居住建筑自适应表皮设计方法*

史学鹏， 汪丽君，解旭东

引言

作为全球共性问题，至2050 年世界一半人口将居住在城市地区，城市面临气候变化、人居环境改善与资源供给压力等诸多方面的严峻挑战[1]，作为一种城市中量多面广的建筑类型，居住建筑的终端能耗占建筑总能耗的20%～40%[2]，而且随着后疫情时代居家时间的延长，能耗占比仍将继续提高[3]，具体而言建筑表皮影响了建筑40%的能耗表现[4]。此外，疫情封控的不确定性对居民居家期间食物获取的便捷性与经济性提出了挑战。为了缓解和改善上述问题，以环境可调控性、资源可利用性、用户可交互性为特性，整合动态光伏遮阳系统与建筑表皮种植系统的居住建筑自适应表皮设计研究成为当下建筑表皮设计领域的研究热点之一[5，6]。通过室内光热环境的动态调控、资源的分布式生产与获取[7，8]、用户行为的介入与交互，居住建筑自适应表皮为降低建筑能耗、提升居住环境品质、提高资源供给多样性，提供了一种具有可实施性的解决方法。作为研究的前期阶段，主要针对气候特点较为适宜的我国热带地区，并归纳了上述地区的城市居住建筑立面特点。实验数据来源新加坡国立大学热带技术实验室，这是由于气候、人文以及建筑背景的相似性[9]（图1），新加坡居住建筑与我国热带地区城市居住建筑在户型、平面、层高、立面等方面差异并不明显，借助其实验数据以海口气候特点为例完成本阶段居住建筑自适应表皮的设计。

图1 热带地区不同城市的主要气候指标对比

1 多要素协同与多目标择优框架

综合考量了影响热带地区城市居住建筑建成环境质量的主要因素：室内采光不均与眩光、室内热不适等，分析其主要涉及光环境、热环境以及风环境三方面要素，此外考虑到可持续性，增加了资源产出要素，因此本研究整合光环境、风环境、热环境以及资源产出4 种要素，构建了居住建筑自适应表皮的多要素协同设计关联机制；借助性能模拟工具、实测数据验证、预测分析技术，搭建了居住建筑自适应表皮多目标择优方法；充分考虑居住建筑立面特点及居民的生活模式，建立了动态光伏遮阳系统与建筑表皮种植系统的设计原型库。 多要素协同与多目标择优框架基于Rhinoceros + Grasshopper工具，并关联Radiance、EnergyPlus 以及OpenFOAM 等性能化分析工具（图2）。

图2 设计方法中的多要素协同与多目标择优框架示意图

2 典型居住模块的建立

选取热带地区较为常见的点式与组合式居住建筑（表1），充分考虑了建筑规划布局以及建筑平面特点，根据文献搜集、建筑规范以及调研结果[10-14]，本文将典型居住模块的尺寸统一设定为开间3.2m，进深4.5m（不包括阳台等附属部分），层高2.8m，窗台高度1.1m，窗户高度1.2m，外墙厚度0.15m。总共分析了不同高度区域、不同建筑朝向、不同规划布局的12 种居住案例（图3、4）。

图3 典型居住模块及两种建筑规划布局

表1 热带城市居住建筑平面及户型特点归纳

3 自适应表皮设计原型

3.1 自适应表皮垂直界面分区

将建筑表皮区域沿垂直方向分为上中下3 部分，上部主要功能为控光、通风等，中部功能主要为可视、控光，下部功能主要为储能、蓄热。建筑表皮种植系统可选区域为下部，该系统放置于下区有利于用户对作物的日常维护以及采摘播种等场景，同时也避免了作物灌溉对动态光伏遮阳系统造成影响。动态光伏遮阳系统具有控光与储能双重特点，其可选区域包括上、中及下部区域。此外，根据热带技术实验室的实际种植效果，部分朝向过高太阳辐射会造成作物产量偏低，为了更加灵活响应具体条件，增设了仅有动态光伏遮阳系统的自适应表皮。

综上所述，自适应表皮垂直界面分区总共包括6 种类型：①上部、中部（动态光伏遮阳系统），下部（建筑表皮种植系统）；②上部（动态光伏遮阳系统），中部（无），下部（建筑表皮种植系统）；③上部、中部（无），下部（建筑表皮种植系统）；④上部、中部、下部（动态光伏遮阳系统）；⑤上部（动态光伏遮阳系统），中部（无），下部（动态光伏遮阳系统）；③上部、中部（无），下部（动态光伏遮阳系统）。设计原型包括3 个方面变量：垂直界面分区（共6 种）、动态光伏遮阳系统设计变量（20种（2 面板尺寸×5 运动模式×2 电池类型））、建筑表皮种植系统设计变量（4 种），设计原型库总共142 种表皮具体设计原型。具体设置如图5。

