朱姝妍

馬辰龍

向科

鄒煜凱

習(xí)近平主席在2020 年9 月22 日召開的聯(lián)合國(guó)大會(huì)中提出：我國(guó)將力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到二氧化碳排放量峰值，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！肮?jié)能減排”目標(biāo)的達(dá)成需要建筑設(shè)計(jì)全流程的革新，其中建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)影響著建筑用能效率、碳排放水平、室內(nèi)物理環(huán)境舒適度等方面，是提升人居環(huán)境品質(zhì)的重要工作，對(duì)于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。［1］因此，在“碳達(dá)峰”“碳中和”的背景下，結(jié)合地域氣候的特點(diǎn)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、參數(shù)化等前沿技術(shù)，探究建筑性能指標(biāo)及其優(yōu)化的可能性，從而擴(kuò)展建筑師的思考維度，是一條值得設(shè)計(jì)從業(yè)者和相關(guān)研究人員探索和實(shí)踐的道路。

在“氣候適應(yīng)性”的背景下，建筑師越來(lái)越關(guān)注方案設(shè)計(jì)階段場(chǎng)地布局、單體空間、圍護(hù)構(gòu)件等不同層級(jí)的性能優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)大幅度提升、建筑性能模擬軟件的成熟以及參數(shù)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在方案設(shè)計(jì)階段隨時(shí)對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行光、熱、風(fēng)、能耗等方面模擬的時(shí)間和人力成本已經(jīng)降至可以接受的水平。［2］建筑的能源消耗占全球總能源消耗的40%，建造具有地域氣候適應(yīng)性的建筑，降低建筑運(yùn)行期間的能源消耗有利于實(shí)現(xiàn)全人類的可持續(xù)發(fā)展［3］，建筑能耗研究已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，方案階段的設(shè)計(jì)決策對(duì)建筑物建成后的最終性能起著至關(guān)重要的作用，在此階段可以以極低的優(yōu)化成本獲得更高的性能提升潛力［4］，將綠色建筑設(shè)計(jì)方法盡早介入設(shè)計(jì)流程已成為建筑師的共識(shí)。

“地域氣候適應(yīng)型綠色公共建筑設(shè)計(jì)新方法與示范”課題組建立了對(duì)應(yīng)不同氣候分區(qū)的，從概念設(shè)計(jì)到建筑落成的，貫穿設(shè)計(jì)全周期的設(shè)計(jì)方法與導(dǎo)則，為建筑師主導(dǎo)的綠色建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐提供新的方法和思路。在這一大背景下，本文結(jié)合“機(jī)器學(xué)習(xí)”與“參數(shù)化”技術(shù)，提出了一個(gè)面向方案設(shè)計(jì)階段以能耗為主導(dǎo)的建筑性能快速優(yōu)化方法，該方法包含兩部分：基于機(jī)器學(xué)習(xí)的建筑能耗快速計(jì)算技術(shù)、面向方案設(shè)計(jì)流程的交互式性能優(yōu)化框架。該方法聚焦于以辦公建筑為代表的具有均質(zhì)功能特性的建筑實(shí)體，以及主要依賴空調(diào)系統(tǒng)作為室內(nèi)環(huán)境控制手段的空間類型。通過(guò)較直觀和快速的性能反饋，將上述數(shù)字化手段作為一個(gè)有力的輔助工具，協(xié)助建筑師設(shè)計(jì)出更具綠色節(jié)能潛力的作品。

一、國(guó)內(nèi)外研究綜述

近二十年來(lái)，關(guān)于數(shù)字技術(shù)在建筑早期方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的研究逐年增加。［5］其中機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是當(dāng)前最熱門的研究領(lǐng)域，其基本思想是從既有的案例中提取輸入輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，從而根據(jù)新的輸入數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果。［6］目前，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)由于其快速、即時(shí)反饋的特性已被運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)及其相關(guān)領(lǐng)域。在建筑方案設(shè)計(jì)階段，可以克服因性能模擬導(dǎo)致的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)建筑師創(chuàng)意工作造成的阻礙，將量化的建筑性能指標(biāo)同建筑形體特征相耦合，幫助達(dá)到建筑性能和建筑形式創(chuàng)意之間的平衡，從而有效促進(jìn)建筑師設(shè)計(jì)出兼具多樣性與最優(yōu)性能的設(shè)計(jì)方案。Chatzikonstantinou 等學(xué)者提出了一種基于自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑師互動(dòng)式的建筑開窗與遮陽(yáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［7］；Tseranidis 等人則實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)形式快速預(yù)測(cè)與優(yōu)化［8］。

