环境要素影响下的中庭原型空间多维性能互联优化推演

陈鑫星，李珺杰（通讯作者）

0 引言

随着我国人民生活水平的不断提高，建成环境性能对舒适性、建筑能耗等的影响也逐渐得到关注。在这样的背景下，以环境要素性能为主导的研究与实践工作逐渐得到了重视和推动。另一方面，数字技术的发展也使得建筑性能模拟越来越成熟，促使越来越多的建筑师与设计者在建筑早期设计阶段就通过优化建筑环境性能来提高设计的总体品质和效率。

然而在目前的建筑环境性能优化领域中，也存在着诸多问题。目前，国内外大多数研究主要关注建筑的排布，外部形体和围护结构的设计，分别占到了19%、23%、58%，其中较少关注类似于中庭空间等内部空间优化问题[1]。但是，随着行业的发展，建筑内部形态的逐渐复杂化，中庭空间也成为了重要的研究对象。中庭空间不仅有助于组织内部空间，也能利用自然调控提升室内舒适度水平[2]。然而中庭空间的置入涉及风、光、热、能耗等多种环境性能和空间感知的综合问题，尤其是对风环境计算有很高的要求。大多数风模拟计算存在耗时长，所需的计算机性能较大，与其他软件之间存在壁垒，很难进行联动耦合计算的问题[3]。如何尽可能同时、全面地评价和模拟建筑中庭空间设计，是亟需关注的问题。

另一方面，大约60%的建筑优化研究使用单目标方法，即在优化运行中只能优化风、光、热等环境中的其中一个目标函数[4]。然而，在现实世界的建筑设计问题中，设计师往往不得不同时处理冲突的设计目标。而中庭空间的设计与围护结构、外部形体等设计不同，需要同时对多维环境性能进行优化。因此需要结合多目标优化方法[5]，整体提升中庭空间的性能品质。

为了解决这两个问题，本文尝试结合性能模拟、多目标优化、参数化建模[6]等多种数字方法形成创新的研究方法，主要以办公建筑中庭为研究对象，为建筑师提供空间形态设计的修改辅助和性能评估。具体的创新研究结果为：（1）提出一种针对办公中庭空间形体优化选择和性能评价方法，（2）通过相关建模平台、模拟软件和优化算法实现该方法，（3）结合具体案例对方法的有效性进行检验并讨论建筑师的主观调控。

1 方法构想和路线

为了实现这种对办公中庭空间的形体优化和性能评价方法，本研究比较和选择相关建模平台、模拟软件和优化算法，以解决以下两个问题。

1.1 中庭空间多目标优化问题

Cui等人总结出建筑性能领域的多目标优化共有4种方法[5]。目前主要使用其中的两种处理方式，分别是权值方法和帕累托前沿方法。

（1）权值方法：最终结果为所有目标性能的线性叠加，根据偏好对每个目标值添加不同的权重，其公式为：

（2）帕累托前沿方法：如果有两个以上的目标需要最小化，位于红线上的解在两个目标值上都好于其他的解，这些解就被称为帕累托前沿解（图1）。

1 帕累托前沿解集（绘制：陈鑫星）

而在现有相关研究中，多目标优化一般仅限于3个，无法全面的评价建筑空间的整体性能，因此本研究将使用网页可视化和进化算法等多种手段结合帕累托前沿方法，尝试更多维度的多目标优化。 国内外学者在建筑性能多目标优化领域有过一些研究和应用，例如Evins等人的综述中显示，过去10年中大约40%的性能优化中使用了帕累托前沿优化[7]；Nguyen等人总结了多目标优化目前存在的相关缺点[4]；韩昀松等人针对日照辐射量的多目标优化设计进行了研究[8]；吴迪等人针对寒冷地区居住建筑归纳出节能最优、经济最优和权衡最优的优化方法[9]。以上相关研究中的多目标优化依旧存在如下缺点：（1）很少优化3个以上目标值，（2）很难从帕累托集中选最佳解，（3）不能较好地反映方案形态和可视化过程。

