探讨性能化建筑方案优化设计的概念、目标和技术

探讨性能化建筑方案优化设计的概念、目标和技术

范彤辉

范彤辉

北京中联环建文建筑设计有限公司济南分公司山东济南250100

摘要：近年来计算机辅助的数字生成与建筑性能数值模拟分析技术对建筑设计产生了至关重要的影响，其中这一项技术对于需要通过各项性能评估的绿色建筑设计更是具有决定性的作用。本文先分析性能化建筑设计的参数特点和目标，结合实际情况尝试研究建立一套可以覆盖大部分的现代化性能化建筑方案优化设计流程技术。希望可以作为性能化建筑设计以后研究课题的参考意见。

关键词：建筑性能优化设计绿色建筑

一、概述

为了响应全球可持续发展战略的需求，建筑行业的计算机辅助数字生成与建筑性能数值模拟技术对建筑房屋设计产生了至关重要的价值。即有利于建筑行业对绿色建筑设计的实施和推广，但同时也给建筑方案优化设计带来了更多的难题。在建筑行业领域里，很多科研人员和工程师都开始展开对实现高效科学的性能化建筑方案设计的研究。因此，在这样情况下，一套可行性高的绿色建筑方案优化设计的诞生是非常重要的。

二、建筑性能及方案优化设计的概念

2.1建筑性能

建筑性能包括了空间的私密性、光质量、通风性能、空气质量、空间噪声和可持续发展性能等非常多样化。本文主要是从建筑设计的绿色可持续发展角度入手，将限定建筑物理环境定位于建筑设计的性能上，主要是指建筑群周边的环境影响和内部环境质量相关的建筑物理环境性能。多样化的环境性能都是能直接或间接的影响到建筑内部使用者对室内的舒适度、外部区域的舒适度以及周边能源的节约与利用等，这些都是和建筑物密切相关。

2.2性能化建筑方案优化设计

性能话建筑设计可以理解成为以建筑性能为出发点，以规范化的绿色建筑标准与定量评估体系为基本准则，精确地设计建筑具体性能的设计方法。建筑的设计、使用、拆迁全部生命周期都是由建筑的性能问题决定。专业之间在各个阶段互相合作和交流，都对建筑性能有着或轻或重的影响。传统设计中建筑方案设计阶段决策是可以决定整个建筑的能耗。所以应该从方案阶段主动考虑建筑性能，对于整个竣工后投入使用的建筑全生命周期有着巨大的影响。综合上面的叙述，我们需要建立一套以性建筑优化设计为目标，可以早期介入建筑方案设计的方法面向整个建筑师群体。这样一套方案包含了流程设计效率高、优化方法科学、适用范围广的特点。此方案统称为性能化方案优化设计方法。

三、性能化建筑方案优化设计的目标

3.1目标

性能化建筑方案设计简单的形容就是一种整个过程需要明确的性能目标作为引导的科学、定量的设计方法。在建筑的设计、修建、投入使用整个过程首要需要确定的就是设计目标，有利于精确掌控建筑设计的周边环境的负载和室内环境设计的质量。也就是以设计目标为中心进行条理分明的整理和归纳工作。便于整个方案设计与流程都是以设计最初的目标为指向运作。从而更容易使建筑设计的质量达到最初设计的目标标准。

3.2分类及参数

一个复杂的设计问题和千变万化的设计参数都是身为一个建筑师不可避免需要面对。但是需要在每一个细节方面达到设计目标的设计行为是一个非常难于掌握的过程，可以理解为是一道高级函数题中一个多变量对应多目标问题。在整个函数题中，可以总结出源参数、过程参数、目标参数。他们贯穿了性能化建筑设计的全过程，其中的建筑性能设计目标的中心就是目标参数。在设计方案性能中起着判断是否达标的作用；源参数是建筑工程师在最初的方案设计中直接实施操作的参数；过程参数就是作用在建筑性能数值上的实时检测源参数。

3.3简要分析LEED

基于参数传递的概念，此文从不同的阶段层面整理处LEED条文对于阶段和专业的全面影响（图3.3-1），并进一步甄选出作用于建筑方案设计阶段受到设计建筑师影响较大的条文。最后对于性能化建筑方案优化设计相关性较大的条文进行重点分析。根据目标参数与过程参数的对比结果自动的调整了方案源参数的设计，实现了一种或多种建筑性能的优化。

3.3.1LEED与阶段、专业关系

因此，整个设计流程主要关键是在于建立一套参数传递系统来控制整个设计优化过程。

四、设计实现建筑开窗的优化设计

本次试验进行以常见的长方体建筑形态4200×4200×3000mm3作为研究对象，试验中设定的建筑开窗面积是固定不变，通过设定多种源参数随机进行分配建筑4个开窗面积，试验的重点是为了观察4个不同朝向的开窗面积怎样分配最后才能达到全年能耗最低的情况。在具体的源参数设置中，4个不同朝向的开窗面积在计算机语言编程中需要设定先后顺序之分，且必须保证每一个朝向的开窗需要有上限限定的数值区别，才能保证每一个朝向的开窗有最小的面积并且每一面的最大开窗面积不超过墙体尺寸（图4-1）。本次实验采用了grasshopper与建筑师有直接关系的属性、集合等相关信息建立了组件。在材料，构造，灯光等设置采取引用的方式完成流程的运转。

4.1源参数设置

图4-1源参数设置

最终进过750步的计算和择优重复的过程后，在记录了各类参数的全部变化之后（图4-2a，b，c，d，e）对计算的进行统计后得出最优源参数组合（表4-3）。

4.2各类参数变化记录

4.3优开窗面积组合

五、结束语

本文通过将从理论的角度简要描述了性能化建筑方案的优化的概念以及目标和技术，明确了全文研究的相关重要概念，接着尝试设计一套绿色性能化建筑方案设计优化的技术体系，希望可以为之后研究性能化绿色建筑优化设计的工程师提供一定的参考价值。

参考文献：

[1]李紫微.性能导向的建筑方案阶段参数化设计优化策略与算法研究[D].清华大学，2014

[2]聂云峰.浅析性能化建筑的方案优化设计[J].江西建材，2015（21）