而在建筑能耗計(jì)算的相關(guān)研究中，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的元模型/代理模型（metamodel/surrogate model）方法被用來(lái)加速能耗優(yōu)化過(guò)程。［9］相比于物理模型的簡(jiǎn)化模擬或并行計(jì)算方法［10］，以及基于熱力學(xué)定律的數(shù)值簡(jiǎn)化計(jì)算方法［11］，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法能夠在保證一定預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的前提條件下，實(shí)現(xiàn)極快的計(jì)算速度。Westermann 對(duì)建筑能耗優(yōu)化領(lǐng)域的元模型應(yīng)用進(jìn)行了綜述［12］；?sterg?rd 對(duì)比了不同的元模型算法，指出不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法各自具有不同特性，適用于不同的預(yù)測(cè)問(wèn)題：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以在保證一定預(yù)測(cè)精確度的同時(shí)，不受訓(xùn)練樣本量的限制，保證很快的訓(xùn)練時(shí)間，而GPR 算法則對(duì)不同的預(yù)測(cè)問(wèn)題均有穩(wěn)定的預(yù)測(cè)表現(xiàn)［13］。Binghui Si 等人在一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中綜合運(yùn)用了建筑能耗模擬、元模型輔助預(yù)測(cè)的方法以優(yōu)化一棟建筑的屋頂形狀［14］，該研究也證明了機(jī)器學(xué)習(xí)元模型技術(shù)可以被應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的能耗預(yù)測(cè)任務(wù)中。清華大學(xué)林波榮教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種雙向優(yōu)化算法，結(jié)合對(duì)建筑平面形態(tài)的歸類，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了以降低建筑能耗為目標(biāo)的建筑形態(tài)優(yōu)化策略［15］；哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫澄、韓昀松等建立了GANN-BIM 數(shù)字化節(jié)能設(shè)計(jì)平臺(tái)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為平臺(tái)內(nèi)預(yù)測(cè)建筑能耗的工具，輔助進(jìn)行后續(xù)基于遺傳算法的最優(yōu)方案選取，并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同方案設(shè)計(jì)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Quick Design Generator）。［16］然而，當(dāng)前基于機(jī)器學(xué)習(xí)元模型的能耗預(yù)測(cè)方法大多被限定于針對(duì)某單棟孤立建筑的能耗預(yù)測(cè)，以及對(duì)簡(jiǎn)單矩形體量的形態(tài)特征和能耗關(guān)聯(lián)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。涉及的預(yù)測(cè)參數(shù)也比較單一，多為窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性等，而在復(fù)雜建筑體量和不同建筑形狀上的泛化性較弱。

本文旨在探索方案階段以能耗為主導(dǎo)的性能快速優(yōu)化方法，因此基于以上研究，本文的研究目標(biāo)可以分為兩個(gè)層面：一是建立適用于多棟建筑物和復(fù)雜場(chǎng)景的建筑能耗快速計(jì)算技術(shù)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求，二是充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)建筑性能優(yōu)化過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋，以構(gòu)建適用于建筑師的交互式建筑性能優(yōu)化框架。

二、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的建筑能耗快速計(jì)算技術(shù)

