沈 琳，李希勝，高蓓超

(1.南京林業(yè)大學 研究生院，江蘇 南京210037;2.南京林業(yè)大學 土木工程學院，江蘇南京210037)

提高建筑決策設計的質量，在建筑決策設計階段進行方案優(yōu)選具有十分重要的意義。據(jù)統(tǒng)計，方案決策設計階段對建筑性能的影響達到50.2%，設計階段達到48.3%，施工和使用階段則分別為0.7%和0.8%［1］。前期方案設計決定了建筑的功效以及發(fā)生設計變更后的成本變化，項目全壽命期過程中各階段工作對建筑效果的影響程度以方案前期設計最為顯著［2］。

影響建筑產(chǎn)品綜合性能的設計因素眾多，屬于典型的多目標多屬性決策問題［3－4］。已有相關學者針對決策設計優(yōu)化開展了研究，如TSANAS等［5］以采暖負荷和制冷負荷為評價指標，識別高度、朝向變化對評價指標的影響;FAIZI等［6］從熱環(huán)境、太陽輻射、采光和遮陽4個指標，采用模糊決策對4個預設方案進行優(yōu)選;TAGLIABUE［7］從亮度、照度和采光系數(shù)3個方面，對3個辦公室方案進行節(jié)能分析;LIN等［8］從能耗的角度，研究了綠色建筑方案設計階段的參數(shù)化設計方法。現(xiàn)有方案優(yōu)選除了功能指標的單一性之外，對設計因素的選擇也基本局限于單因素，如嚴鈞等［9］通過改變遮陽板的位置、更換窗材質、選擇不同的外墻，比較對建筑能耗的影響大小;劉金霞等［10］模擬分析了外窗遮陽情況，得到各朝向外窗的遮陽形式以及大小設計范圍;楊茜等［11］對相同面寬不同平面形式和不同面寬相同平面形式兩種情況進行了自然采光的模擬，得出了建筑平面形態(tài)對自然采光的影響規(guī)律等。從以往研究來看，建筑方案設計決策主要存在以下不足:①沒有從建筑師的角度建立基于集成的決策設計影響因素集;②基于綜合的環(huán)境性能決策設計指標體系不完善，環(huán)境性能分析以單項性能分析為主;③決策評價方法主觀性較強。

1 建筑性能模擬及灰色關聯(lián)度決策

1.1 建筑性能模擬工具

鑒于建筑本身所承載的多目標及其環(huán)境控制系統(tǒng)的復雜性，僅憑經(jīng)驗或簡單的計算無法準確判斷設計方案優(yōu)劣，運用計算機模擬手段指導設計是提升建筑性能的有效手段。當前常用的建筑性能模擬分析軟件很多，常見的性能模擬軟件如表1所示［12］。

筆者選用Ecotect進行方案性能模擬的原因為:①其適用于從概念設計到詳細設計環(huán)節(jié)的可持續(xù)設計及分析(green building studio，GBS;virtual environment，VE軟件也可選用)，其中包含應用廣泛的仿真和分析功能，可以與一系列精確分析軟件相結合做進一步的分析。依據(jù)具體項目所在地的氣象資料，實時反饋分析數(shù)據(jù)［13］，更加準確地完成太陽輻射、熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、建筑投資等綜合性能分析;②可與三維建模工具Architect Revit實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并可將分析數(shù)據(jù)直接以Excel的格式導出，便于后期數(shù)據(jù)處理［14］。

表1 常用的建筑模擬分析軟件

1.2 灰色關聯(lián)度決策方法

灰色關聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計分析方法，用來描述因素間關系的強弱、大小和次序。通過對灰色系統(tǒng)內有限數(shù)據(jù)序列的分析，尋求系統(tǒng)內部各個因素之間的關系，找出影響目標值的主要因素，進而分析各因素間的關聯(lián)程度［15］?；疑P聯(lián)度分析的具體步驟如下:

(1)確定比較數(shù)列和參考數(shù)列。設評價對象為m個，評價指標為n個，比較數(shù)列為:Xi={Xi(k)|k=1，2，…，n}，i=1，2，…，m;參考數(shù)列為:Xo={Xo(k)|k=1，2，…，n}。

