基于环境性能模拟的历史建筑更新设计优化研究*

史立刚 蒋欣彤 李玉青 陶露露 SHI Ligang, JIANG Xintong, LI Yuqing, TAO Lulu

0 引 言

作为当代的国际学术热点，特别是近年来我国建筑界由增量时代转向存量时代，旧建筑的更新改造成为我国建筑内涵式增长的关键。教育类历史建筑承载着历史文化、情感需求和实际的教育功能，其“盘活存量，做优增量”的改扩建更新受到广泛关注。纵观当前我国的历史建筑改扩建更新，建成环境性能低效、高能耗、使用者舒适度待提升的问题亟待解决。因此探索双碳战略目标下的历史建筑更新优化方法是当代建筑发展的关键突破口。本文拟以哈尔滨工业大学土木楼改扩建更新为例，探讨教育类历史建筑更新的形体生成逻辑和建筑环境优化规律，进而凝练出基于性能模拟的历史建筑更新优化设计方法。

1 历史建筑改扩建理论研究现状

作为当今城市建设转入存量提升阶段的重要议题，针对历史建筑改扩建更新的研究和讨论日益丰富，例如对其改扩建形式、方法与原则理论的引介和探索[1-3]，其中杨昌鸣等[4]提出满足建筑功能、空间容量扩展或者不定型转变，调和两种需求的模式原则；和马町[5]等提出“混合体”与“盒中盒”两种更新扩建模式；再如改造后的价值与影响认知，王蔚等[6]在历史建筑改造推动社区微更新的策略与模式上开展探索研究。此外，徐宗武[7]、何镜堂[8]等学者针对近代历史建筑的保护理念、改造更新技术体系与策略展开研究。在改扩建更新中结合绿色建筑技术日趋成为当下历史建筑更新的焦点问题。

第一，提升室内环境性能。徐小东等[9]建构出当下产业类历史建筑改造再利用中建筑形体分级改造、功能布局优化与空间氛围营造的设计策略；左琰[10-11]解析出提高外维护系统、采用地源新风技术、设备智能化以改善历史建筑环境性能，并提出了历史建筑保护与利用的节能评价方法和步骤。

第二，降低能耗。钱锋等[12]提出历史建筑生态节能改造方法；刘启波[13]确立了高校历史建筑节能高效原则；图尔坎·戈克萨尔·奥兹巴尔塔（Turkan Goksal Ozbalta）[14]创建了建筑能源模型，进而提出公共历史建筑兼顾能源效率和成本最优水平的设计措施；洪烽桓等[15]提出了建筑师主导下基于能耗模拟的建筑形体与空间组织节能设计流程。

第三，提高使用者舒适性。杜晓辉[16]通过模拟手段评估天津原大陆银行改造后节能与提高室内热舒适的有效性；曲柯（Ke Qu）[17]针对历史建筑改造的各种被动式改造措施的节能潜力、经济性和热舒适性能进行评估。

综上可知，我国已开始在绿色建筑技术和历史建筑改扩建领域开展项目实践与理论研究，但目前仍多限于单一案例、技术应用原理等研究，尚缺乏定量化、类型化、地域性的设计方法研究。

2 哈工大土木楼改扩建更新设计

2.1 设计背景

哈工大土木楼位于哈尔滨市南岗区，于1953 年建成，具有欧洲古典复兴形式的建筑风格，为哈尔滨市二类历史保护建筑。参照普通高等学校建筑规划面积指标[18]，其作为建筑学院教学楼，生均教室面积4.2 m2，远未达到规范要求。

