性能驅動綠色建築優化設計方法研究

作者介紹

牛侃大師—風平浪靜，工作經驗豐富，博士畢業於國內某知名高校，專註於參數化研究，可在公眾號「聯繫我們」中添加作者微信，有相關問題可私信他哦。

來，大家先看看這篇文章。

性能驅動綠色建築優化設計方法研究

The method research of green building optimal design by performance - driven

【摘要】通過對建築基本屬性的抽象化描述，將綠色建築的形態和性能要求所涉及的諸多問題轉化為相應的參數模型問題。並利用模擬模擬優化技術，實現綠色建築的多變數，多目標複雜問題的求解過程。

Abstract/With the abstract description of Architectural basic properties, this paper tries to translate numerous problems involved in the optimized process of the form and performance of Green Building. By making use of analog simulation/optimization technique, the multivariable and multiobjective problems of Green Building can be solved.

【關鍵字】數字化 建築基本屬性 性能驅動 綠色建築 集成優化

Key Words/ Digital; The Basic Attributes of Building, performance – driven, Green Building, Integrated Optimization

1.研究背景

1.1、全球化對建築發展的影響

近半個世紀以來，隨著世界經濟、文化、藝術、科技等方面的全球化發展，人們在工業化生產、城市建設、建築設計等改造自然，征服自然的活動中取得了卓越的成績。然而，當這種全球化影響不斷給人們的生活帶來全新體驗的同時，它在建築文化的地域性消失，高密度城市化，生態環境污染及不可再生資源的高消耗等問題上，也給人們增添了許多新的煩惱。因此，在建築規劃和設計的過程中，如何運用新技術、新方法構建相應的適宜性優化設計策略，將會對我們今後的可持續性建築設計，綠色技術研發和評價標準制訂等工作帶來重要的意義和影響。

1.2、數字化技術的發展

隨著應用數學和計算機科學的飛速發展，使得數字化技術逐漸滲透到人類生活的方方面面。這一現象也引起了許多前衛建築師的興趣，大量具有實驗性、未來感的建築形式得以實現。但由於建築設計學科的特殊性，數字化技術在建築學方面的應用，相較於其它經濟、工業、軍事、航空航天等學科，還處於起步晚、基礎差、全面落後的處境。

在建築設計方面，早期的數字化技術更多體現在方案設計圖及施工圖的CAD繪製，3DMAX效果圖渲染表達等輔助方式，以此用來提高工作效率和質量。近年來，隨著模擬模擬技術，建築信息化模型等技術的發展，使得建築師逐步從大量繁瑣的重複工作中解脫出來，可以將更多的精力投入到方案設計構思和設計問題的輔助分析等方面。這其中，在綠色建築設計的數字化技術應用方面：總體來說，存在兩種設計導向：一種是以建築師為主導的形式表達；另一種是以技術和設備工程師為主導的模擬模擬和指標評價。但由於其側重點存在的差異，往往會出現信息交流不暢，技術方法不統一等問題。因此，兼顧兩種設計導向，發揮數字化技術優勢，構建基於性能驅動下的綠色建築優化設計方法便顯得尤為重要。

2.性能驅動優化設計方法

綠色建築的性能驅動優化設計方法包含建築問題決策和數字化技術應用兩方面內容。建築問題決策屬於理論分析部分，通過對具體建築問題的描述和分析，確立相應的研究對象及範圍，設計變數，模擬精度和優化目標。數字化技術應用屬於實踐操作部分，通過參數模型系統的構建，工具平台的選擇和流程式控制制，實現綠色建築性能驅動優化設計的數字化應用。