图5 六种垂直界面分区

图4 居住模块案例与自适应表皮设计原型多样性分析

3.2 自适应表皮设计原型构建

3.2.1 动态光伏遮阳系统设计原型

（1）面板尺寸设计变量

光伏面板尺寸基于光伏电池尺寸，晶硅电池的尺寸一般为156mm、156.75mm、158.75mm和 1 6 6 . 0 0 m m 、182mm、210mm，且有不断增加的趋势以降低生产成本提升组件功率。薄膜电池尺寸由各个厂家的技术标准来决定，现在CIGS 薄膜太阳能电池组件面积已经可以达到0.5m2以上，本文中薄膜电池的尺寸参照晶硅电池。光伏电池尺寸增大具有可观经济效益，目前光伏尺寸型号逐渐趋近于0.2m，甚至0.21m 光伏电池尺寸已经出现。根据光伏电池的发展情况，本文设定0.2m 为光伏电池基本尺寸，并以此为模数确定光伏面板的尺寸设计变量。另外依据光伏电路设计原则，最优的组件电池封装方式必须是偶数列，因此最小得光伏面板尺寸为2 个模数的光伏电池，即0.4m×0.4m。同时增设了0.8m×0.8m 尺寸作为设计变量对比。需要说明的是本文动态光伏遮阳系统与建筑立面的间距为0.5m[15], 这是出于对光伏遮阳面板自由灵活转动的考虑，同时也为建筑表皮种植系统的作物种植、培育、采摘等过程提供必要的操作空间。

（2）运动模式设计变量

针对运动模式进行讨论之前需要对面板排布进行设计。以下研究以居住模块的垂直界面分区④为例，针对其自适应表皮展开讨论。面板排布首先受面板尺寸的影响，根据0.4m 和0.8m 的两种尺寸，对面板进行二维排布（图 6）。0.4m 的面板单元在3.2m（宽）×2.8m（高）的典型居住模块中最大可安置8×6列阵的光伏面板单元，建筑立面覆盖率为86%，虽然未能达到100%的立面太阳能利用，但考虑到居住模块室内视线可达性的必要需求，以及尽量避免光伏面板自遮挡的客观要求，适度降低的动态光伏遮阳面板覆盖率可以恰好兼顾各个相互影响甚至冲突的设计要素，因此本文维持了86%的建筑立面覆盖率，并基于此将光伏面板单元阵列在建筑立面区域进行均匀布置（如图 6 中④）[16]。0.8m 的面板单元在3.2m（宽）×2.8m（高）的典型居住模块中最大可安置4×3 列阵的光伏面板单元，建筑立面覆盖率也为86%。根据3.1.5.1 章节的技术策略，面板运动模式设计变量包含4 种模式：单轴（水平、垂直、倾斜）和双轴共2 个大类5 种形式。具体的运动模式设计变量如图 7 所示。

图6 光伏面板在建筑表皮的二维排布设计

图7 动态光伏遮阳系统的5 种运动模式设计变量

（3）耦合视野转角设置

面板角度变化是动态光伏遮阳系统适应外界环境，提高室内环境质量与资源产出的主要手段，面板的转角设置需要兼顾室内用户的视野需求、光伏面板的资源产出特性、室内光环境的动态调控要求以及机械运动的可实施性。因此工作状态的光伏面板角度应保持在一定范围区间。从室内用户的视野需求角度考虑，本文将光伏面板角度范围设置为45°-135°（0°和180°均为面板完全闭合状态）。室内视野的最不利情况（以45°为例），室内视野区域占比均可达到30%以上，可以满足室内用户的基本视野需求[15]。在确定面板转角范围之后，为了简化模拟过程的复杂性、平衡模拟精确性和模拟时间成本，本文在45°至135°范围内选取7 种角度（45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°），光伏面板可以在7 种角度中自动调整以获得资源产出、室内热环境、室内光环境的最佳折衷。

3.2.2 建筑表皮种植系统设计原型

种植单元尺寸设定需要综合考虑居住建筑的开窗尺寸、作物生长需求、株距要求、外挂安全性等方面的因素，本文种植单元尺寸设置为0.8m×0.2m×0.2m，长度设置为0.8m，以便与单个可开启扇等宽，可以在满足0.25 株距的条件下种植3 颗浅根系作物。4 个种植单元连接构成一排与居住模块的3.2m 等宽。尺寸兼顾了高层外墙外挂构件的安全性考虑，以及作物收获期人工采摘的便捷性，具体如图8 所示。

