。此外，由于先天的良好采光條件，一字形形體教室進深設(shè)計區(qū)間的可變范圍較小，但具體進深取值相對較大，為8.9～9.7m。

圖5： 四種建筑形體最優(yōu)解中教室進深取值分布

四、建筑形體設(shè)計應(yīng)用

從形體決策到具體設(shè)計參數(shù)選擇，在光熱性能耦合作用的設(shè)計語境下，對高校教育建筑形體進行優(yōu)化設(shè)計可明顯提升其采光與能耗性能。基于上述結(jié)論，本節(jié)將以國家“十三五”重點研發(fā)專項“目標(biāo)和效果導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計新方法及工具”的示范工程張家口學(xué)院新校區(qū)核心教學(xué)組團為例，探討具體設(shè)計實踐過程中的建筑形體設(shè)計策略應(yīng)用。

張家口學(xué)院新校區(qū)位于張家口市新城洋河新區(qū)，項目總建設(shè)面積為33.45 萬平方米。整個校區(qū)規(guī)劃貫穿集約設(shè)計的理論思想，通過統(tǒng)籌建筑功能，實現(xiàn)校園資源的均勻分布，進而在各組團內(nèi)部實現(xiàn)自我循環(huán)。

核心教學(xué)組團位于整個校區(qū)中軸線上，由公共教學(xué)樓、師范樓和文科樓三座建筑組成（圖6）。在制定任務(wù)書階段即與校方協(xié)商，通過“物以類聚”的方式聚合相似建筑功能，將基礎(chǔ)教學(xué)空間統(tǒng)一集中于公共教學(xué)樓，從而削減各個學(xué)院公共教學(xué)空間以提供更多專業(yè)性教室，提高空間使用效率。故在初始形體決策階段，根據(jù)各教學(xué)樓功能屬性差異，以上課為主的公共教學(xué)樓選擇采光性能最優(yōu)的直線形形體以提供優(yōu)質(zhì)的采光環(huán)境，而另外兩座專業(yè)性教學(xué)樓則更多考慮光熱性能的平衡選擇回字形形體。隨著方案不斷深化，根據(jù)各教學(xué)樓具體場地環(huán)境以及功能需求，通過“量體裁衣”調(diào)整形體進而與場地發(fā)生對話。在公共教學(xué)樓北側(cè)，結(jié)合場地水景設(shè)計兩座報告廳指向校園內(nèi)不同景觀，同時在兩個直線形形體之間采用玻璃中庭進行聯(lián)系形成公共休閑空間；在師范樓回字形形體內(nèi)部，通過將可能產(chǎn)生噪音的功能空間進行整合，使琴房和舞蹈排練廳集中布置于庭院內(nèi)部并進行隔聲處理，結(jié)合植滿樹木的靜謐庭院為學(xué)生增添創(chuàng)作靈感；對于文科樓，考慮到后期將由數(shù)信學(xué)院、外語學(xué)院和文法學(xué)院共同使用，所以將初始回字形形體調(diào)整為三部分直線形形體，并借由庭院內(nèi)部公共報告廳建立形體間聯(lián)系，實現(xiàn)三個學(xué)院功能上相對獨立但又緊密相連的關(guān)系。經(jīng)過上述形體操作，最終實現(xiàn)建筑組團內(nèi)形體、功能、景觀與場地之間的相輔相成，并達到“引人入勝”的空間設(shè)計效果（圖7）。

圖6： 張家口學(xué)院新校區(qū)核心教學(xué)組團

在形體決策完成后，具體形體設(shè)計參數(shù)選擇同樣基于研究所得結(jié)論而開展。其中，建筑方位的選擇除盡量設(shè)計為南北向外，也適當(dāng)與建筑場地形狀產(chǎn)生呼應(yīng)，如公共教學(xué)樓北側(cè)直線形體量（圖7）。至于各形體內(nèi)部平面形式，三座教學(xué)樓均采用更有利于實現(xiàn)建筑光熱性能平衡的內(nèi)廊式平面布局。而且在公共教學(xué)樓中，為盡可能給學(xué)生提供良好的采光環(huán)境并同時實現(xiàn)節(jié)約能耗，建筑內(nèi)所有教室空間均布置于南向，而將休息室、中庭、交通等公共空間布置于北向，在最大化利用南向天然采光與太陽輻射的同時，也利用北向輔助空間抵御冬季嚴(yán)寒（圖8）。此外，對于各形體內(nèi)不同朝向教室進深，設(shè)計同樣按照優(yōu)化研究所得回字形與直線形形體所適宜的進深尺寸結(jié)果完成設(shè)計。

圖7： 建筑組團形體生成過程

圖8： 公共教學(xué)樓內(nèi)廊式平面布局示意

五、結(jié)語

通過形體設(shè)計改善建筑光熱性能，是從建筑外部構(gòu)形與內(nèi)部空間同時出發(fā)對形體進行優(yōu)化設(shè)計的過程。本文所構(gòu)建的建筑形體優(yōu)化研究方法是以建筑師視角，在天然采光和建筑能耗共同驅(qū)動下得到的量化設(shè)計方法架構(gòu)。此架構(gòu)的提出不僅適用于高校教學(xué)樓建筑，也可以推廣到其他建筑類型。以定量化性能評估推導(dǎo)定性化設(shè)計決策，可促進建筑師在設(shè)計實踐中將傳統(tǒng)建筑形象思維與理性思維進行交融，從而構(gòu)建更加科學(xué)高效的建筑觀。

以高校教學(xué)樓四種典型形體為原型的探究，是對整個建筑形體設(shè)計過程中具體設(shè)計策略的反思。形體決策是方案初始階段對形體類型的選擇，建筑方位是對所選形體在場地中方位布局的考量，平面形式是對建筑內(nèi)部空間典型單廊式與內(nèi)廊式平面布局的抉擇，而教室進深則是對各朝向具體功能空間尺寸的確定。作為氣候和環(huán)境最基本且敏銳的應(yīng)對和調(diào)控手段，建筑形體設(shè)計對高校教學(xué)樓光熱環(huán)境性能影響顯著，在形體操作中兼顧并統(tǒng)籌建筑光熱性能，可為學(xué)生營造健康的學(xué)習(xí)環(huán)境并同時改善高校教育建筑高能耗的現(xiàn)狀。