分析优化建筑设计方法——以日照、热辐射为基础

王秋明

（中铁城建集团第一工程有限公司，山西 太原 030024）

1 概述

近年来，国内外许多学者基于多目标进化算法和参数化仿真工具对建筑形态和空间优化设计进行了研究。针对冬夏两季太阳辐射的利用，同力以冬夏太阳辐射差异最小为设计目标，利用参数化仿真工具对建筑形态进行优化设计研究。根据雅典夏季和伦敦冬季的气候特点，Fokaides在冬季和夏季使用参数化化学工具，在太阳辐射的指导下优化建筑围护结构的设计。维尔穆伦研究了冬至、春分、夏至和太阳辐射所产生的全年总热量的城市布局结构的优化设计，以确定在直达太阳辐射时的最大热量。为了提高城市太阳辐射可达性和太阳辐射利用潜力，加布里埃尔结合特隆赫姆城市规划实践，优化了城市建筑的方向、高度和间距[1]。

在建筑设计中，建筑物的日照时间是一个非常重要的指标，它不仅关系到建筑的绿色、节能和低碳，而且关系到建筑的空间能量和利用评价。在《居住建筑规范》（GB 50368—2005）中，居住建筑日照时数是强制性要求，在建筑设计中必须满足。然而，建设用地的开发强度往往与充足的日照时间背道而驰。考虑建筑容积率和日照要求，满足消防通道间距的布置是住宅规划设计中最突出的矛盾。在实际设计过程中，为了同时满足日照和建筑面积比的要求，需要进行大量的反复修改和反复试验，以找到一个平衡点。为了最大限度地合理利用气象资源，使气象资料具有实用参考价值，根据我国不同地区的气候条件，以及对建筑设计的综合影响，可分为Ⅰ寒区、Ⅱ寒区、Ⅲ夏热冬冷地区，Ⅳ为夏热冬暖地区，Ⅴ为温和地区，Ⅵ为寒冷地区，Ⅴ为寒冷地区[2]。

2 优化设计过程

结合严寒地区某大学宿舍楼的设计方案，进行了研究。项目基地位于哈尔滨市双城区，北、南与校园主干道相邻，东西两侧与校园支路相邻。地势相对平坦，周围没有高楼。基地东西长252m，南北长64m。总建筑面积项目面积23000m2，波动率为5%。有五层。宿舍区总人数为2200人，每个宿舍区可容纳4人。该项目要求宿舍楼采用庭院布局和静修设计方法，以创造丰富的层次。

根据现场既有建筑物的日照条件，拟建区域西侧和北侧的建筑物日照条件良好，满足2h日照要求，即：新建建筑应确保周围建筑一层的日照条件不会受到明显影响，照明也不会被遮挡。以确保周围建筑的日照时间≥2h，即一楼的最低日照时数为≥2h时，可单独评估建筑物第一层的底面。在新建筑物的遮光下，如果周围建筑物的一楼和一楼仍能满足2h的最低日照要求，那么周围建筑物的其他楼层也必须满足2h的日照要求。在Grasshopper中，分别提取周围建筑物第一层的地面，以拟建建筑面积的三维空间作为目标函数，并使用蜜蜂的向量算法计算建筑物的第一层面积周围的建筑，用于模拟底层建筑的位置关系。计算结果表明，在优化范围内的任何建筑物，在2h以下都不会降低周围建筑物的日照水平，但会在一定程度上影响周围建筑物的日照水平[3]。

2.1 优化设计目标建设

本研究的优化目标是使采暖期的太阳辐射热最大化，使制冷期的太阳辐射热最小化，并使太阳能的可用面积最大化屋顶的太阳辐射。在这种做法中，供暖季节的太阳辐射热是指在建筑物外表面累积的太阳辐射热宿舍楼群从10月20日至次年4月20日。冷却季节的太阳辐射热是太阳辐射在建筑物外部区域的累积热宿舍组从4月21日至10月19日。可用面积的百分比屋顶太阳辐射按全年计算，参考太阳能光伏利用需求，800kWh/m2为临界值[9]。屋顶太阳辐射有效面积百分比定义为年平均吸收太阳辐射热量大于800kWh/m2的屋顶太阳辐射有效面积占屋顶总面积的百分比。基于哈尔滨市CSWD气候数据库，利用蚱蜢插件瓢虫计算太阳辐射产生的热量，计算网格为2m×2m[4]。