(2)確定各指標值對應的權重。W={Wk|k=1，2，…，n}，其中Wk為第 k個指標對應權重。

(3)計算灰色關聯(lián)系數(shù):

式中:ξi(k)為比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列Xo在第k個評價指標上的相對差值;ρ為分辨系數(shù)，在實際使用時，應根據(jù)序列間的關聯(lián)程度選擇分辨系數(shù)，ρ∈［0，1］，一般取 ρ=0.5。

在林業(yè)的發(fā)展中，造林有著重要的作用，造林質量的高低直接決定了林業(yè)發(fā)展的水平。因此，在林業(yè)的發(fā)展中必須加強營林和造林，同時對影響其發(fā)展的因素進行給分析，及時采取有效的措施進行解決?，F(xiàn)階段，我國的營造林工作任務比較艱巨，同時隨著生態(tài)環(huán)境的進一步惡化，這給營造林帶來一定的難題。相關的工作者應該努力提升造林的質量，不斷促進林業(yè)經(jīng)濟效能的發(fā)揮和生態(tài)環(huán)境的建設。

(4)計算灰色加權關聯(lián)度，進行評價分析?；疑訖嚓P聯(lián)度的計算公式為:

式中，ri為第i個評價對象與理想對象的灰色加權關聯(lián)度。

根據(jù)灰色加權關聯(lián)度的大小，對各評價對象進行依次排序。

2 建筑方案設計決策模型

2.1 建筑方案設計參數(shù)選擇

不同設計階段所考慮的設計因素是不同的，表2［16］列出了建筑方案決策設計階段基于集成的設計方法所應考慮的設計參數(shù)。通過設計參數(shù)的變化，形成不同的設計方案。假設選取了S個設計參數(shù)，每個參數(shù)有Qj個變化，則總的設計方案個數(shù)A為:

表2 建筑設計參數(shù)的選擇

2.2 建筑方案評價指標選擇

建筑產(chǎn)品的綜合性能十分復雜，決策設計階段現(xiàn)有的基于整體性能評價體系無法統(tǒng)籌兼顧?；诮ㄖ阅苣M的決策設計階段指標體系既要體現(xiàn)系統(tǒng)性又不能面面俱到，筆者以Ecotect軟件所能提供的模擬分析結果為依據(jù)，提取出決策設計階段評價指標體系，如表3所示。

表3 基于Ecotect－GRA的建筑性能評價指標體系

2.3 Ecotect－GRA 評價模型

以表2所列設計參數(shù)為設計變量，利用Ecotect對不同設計參數(shù)進行性能模擬后可以得到對應評價指標值Xi，在Xi指標數(shù)據(jù)序列中選出一個最佳值作為最優(yōu)參考數(shù)據(jù)序列Xo的各實體xok，待選的建筑設計方案各項指標值作為比較數(shù)列Xi的各實體xik，求關聯(lián)度ri。關聯(lián)度越大，說明被評價方案與建筑性能最優(yōu)的方案越相似，即關聯(lián)度大小順序就是設計方案的優(yōu)選次序。具體過程如下:

對于一個由m個設計方案，n個評價指標構成的系統(tǒng)，可有下列矩陣:，選取的參考數(shù)列為:

(2)指標值規(guī)一化處理。為使各指標之間可以比較，需要對各指標值進行規(guī)一化處理。

(3)計算關聯(lián)系數(shù)。將規(guī)范化后的數(shù)列Xo=(xo1，xo2，…，xon)作為參考數(shù)列，Xi=(xi1，xi2，…，xin)(i=1，2，…，m)作為比較數(shù)列，利用式(1)計算關聯(lián)系數(shù) ξik(i=1，2，…，m;k=1，2，…，n)，得到關聯(lián)系數(shù)矩陣:

式中，ξik為第i個設計方案的第k個指標與第k個最佳指標的關聯(lián)系數(shù)。

(4)計算單層次的關聯(lián)度?？紤]到各指標重要程度不同，關聯(lián)度計算采用加權平均。獲得子層各指標相對于父層目標優(yōu)先權重為:為該層中指標個數(shù)，則關聯(lián)度的計算公式為:

(5)計算多層評價系統(tǒng)的最終關聯(lián)度。對一個由L層組成的多層評價系統(tǒng)，最終關聯(lián)度的計算方法為:將第L層各指標的關聯(lián)系數(shù)進行合成，分別得到它們所屬的上一層即L－1層各指標的關聯(lián)度;然后把這一層所得到的關聯(lián)度作為原始數(shù)據(jù)，繼續(xù)合成得到第L－2層各指標的關聯(lián)度，以此類推，直到求出最高層指標的關聯(lián)度為止。

(6)建筑設計方案優(yōu)選。依據(jù)關聯(lián)度ri(i=1，2，…，m)大小進行排序，關聯(lián)度的大小順序即為建筑設計方案優(yōu)選次序。

3 應用實例

3.1 工程概況

本工程為兩層框架結構住宅，基礎為條形基礎，建筑總面積 273.2 m2，層高 3.3 m，室內外高差0.5 m，設計使用年限為50年，屋面防水等級為Ⅱ級，耐用年限15年，建筑耐火等級為Ⅲ級。

3.2 設計參數(shù)及方案確定

考慮到建筑朝向、窗材質對建筑能耗有著直接的影響，而窗墻比的大小不僅影響著建筑能耗，還與采光系數(shù)大小有著密切聯(lián)系［17］，本案例選取建筑朝向、窗墻比和窗材質3個設計參數(shù)作為研究對象，即S=3。利用Ecotect的Weather Tool工具分析得到最佳朝向為200°，分別偏離最佳朝向左右各10°，形成建筑朝向3個設計參數(shù)變化，即Q1=3;在氣候區(qū)劃上，南京屬北亞熱帶濕潤氣候，“夏熱冬冷”是南京顯著氣候特征。依據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，確定窗墻比如表4所示［18］。窗尺寸設計為1 200×1 500，1 500×1 500，1 800×1 500 這3種，即 Q2=3;窗材質選用單層木框、雙層木框和雙層鋁合金這3種材質，即Q3=3。則總的設計方案組合數(shù)A為27個，具體方案組合如表5所示。

表4 不同朝向外窗的窗墻面積比限值

表4 多目標方案的構成

3.3 Ecotect－GRA 模型計算

按表5所列方案組合，選取熱環(huán)境中的能耗和光環(huán)境中的采光系數(shù)作為評價指標，利用Ecotect2010進行模擬計算得到不同方案的指標值，結果如圖1所示。

從建筑性能的評價角度來說，采光系數(shù)大且總能耗低為最優(yōu)。但隨著采光系數(shù)的增大，總能耗也在不斷增加。圖1所示采光系數(shù)折線圖明顯呈現(xiàn)出3段變化相同的折線，這是因為Ecotect中使用CIE全陰天分布計算模型計算采光系數(shù)，此時采光系數(shù)與建筑朝向無關，即當窗墻比和窗材質相同時，不同的朝向所計算出的采光系數(shù)相同。由于本案例的光環(huán)境和熱環(huán)境評價指標均屬于室內環(huán)境的研究范圍，已有學者［19－21］采用不同方法研究相關的權重分配，本例取相應研究結果的均值。此外，由于南京市采暖能耗和制冷能耗時間分配大致相等，因此能耗下的采暖和制冷這兩個二級指標權重均取0.5。利用式(2)～式(7)，編寫簡單的計算機程序對Ecotect－GRA模型進行求解，解出27個設計方案的關聯(lián)度并排序。

3.4 結果分析

本案例的最佳方案為O3R1M2組合，即朝向為190°，窗規(guī)格為1 200×1 500，雙層木框窗。優(yōu)選結果表明，盡管建筑朝向并非Weather Tool中分析所得的最佳朝向，但并不影響最終最優(yōu)結果的選擇。從節(jié)能和采光效果綜合優(yōu)化角度分析，案例計算所得結論符合預期。比較本例所有方案，可知使用雙層木框窗的方案，較同等級別下使用單層木框窗和雙層鋁合金窗方案的能耗要低，因此從單因素分析角度應當選擇雙層木框窗，而實際優(yōu)選最佳方案同樣滿足要求。

