基于EPC能耗模拟工具的建筑设计初期能耗模拟与整合设计研究

洪烽桓 李麟学 Hong Fenghuan Li Linxue

建筑所消耗的能量占全球总能耗的30%以上，建筑自身的电力需求约占全球总电力需求的50%，全球范围内，近几年建筑年均总能耗较2000年提高约20%，建筑行业的二氧化碳排放量约占世界总排放量的30%。近年来随着我国“双碳”目标的确立，绿色节能建筑设计成为推动我国绿色低碳发展的重要组成部分，并已迫在眉睫。但是，当下建筑师无法将能耗模拟有效整合至建筑设计初期，导致在设计中后期，经常因设计成果不满足要求而退回至概念设计阶段，致使“回溯性验算”盛行。为了解决这一问题，罗亚x 瑞扎伊（Roya Rezaee）与詹森x 布朗（Jason Brown）等提出建筑设计初期的线性反向建模逻辑方法，桑迪普x 阿胡亚（Sandeep Ahuja）与帕特里克x 超普森（Patrick Chopson）等通过能耗需求来分析建筑体量与材料参数，但这些研究都脱离了实际建筑创作，在设计初期的应用性较弱。

在有效结合建筑设计初期相关特征基础上，为设计初期提出一个系统完整、切实可行的能耗模拟整合设计方法，并基于EPC能耗模拟工具，全面展示该设计方法在具体设计实践的应用过程。

1 建筑设计初期的特征

此处讨论的建筑设计初期，主要以概念方案设计（Schematic Design）为主，未涉及过多的初步设计、扩初设计及施工图设计。建筑设计初期具有一系列特征，包含阶段性、迭代性、重要性和不确定性等。

建筑设计初期的阶段性（Phasing Feature），主要指设计初期所包含的发散阶段（Divergent Phase）、收敛阶段（Convergent Phase）和深化阶段（Developing Phase）。发散阶段指依靠发散性思维，创造对实现设计目标和建筑师自我表达都有效的概念设计；收敛阶段指对发散阶段生成的概念设计进行分析评估后，选择最优方案；深化阶段指对建筑方案在设计初期的进一步优化。

建筑设计初期的迭代性（Iterative Nature）指包含发散阶段与收敛阶段的设计决策过程会因不同设计侧重点或设计参数而在整个设计过程中不断反复。建筑设计初期的重要性（Decisive Impact）体现在与建筑设计的开端距离越近，对建筑设计方案的影响越大，且这种影响会随建筑设计的推进而逐渐消亡（图1）。不确定性（Uncertainty）指由于目前所掌握知识的限制而难以描述现在或将来某个情况或结果的状态，因为建筑设计是“建筑师在当下做的对既定未来目标的承诺”——建筑在施工建造后的最终成果，在根本上是由设计初期所有不确定参数在各自范围内的取值结果构成的。

1 建筑设计初期的重要性体现及理想设计过程

在设计初期对能耗模拟进行整合，可以实现方案多评判标准的更新与引导，并有效建立能耗方面“目标—路径”的映射关系。作为分系统之一的能耗模拟与作为总系统的建筑设计之间，具有重要的协同工作机制：建筑师开始方案创作后，能耗模拟也随之不断调整，从而及时反馈结果，为方案的推进与优化提供富有建设性的指导建议。

2 基于EPC 能耗模拟工具的建筑设计初期整合设计方法

2.1 EPC能耗模拟工具概述

Energy Performance Calculator（简称EPC）是基于微软办公软件Microsoft Office Excel对建筑日常能耗进行模拟的低阶简易精度模拟工具。在EPC中，共有8个不同的标签页面（Sheets），只需在模拟气候数据页面加载气象文件，并在输入内容页面填写与建筑能耗相关的信息，即可得到建筑能耗模拟结果。

EPC工作平台有一系列衍生工具，例如EPC Tech-Opt，可在已有的建筑能耗模拟结果基础上设置能耗目标，植入与之对应的限制条件，将原本作为输入端的参数取值变为未知，进而通过Microsoft Office Excel中自带的规划求解加载项（Solver）求解工具插件，利用蒙特·卡罗（Monte Carlo）随机模拟方法得到最优参数组合，从而得到最优全局解决方案。

EPC能耗模拟工具具有操作便利性、过程快捷性和内容可变性等特点，非常适合在设计初期使用。

2.2 建筑设计初期能耗模拟与整合设计方法

将能耗模拟整合至设计初期，目的是在初期为建筑师提供引导与帮助，设计初期的阶段性特征被应用于能耗模拟路径的核心板块，形成整合方法中由发散阶段和收敛阶段构成的正向设计过程和由深化阶段构成的逆向设计过程。前者通过对每一个设计参数设置不确定取值范围，评估、检验与对比各个方案的能耗概率分布，如式（1）所示；后者通过设定能耗目标，寻求所有不确定参数的最终取值结果，通过EPC的衍生工具Tech-Opt，达到方案在能耗上的优化，如式（2）所示。

式中：式（1）自变量x代表建筑设计元素参数，x、x、x表示具体的参数项目；因变量y指建筑能耗模拟结果；自变量x和因变量y二者均具有不确定性；式（2）已知条件y是设定的能耗目标；未知量x是能够满足能耗目标的设计参数取值组合。