本研究经过对比不同优化算法和平台后，最终选择Wallacei作为多目标优化的优化处理平台[10]，Wallacei是一款基于Grasshopper参数化建模平台，以NSGA-2算法作为主要进化算法的优化软件。此进化引擎在处理超过3个以上目标值的优化中也能有比较好的表现[11]，且其操作界面直观清晰，人机交互性友好，不需要外接其他的计算软件平台。并选择Design Explorer作为多目标优化的可视化处理平台，Design Explorer是一款基于Grasshopper参数化建模平台的优化方法[12]，可以在参数化可视化脚本界面中运行，将计算的输入输出端图示化，从而可以探索设计空间和多目标优化。

1.2 中庭空间评价和模拟

大多数建筑模拟软件存在与建模及优化软件数据衔接不便的问题。一些环境性能化研究只考虑了某一种环境性能，例如，使用Autodesk Ecotect Analysis模拟进行建筑的采光性能分析[13]。而当多维性能需要耦合互联时，风环境、能耗和自然采光模拟所需要的模拟平台和建模环境不同，互相之间无法进行兼容。在这种情况下，建筑师不得不进行多次重复建模，降低了方案设计效率的同时也增加了性能计算的误差。为了将这些复杂的性能优化集中在一个平台中，设计在参数化建模平台Grasshopper（GH）上选用Ladybug模拟软件进行环境性能分析，并用相同平台下的多目标优化软件进行搜索寻优。从而将形态生成、性能模拟和搜索寻优3个模块集成在同一个平台上运行。通过完整的技术路线流程（图2），能够有效地解决数据连接不便的问题，且能在同时优化超过3个目标值的基础上，进一步可视化选择过程，方便与建筑师的主观经验选择协同工作。

2 技术路线流程

2 设计模式和推演流程

2.1 选择空间原型对象

经过相关办公空间的调研，其柱跨基本在8~10m之间，因此本研究按照柱跨进行切分，截取10m开间标准办公中庭空间单元原型作为研究对象，简化具有不同开间条件的建筑空间方案（图3）。

3 空间原型单元对象尺寸

2.2 形态要素影响因子解析

采用两组参数对中庭空间原型进行描述：第一组为形态参数：中庭形态、楼板进深、中庭进深、底层高度、办公高度、楼板错动距离6个影响因子；第二组为围护结构参数：入风比率、出风比率、室内比率、屋顶外墙的热工性能K值、玻璃遮阳系数SHGC值、百叶宽度6个影响因子。研究相关既有办公中庭空间常见的尺寸[2]，在此基础上进行适当的拓展后得到各影响因子的取值范围（表1）。

表1 形态变量取值范围（绘制：陈鑫星）

2.3 建立性能多维评价参数关联

论文以寒冷地区北京为例，寒地城市冬季寒冷夏季较为炎热，建筑物需要提升冬季防寒、保温等水平，尽可能得到更多太阳热量，夏季应兼顾通风、防热和遮阳条件，因此光热环境的提升优化需要同时考虑冬季和夏季，而风环境的提升主要集中在夏季[14]。

为了建立性能多维评价，需要将不同的环境参数进行互联。在风、光、热、空间4个方面模拟运算并提取关键性的指标进行评价，并将每一个指标可视化。本研究共选取8个输出指标，以达到尽可能获得全面优化的结果（表2）。

表2 多维性能评价（绘制：陈鑫星）

（1）风环境性能

建筑的风环境性能包括街区尺度的室外风环境和建筑尺度的室内风环境，目前较多研究主要将室外风环境作为研究对象[15]，忽视了建筑尺度例如中庭、微观尺寸等影响因子。因此，本文将主要研究室内风环境，选取舒适风速范围占比、舒适温度范围占比、不舒适最大风速3个目标值作为评价建筑风环境方面的参数[3]。研究的评价标准是尽可能提高舒适风速、温度占比，降低不舒适最大风速。