通过实地问卷调研获取受试者活动习惯与使用需求，受试者选定为哈工大土木楼在校师生。共计发放问卷71 份，有效问卷数69份，有效率97.2 %。问卷分为四个部分。第一部分为受试者基本信息，包括性别、所在年级、职业等；第二部分为土木楼现状评价，包括土木楼氛围评价、功能空间评价、整体满意度评价等；第三部分为土木楼两翼内院使用情况调查，包括活动频率、活动种类、景观评价、整体满意度评价等；第四部分为改造意向调查，包括专教类型倾向、功能空间补充需求等。调查结果显示师生在土木楼两翼内院的活动频率较低，以通行为主，更倾向于私密或半开放的专教类型，现有的自习研讨、休憩与活动空间、半私密空间等均无法满足师生日渐增长的使用需求。教学模式的升级最终对教学空间提出了新的需求，教学空间的范围也不止局限于单个教室组成的教学区内[19]。整体来看，由于师生数量的扩张，哈工大土木楼的“E”字形平面布局已无法满足师生日渐丰富的行为活动需求，现拟加建一个阳光大厅，将土木楼建筑面积增加约10 000 m2（图1）。

图1 基地规划示意图Fig.1 base planning sketch

由于原土木楼结构与立面均保留完整，本设计决定采用轻盈的玻璃通透体量与原土木楼形成新旧对比，最大限度地保证原土木楼风貌的可视性。为追求新建阳光大厅的通透感与整体性，要求其空间尺度与组织关系切合原土木楼，结构体系清晰明确、轻盈且贴合体量。

2.2 拓扑学和图解静力学方法

20世纪90 年代以来，建筑师与结构工程师的传统合作模式通常表现为建筑师定义建筑造型，结构工程师进行后期合理化处理，这导致的建筑形式与结构形式严重分离广受诟病[20]。近年来，拓扑学与图解静力学均由二维向三维发展，其普遍适用性愈加增强，对建筑的结构与空间形态设计综合发展的指导意义愈加突出。

所谓拓扑学是近代发展起来的一个数学分支，用来研究各种“空间”在连续性变化下不变的性质[21]。网格拓扑变化既可以保证建筑空间秩序关系不变的同时又改变了空间的形态和大小[22]。图解静力学是一种以全图形化的思维方式为基础，根据结构内部应力传递进行设计的手法[23]。图解静力学利用图解法可作为一种双向设计驱动因素，平衡结构体系与其形体的关系[24]。其由力到形的过程可以极大地对结构进行优化，同时可以得到形式多样的桁架形态，且这些桁架均处于受力平衡状态，可以很好地应用到实际结构中去[25-27]。

2.3 体量生成

在本方案设计中，拟采用拓扑学与图解静力学结合的方法生成新建体量（图2）。首先，根据各功能的空间布局及面积大小需求，在原土木楼内院分别置入自习研讨、休憩、展览与中心大厅等功能体块，生成线性空间体量。在此基础上，结合原土木楼空间尺度与组织模式，延续大空间尺度，遵照功能体块组织秩序，利用拓扑思维将线性空间体量转变成整体的非线性空间体量。

图2 体量生成示意图Fig.2 schematic diagram of building mass generation

对于具体的设计场景，结构形态需要在满足自身平衡的同时，回应场地与功能等问题，形成兼具力学合理性与建筑文脉对话性的形态[28]。体量生成的最后一步，即需要结合结构体系的选择与优化以修正非线性空间体量。利用玻璃透明的庇护功能，连接历史建筑或覆盖原有建筑的庭院，可以在对原有建筑影响较小的情况下达到对建筑空间的扩展[29]。结构体系力求与建筑形态一体化设计，采用空间网架结构，力求轻盈与简洁，通过静力学算法，在构建结构骨架的同时，修正非线性空间体量，尽最大程度使结构杆件内部受力均为轴向以减少弯矩，缩减结构断面尺寸，提高结构效率（图3）。

图3 基于grasshopper平台的更新设计逻辑Fig.3 updated design logic based on the grasshopper platform

3 室内热环境评价标准及性能模拟

3.1 室内热环境评价标准

在透明围护结构材料使用较多的高大空间中，夏季室内人员的热舒适受太阳辐射以及室内高温壁面的影响较大[30]。由于设计引入了大面积玻璃材质的阳光大厅，可能存在热环境方面问题，因而需要进一步优化。尽管哈尔滨属于严寒地区，但非采暖季室外温度最高也可达到30℃左右，太阳辐射量大、壁面温度高，均会导致室内过热，进而影响人员热舒适。

