多目标导向下的严寒地区乡村民居设计方法研究_李世芬.pdf

CA 2023/02 当代建筑 125多目标导向下的严寒地区乡村民居设计方法研究STUDY ON THE DESIGN METHOD OF RURAL DWELLINGS IN COLD REGIONS UNDER PERFORMANCE ORIENTATION李世芬 秦云鹏 况源LiShifen QinYunpeng KuangYuan 收稿日期：20220820在乡村振兴战略的背景下，提升严寒地区乡村民居的宜居性成为亟须解决的研究课题。笔者调研发现，我国东北地区现代乡村民居建设存在一系列问题，如片面追求经济性，大面积开窗，导致能源浪费，大量采用现代材料，对美观性及热工性能考虑不足。这些问题亟待从专业层面得到解决。常规的建筑设计表现为正向设计（图1），过程为解析设计条件，提出设计策略，进而进行形体推敲、功能布置、细节完善等，完成体块的推敲设计后，代入建筑能耗与舒适度模拟，基于模拟来判断方案的可行性。这种模式过多地依赖于建筑师的前期主观判断，容易使大量工作重复进行1。如何寻求一种相对高效的乡村民居设计流程，在满足性能属性、宜居属性、精神属性等多维目标的同时，保持乡村的地域特色与有机性，是值得建筑师深入探讨的问题。1 现有严寒地区民居性能优化方法研究针对乡村民居性能导向的设计方法一直是绿色建筑的一大研究热点，不同地区的专家已经开展了大量研究。金虹2-3等专家基于建筑能耗和经济性完成多目标优化，利用遗传算法对相关设计参数进行筛选，为严寒地区被动式低能耗住宅设计贡献了新方法；杨柳4等专家提出干旱地区生土建筑在冬、夏两季不同的优化策略；张群5等专家分析了乡村民居的风压特征，探讨了在冬季防风的前提下，提升了夏季通风能力的优化策略；王芳6等专家通过对云南迪庆藏族自治州民居的数据进行实测分析与软件模拟，优化了阳光房的尺寸设计；陈敬7等专家利用正交试验法，提出河西走廊的民居空间优化策略和户型优化方案。根据已有内容，笔者认为从民居形态与功能入手实现优化设计是完全可行的。在研究方法层面，建筑师们提出了多样化的创新路径。刘启波8基于Ladybug全球气候数据库中西安市的数据，利用Grasshopper平台完成了居住区建筑布局的优化；孙澄9等专家借助数字技术工具解析了“自上而下”与“自下而上”的两类建筑节能设计理论，分析了其特征与局限性，最后提出在绿色建筑性能导向下建筑数字化节能设计理论的设计流程和技术平台；金虹10等专家借助正交试验法，对严寒地区乡村民居主要设计因摘要 本文聚焦严寒地区现代乡村民居舒适性不足、经济性欠缺两大问题，提出了多目标导向下的民居设计方法。本文运用遗传算法驱动人体热舒适度评价、能耗模拟，优化建筑形态、功能布局，尝试实现提升严寒地区乡村民居舒适性、降低采暖制冷能耗水平的目标，并在实现碳达峰、碳中和目标的背景下，为严寒地区乡村民居的现代演绎提供可行的模式。关键词 严寒地区；多目标；民居；设计方法Abstract This paper focus the two major problems of lack of comfort and economy of modern rural dwellings in cold regions,and puts forward a new dwelling design method of performance orientation.This paper uses ge-netic algorithm to drive the human body thermal comfort evaluation and energy consumption simulation and opti-mizes complete architectural form and functional layout,to promote comfort of rural dwellings in cold regions,and to reduce the