依托Rhinoceros 3D 三維建模平臺(tái)，通過(guò)耦合grasshopper、MATLAB、Radiance 和EnergyPlus，開發(fā)了基于快速輻射模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)元模型思想的建筑能耗快速計(jì)算技術(shù)。借助基于基本運(yùn)算單元的建筑體量分解方法和基于GPU 加速技術(shù)的快速輻射模擬，可以成功實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)信息的轉(zhuǎn)譯、周邊環(huán)境輻射的精確描述和建筑能耗的細(xì)粒度可視化三種需求。該技術(shù)致力于解決概念設(shè)計(jì)階段針對(duì)粗糙建筑體形的能耗預(yù)測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)的問(wèn)題，從而幫助建筑師在方案初期實(shí)現(xiàn)對(duì)候選建筑形態(tài)的能耗快速評(píng)估。

1.基本運(yùn)算單元假設(shè)

在建筑方案設(shè)計(jì)階段，詳細(xì)的建筑細(xì)部做法和內(nèi)部布局未知，建筑師根據(jù)既往案例和相關(guān)規(guī)范對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行粗糙設(shè)置，以預(yù)估最終方案的能耗分布。假若這一階段不考慮室內(nèi)空間的特殊性（如中庭通高空間的設(shè)置），認(rèn)為整棟建筑的使用功能基本相同（如辦公建筑、醫(yī)療建筑的病房樓等），則可以將整個(gè)建筑體量看作由互不影響（即鄰接界面為絕熱界面）的多個(gè)熱區(qū)單元構(gòu)成，這一能耗模擬結(jié)果也約等于具有相同外表面全年輻射值的熱區(qū)的能耗（圖1）。進(jìn)一步地，上述熱區(qū)單元可以被看作一個(gè)基本運(yùn)算單元的不同變體，每個(gè)基本運(yùn)算單元為一個(gè)方盒子體量，其包含了一系列特征參數(shù)，這些特征參數(shù)的不同組合確定了該單元的對(duì)應(yīng)能耗值（圖2）。那么當(dāng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)到了基本運(yùn)算單元特征參數(shù)與對(duì)應(yīng)能耗值間的關(guān)聯(lián)性之后，則該算法模型可以在下一階段不依托物理模擬，快速地根據(jù)某一基本運(yùn)算單元的特征參數(shù)組合推斷其對(duì)應(yīng)能耗值。

圖1： 能耗快速計(jì)算原理

圖2： 基本運(yùn)算單元特征參數(shù)

2.建筑能耗快速計(jì)算流程

依托上述假設(shè)，整個(gè)建筑能耗快速計(jì)算流程如下圖（圖3）所示：

圖3： 建筑能耗快速計(jì)算流程

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練：首先根據(jù)待預(yù)測(cè)地區(qū)的氣象文件生成基于超立方體采樣［17］的基本運(yùn)算單元訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法可以依據(jù)基本運(yùn)算單元的特征信息（輻射參數(shù)、幾何參數(shù)和邊界條件）快速預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)能耗值；

（2）建筑體量分解方法：針對(duì)概念設(shè)計(jì)階段，提出兩種具有不同精確度的建筑體量分解方法，根據(jù)計(jì)算速度和精確度的需要選擇合適的自動(dòng)熱區(qū)劃分方法：熱區(qū)粗糙劃分方法和房間自動(dòng)細(xì)分方法（圖4、圖5）。將待預(yù)測(cè)的建筑進(jìn)行體量分解，記錄各個(gè)熱區(qū)單元的對(duì)應(yīng)三維尺寸、窗墻比、外部輻射值（借助GPU 加速的快速輻射計(jì)算獲得），作為基本運(yùn)算單元的特征參數(shù)；

圖4： ：建筑熱區(qū)粗糙劃分方法

圖5： 房間自動(dòng)細(xì)分方法

（3）能耗快速反饋與可視化：將上一步得到的特征信息輸入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，則能夠以近乎實(shí)時(shí)的方式輸出其預(yù)測(cè)的對(duì)應(yīng)基本運(yùn)算單元的建筑能耗，并可視化呈現(xiàn)在三維模型表面，以輔助建筑師的設(shè)計(jì)判斷（圖6），該建筑的總能耗即所有基本運(yùn)算單元的能耗加和值。