风环境使用了Ladybug平台中的Butterfly插件与风模拟软件Openfoam连接，进行CFD风环境计算[16]。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》得到北京夏季风信息，风速为2m/s，方向为正南方，温度为29.5℃。并设定相关的网格尺寸和模拟范围。

表3 全球变暖潜力（GWP）材料系数（绘制：陈鑫星）

（2）光环境性能

光环境采用夏季累积日照辐射得热量和冬季累积日照辐射得热量两个光环境评价指标，有效地表现自然采光的性能[17]。北京作为寒冷地区，需要同时做到夏季隔热和冬季保温，因此研究的评价标准是尽可能提高冬季辐射量，减少夏季辐射量。光环境分析使用了Ladybug平台与光模拟软件Radiance连接，进行全年光照计算[18]。选择7月1日-9月30日作为夏季时间，选择12月1日-2月29日作为冬季时间，模拟计算全天累计的日照辐射得热量。

（3）能耗性能

采用全年单位能耗和建筑材料的碳排放量作为评价建筑能耗方面的参数[9]。建筑材料碳排放量是按照全球变暖潜力值（GWP）计算方法,根据建筑墙体、楼板等各项材料用量，选取常用的建筑材料，计算出建筑早期的碳排放消耗[19]。研究的评价标准是尽可能减少这两个目标值。GWP是基于充分混合的温室气体辐射特性的一个指数，对于建筑物，通常以建筑物总建筑面积每平方米（m2）的KgCO2eq计量。

GWP（KgCO2eq）=材料体积（m3）×全球变暖潜在体积系数因素（KgCO2eq/m3）

能耗分析使用了Ladybug平台与能耗分析软件Open studio连接[20]，进行能耗计算。根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015，设置能源使用参数如下。办公区：人员密度10m2/人，照度功率密度11W/m2，新风量30m3/人，设备功率20W/m2；走廊中庭区：人员密度50m2/人，照度功率密度5W/m2，新风量10m3/人；设备功率：5W/m2。设置暖通空调设备参数，夏季空调期6月1日-9月30日，空调为多联机系统，系统COP为3.0，冬季采暖期为11月15日-3月15日，设备为燃气炉，系统COP为0.9。工作时间为工作日9:00-17:00，周末为0。根据当地的气象参数得到全年能耗并进行可视化。

（4）空间性能

为了保证建筑的使用率和经济效益，研究需要提高建筑可用面积，同时应该控制住建筑的表面积以减少体积系数。因此本研究用建筑可用面积以及建筑表面积两个目标值作为评价建筑空间方面的参数。

（5）各性能互联

不同性能类型之间并不互相独立，某一类型的性能评价值改变会同时影响其他的输出指标，根据上述各性能的定义、变量，与形态参数进行互联，归纳出关系图，建立两对输入输出值之间的规律（图4）。

4 形态参数与性能评价的定义、变量、关系（绘制：陈 鑫星）

3 优化结果讨论

3.1 基于进化算法的优化验证

此优化实验选择了Wallacei作为优化平台，连接上文中选择的参变量和目标值后开始模拟分析。由于风模拟时间较长，受限于迭代时间限制，将设置运算代数为40代，每个种群数量为25，共得到1000个解。

经过多目标进化算法优化计算平均每次模拟时长为1.6分钟（min），实验共计27.5小时（h），所得模拟标准差图表（图5）显示，优化结果有收敛的趋势，但是因模型搜索空间过大和优化时长限制，没有做到完全收敛，但是也能在很大程度上筛选出帕累托前沿解。

5 模拟实验标准差图标-正态分布图

对优化结果输出的帕累托解进行筛选，在前沿曲线上提取各目标值排名平均最高的方案（表4）。分布图的纵坐标为各个目标值的大小，方案所处位置越低，代表该性能越好。

表4 模拟实验输出结果筛选方案表（绘制：陈鑫星）

3.2 基于网页可视化的相关性分析

在得到了优化算法生成的1000个解后，研究基于网页端平台Design Explorer进行可视化和相关性分析，选择所有方案进行模拟运算后提取参变量和目标值，将其导入可视化数据网页。各目标值可视化表现输出结果见图6。