2.1、建築問題決策

建築是一個複雜的綜合體，它所涉及的問題種類繁多。為了能夠更好的將綠色建築問題轉化為數字化技術應用問題，我們大體上可以將建築的基本屬性特徵進行「形」、「核」、「質」三類抽象化的描述（表1），這其中，通過對建築屬性 「形」和「核」的分析，實現對具體問題中研究對象的描述，根據設計要求和規則，確定研究對象的設計變數及設計精度。而建築屬性「質」則體現其性能特徵，以此來確定設計目的及優化目標。因此可以說，性能驅動綠色建築優化設計方法就是以「質」為核心驅動因子，將其與「形」或「核」建立交互影響關係，通過數字化科學方法，實現 「形」、「核」和「質」三者的優化平衡結果。在整個設計過程中，三者之間在保持其獨立特徵的同時，還體現出相輔相成，相互影響和作用的關係，這也是造成建築問題複雜性的根本原因。因此，當我們研究綠色建築的複雜性問題時，我們更應該關注其關聯性，不要顧此失彼。面對如何發展綠色建築的問題，早期的建築師和學者們經過長時間的研究，通過大量的歸納整理和試驗分析工作，取得了豐碩的經驗和成果。這些都為綠色建築性能驅動優化設計的決策奠定了堅實的基礎。

表1:建築的基本屬性特徵

2.2.1、參數模型系統的構建

2.2、數字化技術應用

參數模型系統的構建是性能驅動優化設計的關鍵，它是根據研究目的和要求把實際建築問題轉譯成數字化模型問題的過程。參數模型具有兩個特徵：一是描述性，參數模型不是實際建築本身，不可能描述建築的所用問題，而是依據研究目的描述建築某方面的屬性特徵。二是簡潔性，根據研究問題對系統要素進行合理、正確的抽象和簡化，而不是片面追求高解析度模型，高解析度模型不但會給模擬模擬過程帶來較大的負荷，甚至會對模擬結果帶來錯誤影響。

（1）模型系統的類別：

整個性能驅動優化設計框架是由不同層面的模型系統共同組成的。一個模型系統本身僅能回答設計框架中的部分問題，根據其作用的不同，可以分為應變系統和影響系統。應變系統是指對設計環境和影響因素做出相應反饋的模型系統，是參數模型系統的主體部分。影響系統是指對研究對象產生直接或間接作用的客觀因素。根據其影響作用的不同，可以分為驅動類型和約束類型，驅動型是影響系統中的積極因素，可以通過某種方式加以轉化和利用。而約束型是影響系統中的消極因素，很難受其他因素影響，對研究問題起阻礙作用。然而，系統類別的劃分也並非涇渭分明，有時也可能會出現類別轉化及在某一種模型系統中同時兼具兩種或兩種以上的類別特徵的情況。

（2）模型系統的要素：

不同類別的模型系統是由各種模型要素所組成，從面向對象的角度出發，可以依據建築的基本屬性特徵將研究問題轉譯為實體模型，空間模型和映射模型作為研究對象（表2）。基於實體模型的問題描述可以分為兩類：一是強調實體本身構成形態的表現型實體，如外牆，屋頂，樓板，門窗等建築元素；二是不關注實體本身的形態特徵，而是強調實體在某一時刻的狀態及實體間相互結構關係的邏輯型實體，例如粒子系統等。空間模型往往不具備獨立功能，需要基於實體模型提取出相應的空間模型，實現其實體化。映射模型是對模擬模擬優化結果的數據反饋。在某種程度上將實體模型或空間模型所處的物理區域進行分組，分解為若干片段單元，這些片段單元之間互相同構或幾乎同構。通過描述每個片段單元的變化，進而可以理解整個模型系統的變化情況，這種映射模型對實體模型或空間模型的性能模擬結果反饋，被稱為映射，這在模擬模擬優化的過程中起到了非常大的作用【1】。

表2.建築性能化問題的數字化轉譯

綜上，通過模型系統類別和模型要素便可以建立較為完善的模擬模擬系統，依據研究問題側重點的不同，可以形成幾種不同的組合模式（表3）。以滿足多種綠色建築性能驅動優化設計的要求。