圖6： 建筑性能可視化

3.能耗快速計(jì)算技術(shù)的實(shí)用性驗(yàn)證

依托Rhinoceros 3D 建模平臺(tái)建立驗(yàn)證模型：城市高密度區(qū)塊內(nèi)的新建辦公樓，場(chǎng)地周邊既有高層建筑會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)范圍有所遮擋，從而影響全年建筑能耗。預(yù)先定義各立面的窗墻比、建筑熱工等參數(shù)，并依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練對(duì)應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。建筑師在建模界面內(nèi)通過(guò)若干立方體的自由組合推敲建筑體量，在此過(guò)程中獲得建筑能耗的快速反饋。建筑師在體量推敲過(guò)程中將逐漸認(rèn)識(shí)到建筑形體與能耗間的關(guān)聯(lián)性，并基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終獲得綜合了建筑師主觀美學(xué)傾向和建筑能耗優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)每一個(gè)候選方案分別進(jìn)行考慮內(nèi)墻傳熱和不考慮內(nèi)墻傳熱兩種假設(shè)下的物理模擬，并且與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的參數(shù)覆蓋范圍內(nèi)（第10～44 個(gè)候選方案）,能耗快速計(jì)算方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到了方案設(shè)計(jì)需求（圖7）。上述每一個(gè)候選方案的能耗計(jì)算時(shí)間平均為10 秒，而常規(guī)能耗模擬軟件的計(jì)算則一般需耗時(shí)數(shù)十分鐘。

圖7： 能耗快速計(jì)算方法的準(zhǔn)確度驗(yàn)證

三、面向方案設(shè)計(jì)流程的交互式性能優(yōu)化框架

1.建筑設(shè)計(jì)流程認(rèn)知與分解

由于建筑學(xué)的多學(xué)科交叉特征，建筑設(shè)計(jì)中包含大量無(wú)法量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)優(yōu)化并不能完全等同于普通的工程優(yōu)化問(wèn)題。隨著建筑設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展，對(duì)建筑設(shè)計(jì)流程的認(rèn)知逐漸從行為主義流派的確定性思維轉(zhuǎn)向以生成器模型、協(xié)同進(jìn)化概念［18］為代表的強(qiáng)調(diào)多樣性與復(fù)雜性的認(rèn)知方向。Thomas Wortmann 將建筑設(shè)計(jì)任務(wù)劃分為三種類別，用以區(qū)分建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜度。［19］因此，一個(gè)典型的建筑設(shè)計(jì)流程可被劃分為層層遞進(jìn)的方案決策過(guò)程，根據(jù)其任務(wù)復(fù)雜性的不同，又可以將每個(gè)層級(jí)的方案決策過(guò)程劃分為量化優(yōu)化與多解優(yōu)化兩種場(chǎng)景（圖8）。將機(jī)器學(xué)習(xí)算法納入建筑設(shè)計(jì)流程，可以分別針對(duì)上述兩種問(wèn)題建立兩套優(yōu)化框架，建筑師在方案推進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)需求交替運(yùn)用，以輔助方案決策。

圖8： 方案推進(jìn)過(guò)程中多解優(yōu)化與量化優(yōu)化總是交替出現(xiàn)

2.多解優(yōu)化與量化優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

基于Rhinoceros 3D 軟件平臺(tái)編寫對(duì)應(yīng)量化優(yōu)化與多解優(yōu)化兩種場(chǎng)景的性能優(yōu)化框架。兩種優(yōu)化框架可以在平臺(tái)內(nèi)由建筑師自由切換，保證了整個(gè)方案設(shè)計(jì)流程的連貫性（圖9）。

圖9： 兩種優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

量化優(yōu)化場(chǎng)景下，建筑師已經(jīng)確定了某一方案原型，需要根據(jù)建筑性能優(yōu)化目標(biāo)確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。在該場(chǎng)景中，建筑控制參數(shù)的變化趨勢(shì)和對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)的變化一定是平滑連續(xù)的。對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行采樣，可以獲取對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)，并且以點(diǎn)云圖或平行坐標(biāo)圖等可視化手段直觀地呈現(xiàn)性能隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化趨勢(shì)，供建筑師選取最優(yōu)方案。同時(shí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)，將訓(xùn)練好的算法當(dāng)作性能預(yù)測(cè)核心，實(shí)時(shí)獲得建筑性能數(shù)據(jù)反饋，抑或結(jié)合遺傳算法等傳統(tǒng)優(yōu)化工具進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。