2.2 设计参数优化

根据设计要求，宿舍综合楼的初始形式为三栋内庭院建筑。每栋建筑的单个平面都是一个规则的矩形。中心有一个长方形的内院。宿舍均匀地布置在内院周围。宿舍采用静修的设计方法。考虑到建筑面积和服务人员的数量，该建筑的一楼和二楼不是作为休憩区设计的，而是从三楼开始设计的。同时，为避免优化设计方案超出总建筑面积要求，对一栋宿舍楼限制在7654m2，建筑面积一楼是2187m2。建筑物缩进比例、分区和层高的设计参数不仅影响建筑物的外部面积建筑物既能接收太阳辐射热量，又影响建筑物的太阳辐射防护，这与优化设计目标密切相关。因此，在设计实践中，选择了5个参数作为优化设计参数：3层的宽度、4层的宽度、5层的顶点偏移、宿舍和建筑的高度[5]。

为了确保建筑群形式的优化结果满足结构要求，本研究将设定优化设计参数的范围。同时，为了保证解空间尺度的合理性，避免解空间过大，在研究中会设置每个优化设计参数的步长。为了确保建筑内部空间的适宜性，宿舍的宽度Z被视为一个优化步骤，a和B代表三层和四层轴线上相对于上层的宿舍房间数量的增加，因此出口平台的宽度为3和4f*Z和B*Z，分别地为了保持总建筑面积不变，平台在Y轴方向的宽度限制为（4-A）*z和（4-B）*z，A和B的范围为0～4，步长为1。在本研究中，第5层的顶点偏移由AA1线段长度与间距（d）的比值d表示。优化设计的步长为1，优化范围为0～17。同时，根据《宿舍建筑设计规范》（JGJ 36—2016），单人床宿舍净高不小于2.6m，双人床宿舍净高不小于3.4m。考虑到宿舍空间的灵活性，楼层高度设置为3.3～4.5m，步长设置为0.3m。根据经济舒适的空间布置原则，宿舍间的范围为3.3～4.5m，步长为0.3m。建筑群形状优化设计参数的约束范围[6]。

2.3 优化算法参数设置

研究了基于多目标进化算法的建筑群太阳辐射利用性能优化设计过程。已有研究表明，多目标优化算法可以平衡多个性能目标，实现建筑性能的协同优化。多目标算法根据采暖期太阳辐射热、制冷期太阳辐射热和建筑可用面积百分比三个优化目标的计算结果，对建筑群的设计参数进行选择、交叉和变异，并迭代生成建筑簇形式。

3 优化设计结果

经过100代计算，在多目标优化设计过程中获得了150个非优势解。非支配解集中相邻点的网格为凹曲线，在较低的区域有较多的非支配解，表明在可用面积百分比较大的区域屋顶的太阳辐射，以建筑群形式出现的非主导解决方案相对较多[7]。

在最佳目标范围内，屋顶太阳辐射的有效面积百分比为64.71%～94.15%，大多数非优势解的屋顶太阳辐射有效面积百分比较高。采暖期太阳辐射热在212.19～259.29kWh/m2之间，制冷期太阳辐射热在343.28～423.87kWh/m2之间。这在一定程度上表明，多目标优化设计过程对冷季太阳辐射热性能的影响大于对采暖季太阳辐射热性能的影响。同时，寒冷季节太阳辐射热性能的提高制约了屋顶太阳辐射有效面积百分比性能的提高。此外，加热季节太阳辐射热的增加也会导致冷却季节太阳辐射热的增加。因此，在集群配置的设计中，应考虑寒冷和温暖季节对太阳辐射热的性能要求[8]。