表3.模擬模型系統的組合模式

表現實體 邏輯實體 空間模型 映射模型

2.2.2、工具平台的選擇

隨著計算機技術的高速發展，當Windows操作系統取代了DOS成為PC主流操作系統後，很多軟體操作由原先的命令行形式轉變為更加便捷的圖形界面和操作窗口，這種方式大大提升了軟體的易用性。但當需要解決複雜性建築問題時，就不得不面對兩類問題：一是軟體當前操作界面不具備的功能；二是軟體根本實現不了的功能。因此，針對這兩類問題，可以採用以下兩種方法嘗試解決：

a)功能開發技術，通過軟體本身的開發語言或引用第三方代碼庫，擴展該軟體的功能。例如SketchUp的二次開發語言是Ruby，Maya的二次開發語言是MEL和Python，Rhino的二次開發語言是VB-Script，C#和Python，以及Microsoft Visual Studio，PHP，eclipse等插件開發工具。

b)介面技術，每個軟體在功能使用上都存在自身的優勢和不足，採用介面技術可以在不同軟體之間形成不同功能的「嫁接」關係，以便完成更加複雜的模擬模擬和優化操作。

然而，這兩種方法操作需要具備較深的數學知識和計算機技術，並且容易消耗很大人力和時間成本。因此，在技術平台工具的選擇和使用上易遵循以下幾點：一是選擇廣泛通用的軟體，二是選擇具有強大二次開發的軟體，三是充分利用開源社區。

2.2.3、流程式控制制

從數字化技術的角度來看，參數模型系統是數據參數的載體，性能驅動優化設計是指利用軟體工具平台，依據特定要求和規則，採用相應的演算法，實現數據參數的輸入，輸出，加工和管理等工作（圖1）。在整個流程式控制制的過程中，還要注意以下幾個方面：

圖1.性能驅動優化設計流程式控制制

a)參數設置：依據系統對象和作用的不同，可以將參數分為初始參數，過程參數和目標參數。而參數設置的大小與多少，將對整個設計的流程式控制制產生很大的影響。

b)優化目標：針對建築單一問題的目標優化求解問題是較為常見的，然而，在綠色建築的設計過程中，更多問題屬於多變數多目標問題，而且很多變數和目標之間存在相互制約，相互影響的關係。因此，針對這一問題，可以分析不同設計目標在建築問題中的影響權重，實現平均最優解的求解過程。

c)流程式控制制的方向性：其本質是數據參數的回溯現象。即從數據參數的傳輸方向來看，後面參數的變化是否對前面的參數產生影響及改變。現階段，大多數採用的是按照傳統順序分析的線性分析系統，針對具有明確量化目標的問題，可以嘗試參數回溯，反覆迭代的循環分析系統。

3.試驗案例分析

針對上節性能驅動綠色建築優化設計方法的理論基礎和技術應用的闡述，本節將通過一個試驗性案例分析，詳細說明在綠色建築設計過程中，性能驅動設計方法是如何在建築形態與性能需求之間實現數據參數自動循環，並利用智能優化演算法工具實現多方案優選的過程。

3.1、設計問題簡述

本試驗設計的內容是：在夏熱冬冷地區，以不同月份太陽輻射總量的變化情況作為驅動力，探討建築的形態表皮是如何依據設計目標做出響應變化，並利用建築形態變化情況和目標數據參數兩個指標，對驅動優化生成的多個方案進行評估和選擇。

在我國夏熱冬冷地區，普遍存在著「夏季濕熱、冬季陰冷」及「夏季白天有一定風速的熱風，不足以降溫，而晚上風速低，難以降溫」的氣候特點，如上海，南京，武漢，長沙等地區。這種氣候特點與人類的生物舒適性要求太遠。從生物氣候學的角度來看，這種氣候對建築設計，尤其是建築形態表皮的設計，具有很大的挑戰性。建築表皮是室內外環境的屏障和「過濾器」對其熱環境的調節具有重要的意義。