heating and cooling energy consumption level.At the same time,this paper provides a potentially feasible model for modern interpretation of rural dwelling in cold regions under the goals of carbon peaking and carbon neutrality.Keywords cold regions;performance orientation;rural dweilling;design method李世芬 大连理工大学建筑与艺术学院教授、博士生导师秦云鹏 大连理工大学建筑与艺术学院硕士研究生况 源 大连理工大学建筑与艺术学院博士研究生国家自然科学基金项目（编号：52278007）“十三五”国家重点研发计划课题（编号：2019YFD1100801）国家自然科学基金项目（编号：52078094）素影响下的建筑耗热量进行评价，得出了各因素影响趋势并分析主次，最终探索出了最科学的组合方式。严寒地区乡村民居性能导向下的设计研究已经取得了很多成果，但现有的研究多聚焦低能耗目标与经济效益，在实际的乡村建设中，研究还需要考虑更多复杂的影响因素。例如：民居的居住舒适性与满意度等。兼顾民居能耗与居民舒适度评价，实现多目标的优化设计路径，具有必要性和可行性（图2）。2 民居性能设计优化路径的建构2.1 信息整合阶段基于前期调研，本文对研究区域的民居形态、功能、结构等方面进行了整体的考察与分析，同时基于形态研究完成了不同历史时期的民居类型划分。首先，在类型层面，本文提取现代民居的功能与形态特征，构建严寒地区乡村民居演进图谱，探讨民居建筑的演进机制与内在驱动力；其次，本文关注基因及其转译，对该地区现代民居特征予以量化，构建形态信息数据库，并基于量化研究，确定优化变量的阈值，为后期人工推动民居形态信息的重组、转换提供数据支撑。量化数据与技术手段使民居形态的现代转译成为可能。2.2 性能模拟与评价阶段本文基于前期研究的民居图谱与形态数据库，对信息进行提取与重组，从冬季居住舒适性、全年采暖、制冷能耗两个层面出发，将重组后的民居进行模拟测试。本文利用Grasshopper平台的Honey-bee插件调用建筑能耗模拟软件（EnergyPlus），在经济性与舒适性两个维度上，对民居性能进行量化评价。2.2.1 居民舒适性模拟与评价微气候舒适度的评价标准因地区差异而不同。现有研究证实南方地区多以生理等效温度（PET）为参考，北方地区则多以通用热气候指数（UTCI）为参考。此外，有学者利用预测平均投票值（PMV）、通用热气候指数（UTCI）、自适应模型（Adaptive Model）等评价模型展开舒适度评价。笔者将PMV指数作为严寒地区既有乡村民居热舒适的评价标准。一方面，PMV作为我国国家126 学者论坛 SCHOLARS FORUM标准GB/T 180492000中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定中的内容已被广泛采用，具备实践推广价值；另一方面，研究表明PMV适用于评价具备暖通系统的室内空间的热舒适度11，相比南方地区以自然通风为主要通风方式的乡村民居，北方地区，尤其是严寒地区的民居建设多结合暖通系统展开建设与优化。因此，PMV对于北方严寒地区的室内热环境评价，具有更高的准确性与实际研究价值。2.2.2 建筑采暖制冷模拟与评价建筑热工性能在材料热阻上可以得到直接体现。根据JGJ 262010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准12，严寒地区属于气候I区，以哈尔滨市为例，建筑外墙传热系数应为0.32，屋面传热系数为0.20，南窗1.60，东、西、北窗传热系数为1.75，外门传热系数为1.75，阳台隔墙传热系数为0.32，阳台隔窗传热系数为1.60，内墙传热系数为1.15，楼板传热系数为0.35，数据单位均为（表1）。