由实验结果比较可知，不同输入参数对不同指标的影响程度不同。对各种优化结果进行比较分析后，可见对某一目标值不同影响因子的相关性排序（图7）。

7 影响因子相关性排序

同时，研究整理了不同目标值之前的相关性，由图8可知，可以明显得出结论，夏季日照辐射、冬季日照辐射、全年单位能耗、碳排放和建筑可用面积5个目标值之前呈现显著的正或负相关性，但与风环境的3个目标值没有显著关联。

8 目标值相关性排序

4 中庭空间形态生成

为了测试构想的方法和工作流程是否能解决建筑设计实践上的问题，本研究选取某办公空间的更新改造设计实例进行流程检验。该方案项目位于北京西城区，气候上属于寒冷地区，建筑物属于既有建筑改造和加建。设计师给出的初稿形态设计 （图9、10）。

9 初稿形体轴测

10 初稿形体单元轴测

获得初稿方案后，建筑师可以利用文中方法对建筑中庭进行风、光、热和空间等相关性能的模拟评价和多目标优化。建筑师在通过网页可视化和进化算法等工具获得最佳单元形体之后，可以有效提升多维性能的指标。

如表5所示，分布图位置越靠下，雷达图面积越小，则代表方案性能越好。优化方案与原方案对比可以看出，优化后的性能仅在冬季辐射量和建筑面积两个目标值有6%和3%的较小降低，在其他6个目标值中都有显著提升。且雷达图的面积相比原方案有较大的减小，说明该优化方法显著地提升 了中庭原型单元性能的综合水平。

表5 优化前后方案性能评价对比（绘制：陈鑫星）

除了利用该方法得到最优解之外，建筑师还可以进行主观调控。例如在该实例中，建筑的开间长达150m，若整个中庭都为同一个单元组成，则会造成单调乏味的空间体验。因此，在客观的数据模型的基础上，纳入建筑师主观的空间形态的思考，修改该单元形体在建筑整体布局中的比例，例如将不同性能评价的单元间隔组合。虽然在局部降低一些性能水平，但是可以形成有节奏感的空间造型。主观调控还可以根据不同功能办公空间，创造所需的最佳环境，置换成优先级为不同性能的单元。

辅助功能空间环境性能要求较弱，需要满足较高的面积需求，封闭办公空间容易出现通风不畅的问题，因此风环境性能水平需要提升，开放办公空间人群使用频率最高，需要综合性能全面的单元（图11）。

11 主观调控不同性能单元组合（绘制：陈鑫星）

上述实验测试表明，在不深入了解相关模拟方法和相关优化策略的情况下，建筑师仍能通过该优化流程，对办公空间中庭的形态进行针对性的优化，避免多平台和多个矛盾目标互相协调所耗费的时间，有助于提高方案早期设计过程的效率和品质；同时，在这一过程中计算机可以提供多种不同性能取向下的方案，以此提供建议和引导，建筑师仍可以掌控前期的建筑形态生成方法，并有多种选择，保证了设计的主观性和自由度，避免变成计算机决定一切的问题。

5 结论

本研究结合参数化设计、性能模拟等数字设计方法，提出了一种针对办公建筑中庭空间的多维性能互联方案优化方法，连接了方案在前期生成过程中需要考虑到的不同维度建筑性能，并通过网页可视化和进化算法两种手段实现了所提出的方法。本研究的工作可以得出以下结论：

（1）参数化生成和多维环境性能评估可以结合到建筑早期形态设计的过程中，使建筑师获得快速且多方面的建筑方案性能表现反馈，改善目前设计流程中方案优化与环境性能评价效率较低的问题。

（2）建筑师可以在不了解相关性能运算机制的情况下，直接对建筑早期性能的目标值进行评价和筛选，有利于提升方案形态设计的初期性能水平。

（3）本方法可以通过多种交互方式对建筑师进行反馈，具有较高的实时性和可靠性，可以保证建筑师具有主观调控能力的同时，确定该形态的最优解。□