本文根据我国《民用建筑室内热湿环境评价标准》中非人工冷热源建筑内I级舒适体感温度的评价方法[31]对逐月不舒适时间占比进行计算[32]，进而评价室内热环境质量的优劣（表1）。

表1 哈尔滨自然通风建筑室内体感温度Ⅰ级舒适区间/（℃）Tab.1 Harbin natural ventilation building indoor body temperature comfort zone Ⅰ/ ℃

3.2 计算机模型建立

本研究计算模型采用Rhinoceros3D建模平台及Grasshopper插件辅助建立，按1∶1的比例导入Ecotect Analysis软件，并在Ecotetc软件中，重新赋予围护结构相应材质（表2）。

表2 建筑模型围护结构主要材料及相关参数Tab.2 main materials and related parameters of building model envelope

模拟计算域尺寸为125 m（W）× 105 m（L），X方向与Y方向各均分32 格，位置距一层地面1.5 m，分析界面为垂直地面向上（图4）。网格中采用等值线的呈现方式以直观了解模拟数据。因本文仅讨论新建体量的室内热环境，故沿新建体量划定热量区域，设定为indoor，方便后期进行数据分析。

图4 模拟计算网格所在位置示意图Fig.4 schematic diagram of the location of the simulation calculation grid

3.3 模拟条件设定

本研究从气象数据、模拟时段和人员作息时间表等方面对模拟的边界条件进行了限定。研究采用Weather tool提供的CTYW典型气象数据，为气象站多年实测气象数据利用插补法获得的逐时气象参数，哈尔滨（126.8°E，45.8°N）作为严寒地区的典型城市，非采暖期为5—9月。

调研结果显示，由于建筑学院学生学习生活作息的特殊性，教学楼内人员在室周期较长，人员日常在室时段为早上6:00至次日凌晨2:00，集中周期间人员在室时段可达24 h。因此，以学期非集中周时间段师生的作息情况为研究条件，设定新建体量内人员的逐时在室率。本文拟研究非采暖期、无设备状态的室内热舒适情况，根据调研设定人体衣着量（短袖长裤状态）为0.6 clo，代谢率设置为学习状态（70 W），气象条件选取全年最热日平均值。

4 模拟结果与优化设计策略

4.1 初步方案模拟结果

观察平均太阳辐射温度分布图（图5）与日逐时温度曲线（图6）可知，室内温度在师生活动主要时间段内均高于室外温度，且相较于室外温度波动较大，尤其中庭区域的热环境相当恶劣。这是由于在本方案中，除门外无其他可开窗扇，室外空气几乎无法进入室内，空气流动效果不佳；由于太阳辐射对玻璃透明体量影响较大，中午日照强烈，中庭区域无有效遮挡，形成“温室效应”，导致室内温度不断升高，超出热舒适范围。

图5 平均太阳辐射温度分布图Fig.5 average solar radiation temperature distribution map

图6 日逐时温度曲线Fig.6 hourly temperature curve

对于非采暖季来说，防止室内过热的需求大于防寒保温需求，尽管冬季对通风的需求减少，可利用“温室效应”调节室内热环境，提高室内热舒适质量，但夏季应尽量避免受其影响，利用被动式设计策略调节室内温度至人体舒适温度，防止室内过热问题的出现。

4.2 焓湿图及优化方案设定

利用Weather tool软件中的被动式设计分析模块，对比各种被动式策略对室内舒适度的改善效果。图中红色柱状表示采用被动式策略后的舒适区域占比，黄色柱状表示未采用被动式策略舒适区域占比（图7）。在六种被动式设计策略中，高热容及夜间通风、高热容材料、自然通风等三种策略在哈尔滨非采暖季（5—9 月）效果最为显著，由此说明自然通风设计与热量设计的重要性。具体对策如设置可开合窗扇（包括天窗与侧窗），但其改善舒适度有效性易受环境温度与最大风速限制；兼顾尽量避免过渡季节直射光的不利影响，采用遮阳构架策略，如建筑遮阳装置或百叶窗等；针对早晚温差大的地区，采用高热容与夜间通风策略，如采用高效的围护结构，并在洞口处设置遮阳材料，日间尽量减少热量的进入与蓄积，夜间利用自然空气流动降低建筑自身日间所吸收的热量。