通过优化得到的非支配解集对这三个优化目标有不同的侧重点。本研究分别选取了三个数值优化目标和最差目标，屋顶太阳辐射的有效面积百分比和冷却季节的太阳辐射热增益相对较好，屋顶太阳辐射加热循环的有效面积百分比和太阳辐射加热率相对较好。两个目标相对最优，三个目标相对最优，并比较了七个非支配解的最优设计参数。

在7种非主导解决方案中，第一组和第二组在冷却季节的太阳辐射热较低，第五组和第二组的太阳辐射热较低ⅵ在供暖季节，第三组和第四组的太阳辐射热往往较高，而该区域的屋顶太阳辐射与第三组相对平衡ⅶ.通过比较第一组和第三组的数据，在建筑隔间和层高不变的情况下，建筑平台宽度的变化和第五层峰值偏移量的变化可以产生27.97%的可用面积差异供暖季节屋顶上的太阳辐射。太阳能热增量的10.94kWh/m2差值。冷却季节的太阳辐射热差为19.28kWh/m2。可以看出，在建筑空间和楼层高度相同的情况下，改变建筑后退的宽度和五层平面的顶点偏移对建筑可用面积百分比的影响更大建筑群屋顶上的太阳辐射，但在寒冷和温暖的季节。太阳辐射热的影响较小。通过Ⅳ数据及其组织，当返回台湾的三层和四层仅沿一个轴（X或Y）传播时，非受控解决方案的屋顶太阳辐射可用面积百分比增加最大，即返回台湾以来最低条件下的建筑楼层，从而有效提高屋顶太阳辐射的利用潜力。通过比较群的非支配解ⅶ平方基面与群的非支配解ⅵ对于基面，发现群的解ⅶ方形基面在供暖季节可减少太阳辐射热量24.13kWh/m2。有效面积屋顶上的太阳辐射增加了1.7%。此外，冷却季节43.04kWh/m2的太阳辐射热增益降低，这更好地平衡了三个性能目标之间的关系。研究表明，新的优化设计方法不仅可以提高建筑群的太阳辐射利用性能，还可以通过四组可视的宿舍建筑群形式，形成多样化的建筑群形式方案，为设计决策提供更多选择[9]。

太阳辐射是建筑设计中需要考虑和响应的重要气候条件，太阳能也是目前使用的主要清洁能源。在现行的建筑法规中，对于住宅规划和商业办公楼设计的室外空气热环境没有强制性的规定和要求。然而，随着绿色理念的逐渐普及，在设计中寻求良好的户外环境已是大势所趋。该设计的主要矛盾是如何考虑容积率和日照时数。

建筑热环境包括辐射、区域大气候、局部小气候等自然因素，以及建筑热构件、建筑材料结构、建筑布局等设计因素，最终体现在热平衡和人体舒适性上。

4 结语

建筑设计是基于复合影响因素寻求多种性能权衡优化解决方案的过程。根据严寒地区的气候特点，结合工程实践，对该建筑进行了优化设计。该组织形式基于太阳辐射加热和冷却季节。以可用区域屋顶太阳辐射的形式和比例为优化目标，采用150个非主导解。结论包括以下3点。

（1）通过优化得到的150个非优势解的范围分布表明，寒冷地区建筑群的优化设计可以探索出具有更好太阳辐射利用性能的寒冷地区建筑群的形态设计方案；结果表明，该方法能有效地改善寒冷地区的建筑群。太阳辐射利用性能[10]。

（2）非支配解的参数分析表明，建筑物后退的宽度和建筑物第五层的顶点偏移对屋顶可用面积的太阳辐射百分比有很大影响，但对供暖和制冷季节的太阳辐射热量几乎没有影响。

（3）非优势解的比较表明，用寒冷地区建筑群优化设计方法计算出的非优势解具有不同的建模特点，表明该方法不仅可以提高太阳辐射利用性能的同时，也能为建筑组团形态创作提供灵活选择。