面向全生命周期的绿色建筑多目标优化决策

李晓娟 刘 科

福建农林大学交通与土木工程学院

0 概述

大量的能源消耗是导致全球变暖的最大因素，产生的温室气体约占人类温室气体排放总量的三分之二[1]。作为我国国民经济的支柱行业，建筑业促进了经济社会发展、增加了民生福祉，行业市场容量持续扩张。但作为能耗大户，存在资源消耗量大、碳排放量高、环境污染严重等问题[2,3]。大量研究表明，建筑节能的切实可行性，但面对总量巨大的能源消耗，如何采用新技术、新手段，从源头更有效、更合理地控制建筑能耗，是每一个“建筑人”都应该思考和面对的问题，保证我国经济健康发展具有重大意义[4]。

综上所述，绿色建筑评价体系的适用性和有效性仍不够全面，尤其是对影响经济成本的指标项考虑较少。由于绿色建筑设计参数数量众多、构成复杂，采取各种措施所引起生命周期成本的增加或减少，在设计时未能得以体现。因此，在参数化设计中，分析各设计参数对建筑生命周期能耗和成本的影响程度，才能在实现节能目标的基础上有效地控制建设投资。本文旨在从建筑节能成本优化设计出发，结合节能设计的相关专业知识、技术，开展绿色建筑全生命周期多目标优化，促进我国建筑行业的可持续发展。并以福建地区的实际工程为案例分析，结合当地气候条件、规范标准，实现公共建筑的优化设计流程与方法进行求证。

1 基于BIM 的绿色建筑全生命周期多目标优化决策框架

基于BIM 的节能优化设计以建筑BIM 模型为核心，首先分析能耗性能与全生命周期经济性分析，通过优化算法构建多目标决策，进行方案综合评价，最终得到最佳的设计方案，其理想流程框架如图1所示。

2 绿色建筑全生命周期能耗与经济性分析

2.1 能耗计算范围

采用等效电法进行能耗计算，符合公共建筑能耗以电能为主的特征。

图1 基于BIM的节能设计优化流程框架

能耗计算公式：

2.2 能耗分析与输出

本文采用Revit 软件进行项目建筑设计，通过上述方法中rvt 格式转换导入能耗模拟软件进行能耗计算分析，保证了建筑设计的有效性及能耗计算的可靠性，为节能设计优化创造新途径与思路。

2.3 全生命周期成本

实现节能与经济的双目标优化，真正达到节能建筑的社会、经济、环境目标，须进行经济性成本分析，主要考虑生命周期的成本。经济性成本性分析，引入全生命周期成本分析（LCCA，Life Cycle Cost Analysis）方法作为理论指导，实现对设计方案的成本优化。在进行的分析时可只对初始化建设成本和运营成本作分析，计算中各项取值如式（4）。

2.4 全生命周期成本的经济性评价指标

全生命周期成本的经济性评价指标现值法不仅能够用来分析不同方案在全生命周期的总成本，而且现值法还考虑到了资金的时间价值问题。生命周期成本现值（）的计算方法如式（5）所示。在比较方案的现值时，现值最小的方案全生命周期总成本最低。

影响围护结构全生命周期成本分析的因素见表2。

表1 分析方案分析的各项因素

表1 分析方案分析的各项因素

3 绿色建筑全生命周期多目标优化决策

3.1 决策参数

通过参考近些年来建筑节能优化设计的研究成果，决策参数集中在建筑围护构造方面，如：建筑朝向、窗墙比、保温层厚度、玻璃类型、围护结构热工性能等，建筑围护结构传热量占建筑热量损失的比重最大，因此选择外围护结构作为优化对象[11]。针对外墙、外窗、屋顶三大设计参数提出不同的设计方案进行优化决策分析。

3.2 多指标正交试验设计

在优化设计过程中，为了探究多个因素对试验指标结果的作用机理，通常会将这些因素进行组合试验，由于因素较多，因此会产生众多的组合情况，若采用全面试验的方法，将每种组合逐一进行试验，试验次数和难度则会更加的提高，任务更加繁重，甚至有的试验不可能完成。因此，在实际应用中，做多因素的全面试验不太现实，需要利用实验设计方法，更加科学地选择具有代表性的水平组合进行试验，简化试验次数，捕捉足够的试验信息[12]。目前应用数理统计概念和正交原理是解决全面试验的有效方法，借助规格化的正交表，从次数众多的全面试验中挑选出部分且具有代表性的组合方案，然后将试验结果进行简单计算，便能找出较好的工艺条件或最优组合。

3.3 功效系数法确定最优节能设计方案

功效系数法，又叫功效函数法，由E.C.Harrington在1965年提出的用于多目标优化的一种方法，被应用于正交试验评价[15]。这种方法将试验各指标通过功效函数转化，并将同组各指标的取值作归一化处理，得到一个总功效系数进行评定，当求解目标的量纲不同时特别适用。

本文采用功效系数法对多指标正交试验结果进行分析，最后依据分析结果对各个方案进行综合评价，择优选出最佳的设计方案。

4 结论

本文对公共建筑节能设计优化进行了研究，将软件模拟工具与优化算法、经济性评价等理论知识进行有机结合，制定了一套基于BIM的公共建筑节能优化设计框架。以正交试验设计为多目标优化算法确定优化方案，以Revit软件和BECS软件为建模、成本分析、能耗模拟工具，实现对办公建筑优化方案的年度耗电量与生命周期成本现值的多指标评价，优选出最佳的节能设计方案，形成一个完整的节能设计优化框架可以将其应用于实际的节能设计过程中，旨在促进建筑业的可持续发展，实现向绿色建筑及节能建筑的转型。