图7 不同被动式策略分析对比Fig.7 analysis and comparison of different passive strategies

针对上述的具体改善措施，本文重点讨论针对遮阳有无、天窗开合与否及是否有上舷窗等条件的室内热舒适模拟优化设计，共计五组方案（表3）。在优化模型中，兼顾整体体量的通透性和技术适用性，遮阳方式设定为内遮阳，在无天窗的顶界面部分设置电动天棚遮阳帘，透光系数为0.29，太阳吸收率为0.51。

表3 模拟实验模型基本信息Tab.3 basic information of simulation experiment model

4.3 优化方案热环境模拟结果

经过优化前后，四组方案的平均太阳辐射温度分布图（表4）和非采暖季逐月过热不舒适时间占比（图8），可以看到在7—9 月差距较为显著。比较优化方案与原方案的模拟结果发现，天窗开启面积占顶界面面积增至15.3%时，过渡季节逐月不舒适度比例增长0.4%；遮阳面积为顶界面面积71.8%时，过渡季节逐月不舒适度比例降低2.46%；与此同时，天窗开启面积占比增至28.2%，侧界面上舷窗占比1.8%时，过渡季节逐月不舒适度比例降低2.19%。开关天窗对逐月过热不舒适时间占比影响不大，有无遮阳在夏季即7—9 月对其影响较为显著。天窗开合即自然通风的影响较设置遮阳的影响偏小，这是由于玻璃体量的被动式得热量主要来自直接太阳辐射。同时，由于采用热压通风原理，在中庭处开设天窗，内遮阳设置于无天窗的顶界面区域，中庭区域仍无有效遮挡，因此中庭区域的平均太阳辐射温度仍然较高，导致整体室内逐月不舒适时间占比优化效果不够显著。

表4 各优化方案平均太阳辐射强度分布图示Tab.4 average solar radiation intensity distribution of each optimization program

图8 逐月不舒适时间占比（过热）Fig.8 proportion of monthly uncomfortable time (overheating)

综合以上对比结果，在本方案中宜设置内遮阳以调节室内热环境，提高室内热舒适状况。

4.4 优化方案风环境模拟结果

空气流动是影响人体热舒适的六个主要因素之一，也是一种低能耗的夏季舒适提供方式，可补偿环境温度升高[33]。适宜的空气流速有助于人体的对流和蒸发散热，提高室内热环境水平，改善室内空气品质，使人保持身心愉悦，提高工作效率[34]（表5）。定义室内风速低于0.2 m/s的区域为静风区，即不会对人体热舒适产生影响；风速介于0.2～0.5 m/s为中风区；风速大于0.5 m/s的为高风区；静风区的范围越少，中风区及高风区的范围越大，自然通风情况越好[35]。本节拟讨论天窗与侧立面上舷窗开合对室内风环境的影响，以天窗关闭且设置遮阳的方案C为对照组，与方案D和方案E进行对比讨论。

表5 风速对人体作业的影响Tab.5 the effect of wind speed on human work

风环境模拟沿用Ecotect Analysis软件及哈尔滨CTYW典型气象数据，载入winAIR4风环境模拟分析插件作为实验平台。根据气象局所提供的历年哈尔滨各城区气象数据，设定夏季主要风向为西南风22.5°，平均风速为3.15 m/s[36]。设定高于室内地面一层平面1.5 m处为分析平面，因网格精度对风环境模拟结果影响显著，但网格精度过高也会导致计算效率降低，故进行风模拟前应先完成网格独立性检验。研究选取3 组网格细分尺寸，在相同边界条件下进行风环境模拟（表6）。当网格密度持续加大时，如模拟结果未发生明显变化，即表示达到较为优质的网格划分情况。由分析图可知，可采用中等网格密度划分。