图8 建筑表皮种植系统设计原型

建筑表皮种植系统位于自适应表皮下区，种植单元位置应低于窗槛墙高度（1.1m）。浅根系作物高度要求的一般不低于0.2m，综合窗槛墙高度、作物净高要求以及用户使用便捷性的需求，种植单元可能的布置方式有4种（图8）。①的种植单元间距相比②要小，因此具有潜在的作物日照不充分的可能，但①比②具有更多的种植单元数量，因此需要针对几种不同布置方式进行择优筛选，③和④也具有相似的情况。

针对居住建筑自适应表皮设计应该考虑当地建筑立面常见附属设施，例如安装的衣物晾晒装置以及独立式空调系统的外挂机。在不影响用户使用习惯与必要性需求的原则下，本文对建筑表皮种植系统设计原型进行适当调整，留出足够区域容纳常见附属设施。

3.2.3 居住建筑自适应表皮设计原型整合

自适应表皮设计原型的整合包括3 个方面变量：垂直界面分区（共6 种）、动态光伏遮阳系统设计变量【20种（2面板尺寸×5 运动模式×2 电池类型）】、建筑表皮种植系统设计变量（4 种），共计142 个设计原型。下一步择优过程中，将根据评价指标对设计原型库中的设计原型进行综合评估，以选取针对12 种不同居住案例的最佳自适应表皮设计原型（图9）。

图9 居住模块的自适应表皮具体设计原型库

4 评价指标与择优计算

评价指标包括光环境-有效天然采光照度平均值（UDI200-3000lux，avg）[17-19]，热环境-PMV[20，21]，以及资源产出-P（输出功率）。评价指标计算基于实测数据验证的模拟与预测模型[22]，计算流程基于Rhinoceros+Grasshopper 工具[23，24]，需要指出的是，同动态光伏遮阳系统相比建筑表皮种植系统因为无法有效影响室内光热环境质量，因此不作为自适应表皮设计原型主要的评价指标，其作物资源产出计算亦基于上述模拟与预测模型。气象资料来源于Energyplus 网站数据，墙体反射及热工指标依据规范进行了相应设置。

根据设计原型库（142种设计原型）进行设计原型择优， 为12 种居住案例筛选最佳自适应表皮设计原型。12 种居住案例包含了主要居住类型的不同状况。对于每种案例，评估了142种设计原型（6种分区类型，2种光伏面板尺寸, 5 种光伏面板运动方式，2 种光伏电池类型，2种种植单元排布）；针对每种设计原型，计算了全年16 个时刻的性能指标【4 天（3.22，6.22，9.22，12.22）×4 小 时（9AM，12PM，15PM，18PM）】，每个时刻的性能指标是综合评估7 种动态光伏角度之后的最优性能指标。因此本研究包括两个多目标择优步骤：第一步动态角度择优，动态角度择优是根据公式（1）从7 个动态面板可变角度中选出自适应表皮设计原型在某个时刻的最佳角度，最佳角度条件下自适应表皮具有最佳室内采光质量、最佳室内热舒适度、最大光伏电力产出。第二步设计原型择优，经过第一步的筛选，得到每种设计原型在每个模拟时刻的最佳角度，通过对每种设计原型的所有模拟时刻的统计分析得到每种设计原型的UDI200-3000lux, avg（有效天然采光照度区间平均值）、PMV（预计平均热感觉指标）、P（动态光伏输出功率），最终通过公式（2）得到居住案例的自适应表皮最佳设计原型（第2 步多目标择优）。该研究共评估了190848 种情况。

择优是按照一定的准则进行决策的行为，由于自适应表皮的动态属性以及2 步择优过程的特殊性，建筑择优领域常用的遗传算法等多目标择优方法不适用于本文的择优过程，因此本文采用公式（1）与公式（2）的多目标择优方法，分别进行动态角度择优与设计原型择优[15]。动态角度择优、设计原型择优的2 步择优过程同样采用Rhinoceros +Grasshopper工具进行数据处理。