能耗模拟的整合方法可以根据建筑设计初期的阶段性特征加以制定，但需要选出对建筑能耗影响较大的设计参数，并确定其在各个方案中的取值范围及概率分布情况。判断参数取值范围的依据包含建筑规范、研究成果和设计经验等，参数的筛选可以通过敏感性分析实现。

3 同济大学嘉定校区学生活动中心设计实践案例研究

以同济大学嘉定校区学生活动中心项目为例，探究基于EPC能耗模拟工具的建筑设计初期整合设计方法在具体设计实践中的应用。

3.1 建筑能耗模拟参数的选择及范围确定

根据能耗模拟常规要点，结合上海作为夏热冬冷地区的普遍建筑能耗特征，以及本项目的具体情况，设计初期共选出19个主要建筑能耗模拟参数。在初步确定其设计范围并经过敏感性分析后，根据每个参数的影响程度确定整合设计过程中需要重点关注的设计要素（图2）。

2 各参数对建筑能耗的相对影响程度

3.2 发散阶段的概念设计

学生活动中心场地位于贯穿整个校园的中心绿地东北角，恰与上海夏季主导的西北—东南风向契合，形成校园内的主导风向通廊。由此，在充分利用中心绿地景观条件外，还应关注其独特的风环境，充分利用校园内部的微气候进行绿色节能设计。设计提出两个主要概念发展体系：“水平体系”和“垂直体系”，并根据要求，结合设计经验，在每一个概念体系中分别发展出两个子概念设计（表1）。

表1 发散阶段中两个主要的概念体系内分别发展出的概念设计

3.3 收敛阶段的方案比选

在确定设计参数概率分布后，可以模拟计算出方案的建筑能耗。以概念方案A-1“聚落”为例，通过EPC能耗模拟工具，利用蒙特·卡罗随机模拟方法将每一个参数在其范围内随机取值5 000次，最终得到建筑使用期间总能耗概率分布图，并进行概率分布函数曲线的拟合分析。进而得到四个建筑方案的能耗概率分布情况，分析其描述性数字特征，包含能耗模拟分布的最小值与最大值、众数、中位数、平均数、标准差，以及90%范围起始点与终止点所对应的建筑能耗。在进行概率分布函数曲线拟合后，将不同方案的能耗结果在同一坐标系中比较分析，取得更加直观的效果（图3）。这是一个正向设计的过程，最终在综合了包括能耗评价、业主要求、总体成本、施工难易程度、土地节约程度、校园整体风貌等标准后，选取方案B-1“热力学烟囱”为收敛阶段的最终设计方向。

3 四个概念设计方案的能耗概率分布曲线比较分析

3.4 深化阶段的方案优化

根据上海市工程建设规范《公共建筑节能设计标准》（DGJ 08-107-2015）的相关要求，运用EPC能耗模拟工具可以得到“参照建筑”的能耗，其结果位于近似“钟形”概率分布曲线的右半部，对应数值约为80%。结合业主要求，将能耗目标初步设定在能耗统计数据排名25%的位置，其对应建筑使用期间总能耗约为105 kW·h/m/yr（图4）。

4 建筑能耗目标的设定

设置具体优化数值或范围后，在EPC Tech-Opt平台上，利用蒙特·卡罗随机模拟方法，寻求满足能耗目标的参数取值组合。这是一个逆向设计的过程，设计希望达到成本最小化（包含材料成本和施工成本等），因此要求在满足能耗目标的前提下，在EPC Tech-Opt的规划求解加载项中设立限制条件，得到最低成本下满足能耗目标的结果，即参数在设计优化后的最佳取值组合，进而整合至设计中，达到真正优化建筑本体方案的目的。例如，设计优化结果中，含有“45°立面外侧垂直遮阳板”，设计希望遮阳板能够与建筑立面浑然天成，提出建筑、结构一体化的理念，采用竖向单元结构构件，热力学技术性能方面形成竖向遮阳和自然通风系统，使建筑不仅具有丰富的立面形式、空间光影与视线效果，同时还是承重结构、装饰构件和建筑性能构件。此外，创造性地将其延伸至屋顶，更好地满足各类性能要求。在反复推敲后，形成单元式构件有机组织的设计原型（图5），简洁有力地限定了建筑空间的边界。同时，经过设计初期的探索与把控，建筑能耗在设计中后期的深化中可以稳定地维持在设立目标附近，达到预期效果。

5 对单元式构件进行组织的终版设计原型

基于EPC能耗模拟工具的建筑设计初期整合设计方法，在本次设计实践中展现了以下创新性亮点：1）利用建筑设计初期特征，根据建筑项目的特点进行有针对性的设计，避免“回溯性验算”或单纯依靠节能设备实现绿色达标；2）使节能设计为建筑本体设计服务；3）将正向与逆向设计过程结合，减少反复试验的成本；4）以节能设计作为抓手，为建筑设计创新提供全新思路。

4 总结

“良好的开端是成功的一半”，建筑设计初期在整个设计周期中具有重要意义，对于节能设计与能耗模拟，关键是将其与建筑设计初期进行有效整合，从设计伊始把控建筑的能耗，解决当下建筑节能设计与建筑本体设计严重脱节的问题。

6 建筑效果图

1-5 作者自绘

6 麟和建筑工作室（ATELIER L+）提供

1 麟和建筑工作室（ATELIER L+）提供，作者自绘