圖1 不同建筑設計方案評價指標值

4 結論

使用Ecotect分析軟件，可直觀獲得模擬建筑方案各項性能指標，為設計方案的前期優(yōu)選提供依據(jù)。對于本例的有限個方案優(yōu)選，采用Ecotect－GRA法比較適用。但若參數(shù)值為連續(xù)變量，則會形成無限多個方案，形成所謂的設計NP問題，此時運用Ecotect－GRA難度較大，需要尋求更加合適的優(yōu)選方法。

［1］LIU Y.Developing regionally specific environmental building tools for China［J］.Building Research ＆ Information，2006，34(4):372 －386.

［2］EASTMAN C M.BIM handbook:a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors［M］.Hoboken:Wiley，2011:193－203.

［3］王竹，賀勇，魏秦，等.關于綠色建筑評價的思考［J］.浙江大學學報:工學版，2002(6):660 －663.

［4］MARIA J，LOOTSD K，IRURA H.Towards integration of sustainability performance assessment outcomes into design decision－making processes for buildings in Southern Africa［C］∥The 2005 World Sustainable Building Conference(SB05).Tokyo:［s.n.］，2005:133－138.

［5］TSANAS A，XIFAR A.Accurate quantitative estimation of energy performance of residential buildings using statisticalmachine learning tools［J］.Energy and Buildings，2012(49):560 －567.

［6］FAIZI F，NOORANIM，GHAEDI A.Design an optimum pattern of orientation in residential complexes by analyzing the level of energy consumption［J］.Procedia Engineering，2011(21):1179 －1187.

［7］TAGLIABUE L C，BUZZETTIM，AROSIO B.Energy saving through the sun:analysis of visual com fort and energy consumption in office space［J］.Energy Procedia，2012(30):693 －703.

［8］LIN B，YU Q，LI Z.Research on parametric design method for energy efficiency ofgreen building in architectural scheme phase［J］.Frontiers of Architectural Research，2013，2(1):11 －22.

［9］嚴鈞，趙能，梁智堯.Ecotect在建筑方案設計中的應用研究［J］.高等建筑教育，2009，18(3):140－144.

［10］劉金霞，楊小鳳，種凈植，等.建筑節(jié)能初期設計階段的能耗模擬與分析［J］.后勤工程學院學報，2011，27(5):13 －16.

［11］楊茜，錢鋒軍，桑振群.建筑平面形態(tài)對自然采光影響的模擬研究［J］.四川建筑，2007，27(4):43 －44.

［12］宋曄皓，林波榮，吳博.綠色設計vs數(shù)字化設計:內蒙古庫布奇沙漠論壇酒店生態(tài)設計實錄［J］.建筑技藝，2011(1):136－139.

［13］CRAWLEY D B，HAND JW，KUMMERT M.Contrasting the capabilities of building energy performance simulation programs［J］.Building and Environment，2008，43(4):661 －673.

［14］KANTERS J，HORVATM.Solar energy as a design parameter in urban planning［J］.Energy Procedia，2012(30):1143－1152.

［15］杜棟，龐慶華，吳炎.現(xiàn)代綜合評價方法與案例精選［M］.北京:清華大學出版社，2008:111－139.

［16］柏基，黃小清.直接操作三維空間的建筑設計方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2011:42－138.

［17］SOMBOONWIT N，SAHACHAISAEREE N.Healthcare building:modelling the impacts of local factors for building energy performance improvement in Thailand［J］.Procedia － Social and Behavioral Sciences，2012(50):549－562.

［18］中華人民共和國建設部.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，2001:4－8.

［19］駱雯，張斌.中國綠色建筑環(huán)境質量評價指標和體系的探討［J］.制冷與空調，2010，10(6):10 －15.

［20］秦佑國，林波榮，朱穎心.中國綠色建筑評估體系研究［J］.建筑學報，2007(3):68－71.

［21］項海勇.綠色居住小區(qū)評價體系的構建及應用［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學圖書館，2010.