圖2.試驗案例

試驗設計的場地設在上海市楊浦區四平路同濟新村住宅小區的一塊空地上，研究對象為擬建一個開間25米，進深12米，高度24米的初始化建築單體模型。場地地勢平坦，周邊為幾組5或6層 的住宅建築(圖2)。研究目的是尋找一種建築形態，使其在8，9，10三個月里建築表皮所獲取的太陽輻射總量最小，而在12月至第二年的1，2月的三個月里，建築表皮所獲取的太陽輻射總量最大。

3.2、性能驅動優化設計框架的構建

基本的性能驅動優化設計框架有三部分構成：即應變實體模型系統，影響模型系統和優化搜索器(圖3)。採用的軟體工具為grasshopper for Rhino及相關的性能模擬插件ladybug和優化演算法插件octopus。

圖3.基於grasshopperfor rhino 的性能驅動優化設計的框架腳本

3.2.1、應變實體模型系統

住宅建築的體型表皮的基本屬性表現為「形」的特徵。其模型要素類別屬於表現實體，由面及面組成的體塊兩種單元構成。在住宅建築設計中，建築表面獲取太陽輻射總量多少取決於建築表面面積的大小和建築的位置朝向。因此，本設計採用了3個可調節參數對建築的表面和形態進行調整：一是角度R1，它是以建築底面中心為原點，角度區間定義在-0.5*PI～0.5*PI之間，以用來調整建築單體的位置朝向；二是角度R2，它是以建築屋頂面兩條長邊中點連線作為旋轉軸，角度區間定義為-0.25*PI～0.25*PI之間，三是角度R3，它是以建築屋頂面兩條短邊中點連線作為旋轉軸，R3的角度區間定義為-0.15*PI～0.15*PI之間，R2與R3共同作用，以用來改變建築單體的局部高度和屋頂表面面積，與此同時，其建築的4個立面的表面面積也會發生相應的變化。

3.2.3、影響模型系統

此設計的影響模型系統分為兩種：一是建築場地的周邊環境，對場地內建築表面輻射量獲取產生約束性影響的是其周邊的建築組群，其模型類別為表現型實體。二是對建築形體表面產生直接影響的太陽輻射模型系統，它是整個設計過程的驅動力。

3.2.3、優化搜索器

由於此設計的調節參數與優化目標並不存在對應的線性關係，因此，優化搜索器採用具有較高通用性和魯棒性的智能化搜索演算法。設定一定的基因數目和搜索精度，當基因的分布差異趨近於收斂時，便可以停止搜索，對計算出來的基因解進行分析和篩選。

3.3、優化方案的評估與選擇

經過優化搜索器的計算之後，便是對計算結果的評估和選擇。如圖所示（圖4），可以看到方案基因解的分布情況，顏色較深的解為適應性較強的可行解，而顏色較淺的解為一般解，而處於離散狀態的解為適應性較差的劣解。同時，綜合建築方案的形態變化情況，挑選出兼顧美學和性能雙重要求的方案解（表4）。

圖4.優化方案分布狀況

4.結論及展望

參數模型系統的構建，將綠色建築問題轉化為數字化模型是一種「自上而下」的設計過程，而參數模型的模擬模擬優化評估，則是對綠色建築的性能進行反饋，是一種「自下而上」的設計過程。通過數字化技術將兩類設計過程結合起來，並同時採用量化指標評價和人的感性評價，進行適宜方案的選擇，這為綠色建築設計和研究工作開闢了一條新的道路。但同時我們還要看到，由於該設計方法屬於多學科交叉領域，仍處於起步階段，還存在較大的缺陷和不足，因此，今後還需要從以下幾個方面進行深入的研究和思考：

a) 提高建築理論研究的深度和廣度，為參數系統模型的建構提供理論支持；

b）數字化集成優化設計的基礎是數學和計算機技術，只有加大對計算機應用技術和演算法研發的投入，才能夠更好的為集成優化設計提供強大的技術保障；

c）對實際項目要做好科學，有效的評價反饋，這樣可以為今後建築設計優化策略的制定指引明確的方向。

表4.優化方案參數表

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