动态角度择优公式：

D= 室内采光处于适宜照度区间的面积占比（200lux-3000lux）；

PMV=室内预计平均热感觉指标值；

PMV0=室内热环境适中时的PMV 值为0（注：为计算可行，所有PMV 值在原基础+1）；

P=自适应表皮动态光伏遮阳系统输出功率；

设计原型择优公式：

UDI=有效天然采光照度平均值（此处指代UDI200-3000lux, avg）；

PMV=室内预测平均投票值；

PMV0=室内热环境适中时的PMV 值为0（注：为计算可行，所有PMV 值在原基础+1）；

P=自适应表皮动态光伏遮阳系统输出功率；

5 评价指标与择优计算

5.1 动态组件的最佳角度分布情况

从12 种居住案例的自适应表皮最佳设计原型中筛选出具有动态光伏遮阳系统的5 种，分别进行全年最佳角度分布的统计。在全年16 个分析时段的动态光伏遮阳面板的最佳角度进行统计分析发现5 种案例的动态光伏遮阳面板面板最佳角度集中于45°、60°、75°这3 种角度（图10），说明动态光伏遮阳面板在全年大多数时段可以通过在60°状态上下角度浮动15°范围内调整，即可实现自适应表皮的最大性能，为简化动态光伏遮阳系统的机械复杂程度，降低建造成本并提升系统可靠性提供了依据。

图10 自适应表皮动态遮阳系统光伏面板最佳角度分布统计

5.2 不同立面区域的最佳设计原型与指标对比

针对12 种居住案例，居住建筑载体与最佳自适应表皮设计原型整合效果如图11 所示。自适应表皮应用前后的环境性能指标差如图12 所示。对比指标包括了DA200lux，50%指标与UDI3000lux,10%面积占比。光环境方面，采用了自适应表皮最佳设计原型后，12 种居住案例的DA200lux，50%指标和UDI200-3000lux,avg 指标相较于无外表皮的居住案例大多有所下降，但总体维持了较高天然采光质量，但热环境方面，采用自适应表皮最佳设计原型的室内热舒适度大幅提高，其中，点式规划布局条件下，南向与西向居住模块的室内全年热舒适区间时间占比分别平均提升了33.3%与41.7%，相较而言，显示了西向居住模块自适应表皮的应用必要性，此外，两种朝向的高区居住模块要比中区与低区居住模块提升幅度要大；组合式规划布局条件下，南向与北向居住模块的室内全年热舒适区间时间占比分别平均提升了39.6%与20.8%，相类似的是两种朝向的高区居住模块要比中区与低区居住模块提升幅度要大；

图11 居住建筑载体与最佳自适应表皮设计原型整合效果

图12 自适应表皮应用前后光热指标结果的差值（应用后减去应用前）

资源产出方面，自适应表皮具有可观的电力与作物产出性能。其中，点式规划布局条件下，南向与西向居住模块自适应表皮电力产出介于207.3-442.5 kwh/年，组合式规划布局条件下，南向与北向居住模块自适应表皮电力产出介于219.4-489.5 kwh/年，结合家庭人均用电量780kwh/人年，单个居住模块的全年电力产出可以满足一个4 口之家全年6.6-14.2%（点式规划布局）、7.0-15.7%（组合式规划布局）的自给率。综合热环境方面的改善，充分体现了自适应表皮将不利太阳辐射转化为有利电力产出的环境提升作用以及经济价值。

作物产出方面，点式规划布局条件下，南向与西向居住模块自适应表皮作物产出介于9.4-13.9kg 干重（按照蔬菜中水分65%-95%的均值计算，约为47.0-69.5kg蔬菜鲜重），组合式规划布局条件下，南向与北向居住模块自适应表皮作物产出介于9.2-12.8kg 干重（约为46.0-64.0kg 蔬菜鲜重），参考2018 年城镇居民蔬菜人均消费量103.1kg[25]，单个居住模块的全年作物产出可以满足一个4 口之家全年11.4-16.9%（点式规划布局）、11.2-15.5%（组合式规划布局）的自给率。结合新加坡当地常见4 室和3 室居住单元的实际情况，保守估计1 户家庭的全年蔬菜自给率可以接近1/2，这对于提升我国城市家庭蔬菜自给率，减少食物里程而言具有重要现实意义。

结论与展望

通过构建多要素协同设计关联机制，搭建了评价指标计算模型，采用两步式多目标设计择优方法，完成了自适应表皮设计的定量化分析、性能化模拟、资源产出预测以及设计择优过程，本研究为缓解城市热岛效应、改善城市能源现状、提升城市居民人居环境质量，促进城市可持续发展等方面提供了具有可行性的解决方案，具有较强的环境效益与社会效益。

致谢：衷心感谢新加坡国立大学热带技术实验室及Abel Tablada 老师的数据与研究支持。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。