在耗能原因方面，民居能耗主要分为采暖、制冷能耗与其他日常生活需求能耗。其中，除采暖、制冷以外的其他日常生活能耗存在极大的偶然性，在建筑学层面的研究价值不大，因此本文能耗模拟选定为采暖与制冷能耗。暖通空调系统（HVAC）是建筑采暖能耗模拟非常重要的组成部分，目前主要的暖通空调系统有包装终端空调（PTAC）、变风量（VAV）空调系统、变制冷剂流量（VRF）空调系统等。此外，在实际建筑相对简单且没有装设复杂的暖通系统时，能耗模拟可采用理想空调系统（Ideal Loads Air System），简化运算流程，从而提升模拟效率。11 2.3 寻优筛选阶段基于建筑性能评价，本文采用Grasshopper平台的多目标优化插件Octopus能够驱动计算机程序自动寻优目标8，同时利用相同平台的TT Toolbox插件对计算机寻优过程进行实时监控，并自动记录到本地计算机CSV格式的表格文档中。整个寻优阶段结束后，计算机将结果上传到De-sign Explorer可视化平台，完成数据可视化，便于后续建筑师对数据进行人工筛选，并基于寻优结果，结合调研实际展开试设计（图3）。3 基于性能优化路径的严寒地区民居设计探索3.1 研究范围与样本选择笔者及研究团队于20202021年在黑龙江省大庆市肇源县完成实地调研踏勘。课题组已完成肇源县现代乡村民居的类型识别与特征演化图谱构建。13研究发现，随着乡村生产、生活水平和观念的发展，以及建造材料、设备和技术的更新与升级，肇源县现代乡村民居在院落形制、正房功能、材料结构，以及立面形态方面进行了不同程度的优化与更新（图4、图5）。3.2 形态变量阈值确定本文选取建筑正房的面宽、进深、檐高、南立面窗墙比，以及室内厨卫面积占比作为待优化基因。研究团队前期实地调研的结果显示：在建筑开间层面，19491980年建筑开间的面宽相对最小，基本为“一明两暗”的三开间格局，其中最小的总建筑面宽仅有7 m；19812000年民居功能更加丰富，在原型基础上出现了更多层次的功能空间，如客厅、书房等，这也直接增加了建筑的开间数量；2020年，民居增加了储藏等功能，空间进一步丰富、多元，正房开间的面积也达到了最大值，最大开间的面宽为15 m。在进深与高度方面，随着新建筑材料与技术的应用，建筑进深由6 m扩大到了9 m，檐部高度则由2.7 m增加到了4.5 m。从现状来看，北立面的窗墙比变化不大，比例基本控制在0.15左右，与之对应的南立面窗墙比，在19802020年的40年间显著增长，比例由0.3增加到0.6。此外，在此期间，随着室内功能的丰富、多元，厨卫空间占比越来越小，占比从35%下降到了10%。综上，本文应将建筑面宽自变量变化区间设置为715 m，进深自变量变化区间设为69 m，檐高自变量变化区间设为2.74.5 m，南立面窗墙比自变量变化区间设为0.30.6，室内厨卫空间面积占比设为10%35%，从而为接下来的优化探索奠定基础。3.3 模拟优化参数设置3.3.1 自变量面宽、进深、檐高3组变量优化步长取建筑工程最小模数300 mm，即0.3 m；窗墙比与室内厨卫面积占比2组变量优化步长取5%。3.3.2 预测平均投票（PMV）大庆市肇州县的干球温度、露点湿度数据来自中国气象局和清华大学的实测结果，即中国标准气象数据（CSWD）14，平均辐射温度由气象数1 传统正向设计路径2 性能导向下的优化设计路径3 优化路径工具123开始开始结束结束建筑师根据设计要求完成方案设计建筑方案性能模拟是否满足规范条件建筑方案性能模拟进一步深化设计最优解集人工选择遗传算法驱动的多目标优化基于调研踏勘数据生成民居功能形态调研踏勘数据整理气象数据获取建筑方案性能模拟是否几何形态建立能耗、舒适度模拟评价性能寻优、数据记录与可视化下一阶段产生解集完成筛选CA 2023/02 当代建筑 127据与建筑信息计算得出，设置人身处室内的状态为静坐，将人体着装情况假定为冬季大衣，穿衣指数为3.0