表6 不同方案风环境模拟结果Tab.6 wind environment simulation results of different scenarios

对比分析三组方案的风环境模拟结果（表6），尽管开启天窗与侧立面上舷窗，室内风速仍然较低，风速相对较高区域主要分布于中庭及门窗区域；左内院中庭区域空气风速相对较大，这是由于在非采暖季主要受到西南22.5°风的影响。模拟结果分别显示：

第一，对照方案C无窗扇开启，仅有主入口大门可开启，静风区占比较大，不利于室内空气的流动，易引起身体不适，使人感到烦闷。

第二，优化方案D天窗与侧立面上舷窗均开启，室内平均风速在三个方案中最大，为0.13 m/s。室内区域风速主要处于0.04～0.55 m/s之间，此区间风速不影响人工作，且有利于人保持身心愉悦。但同时由于侧立面上舷窗的开启，在窗口区域出现局部较大风速，为0.74 m/s，需要注意防止纸张吹散。

第三，优化方案E中仅开启天窗，室内风速分布较为均匀，但由于减少了侧立面上舷窗进风口的设置，室内风速相对较小，中庭区域风速处于0.04～0.18 m/s之间，此区间风速不易被人察觉。

哈尔滨作为严寒地区典型城市，需要在防寒保温的基础上兼顾非采暖季的室内舒适状况，因此遮阳面积与窗户的数目及其可开启有效面积不可无限制地增加。对比以上模拟实验结果，在本方案的优化设计中，综合美学要求、功能布局与全年室内舒适需求，选取方案D为最佳方案，设置内遮阳、可开启天窗与侧立面上舷窗，以辅助室内通风，减少太阳辐射得热，改善室内热舒适状况与风环境水平。

本文以哈工大土木楼改扩建方案为例，基于兼顾结构合理性与历史建筑自身文脉的形体生成逻辑，提出设置可开启天窗、遮阳和上舷窗等具体策略，尝试整合凝练出基于性能模拟的历史建筑更新优化方法，以期推进前策划—后评估的建筑全寿命设计效能提升，对目前存在的建成环境性能低效、舒适度待提升等问题提出改进策略（图9）。鉴于本文基于通透表皮结构改造策略的预设，太阳辐射对其室内物理环境影响较大，导致后期环境改善效果受限于表皮的组合策略，且物理环境策略的实施仅采用计算机模拟评估验证，尚需内部空间实测数据的验证。

图9 基于性能模拟的历史建筑更新优化方法流程Fig.9 process of optimization method of historical building renewal based on performance simulation

5 结论

本文以哈工大土木楼加建阳光大厅改扩建设计为例，利用功能空间与结构、环境耦合的方式，研究基于环境性能的历史建筑更新环境优化规律。一、基于Rhinoceros与Grasshopper平台，结合拓扑思想与图解静力学理论，提出了基于环境性能和结构性能的建筑形态优化设计方法；二、运用Ecotect软件模拟哈尔滨非采暖季期间哈工大建筑馆新建阳光大厅的室内风热环境，针对本方案提出设置内遮阳、可开启天窗及侧立面开窗的设计策略，以期提高室内环境性能。鉴于本研究尚处于方案阶段，缺乏内部空间的环境测试对比，因此方案的实际效果有待进一步验证，本文提出的基于风热环境模拟的优化设计方法旨在为历史建筑改扩建提供理论指导。

图表来源：

图1-9：作者绘制

表1：程征, 亓晓琳, 张培峰, 等.体育馆自然通风降温潜力评估及优化策略研究[J].建筑与文化, 2019, 189(12): 196-197.

表2-4、6：作者绘制

表5：朱唯, 狄育慧, 王万江, 等.室内环境与自然通风[J].建筑科学与工程学报, 2006, 23(1): 90-94.