多解優(yōu)化場(chǎng)景涉及不可量化的方案決策對(duì)建筑性能的影響，與傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流程中的多方案比較階段相對(duì)應(yīng)。其中，最有效的優(yōu)化路徑是快速地實(shí)現(xiàn)建筑性能的可視化，當(dāng)建筑性能的反饋從傳統(tǒng)的數(shù)分鐘、數(shù)小時(shí)縮短為一分鐘之內(nèi)，能夠讓建筑師在完成設(shè)計(jì)之后便能看到對(duì)應(yīng)的建筑性能變化趨勢(shì)。該快速性能反饋過(guò)程依托于GPU 加速技術(shù)下的太陽(yáng)輻射和采光計(jì)算，結(jié)合建筑面積、容積率等設(shè)計(jì)指標(biāo)統(tǒng)一實(shí)時(shí)反饋到Rhino 的建模界面，讓建筑師能通過(guò)自己的操作，實(shí)時(shí)感知建筑形態(tài)變化對(duì)各項(xiàng)性能參數(shù)的影響。

四、建筑性能快速優(yōu)化方法流程構(gòu)建及實(shí)踐案例

1.建筑性能快速優(yōu)化方法的典型決策過(guò)程

對(duì)于任意建筑設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)方案推進(jìn)深度可將其分為不同層級(jí)（圖8），每一個(gè)層級(jí)均包含建筑師主導(dǎo)的統(tǒng)籌決策和交互式性能優(yōu)化平臺(tái)兩部分，其每一層級(jí)的核心性能優(yōu)化流程可以表示如下（圖10）。首先建筑師根據(jù)文化、美學(xué)、功能等主客觀要素綜合分析決策，確定該層級(jí)的建筑方案深化過(guò)程屬于多方案比較還是最優(yōu)參數(shù)的量化優(yōu)化，以選用對(duì)應(yīng)的交互式優(yōu)化平臺(tái)——選用多解優(yōu)化場(chǎng)景解決多方案比較階段的性能快速反饋，而選用量化優(yōu)化場(chǎng)景以直觀地獲取最優(yōu)參數(shù)取值。上述能耗主導(dǎo)的建筑性能快速優(yōu)化流程仍然以建筑師作為方案推進(jìn)的核心，因?yàn)樵诮y(tǒng)籌決策部分，建筑師將直接參與方案形態(tài)的決策，確立候選優(yōu)化方案并決定如何進(jìn)行性能優(yōu)化；而無(wú)論多解優(yōu)化場(chǎng)景還是量化優(yōu)化場(chǎng)景，均需建筑師親自介入，其中多解優(yōu)化場(chǎng)景下，建筑師需直接參與建筑模型的形態(tài)修改工作，依托快速的建筑性能反饋選取性能最優(yōu)方案。而在量化優(yōu)化場(chǎng)景下，建筑師通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的采樣獲得建筑性能與設(shè)計(jì)參數(shù)間的可視化關(guān)聯(lián)，從而基于機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行直觀的最優(yōu)參數(shù)選擇。

圖10： 方案階段建筑性能快速優(yōu)化方法的核心流程

2.基于建筑性能快速優(yōu)化方法的案例實(shí)踐

選取位于濟(jì)南市的某企業(yè)總部進(jìn)行案例實(shí)踐，在形態(tài)構(gòu)思階段結(jié)合建筑能耗、采光等需求，進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照本文提出的建筑性能快速優(yōu)化流程，在方案階段主要進(jìn)行了三組場(chǎng)景的設(shè)計(jì)優(yōu)化，包括：不同場(chǎng)地布局形式的比較，最優(yōu)形態(tài)控制參數(shù)的確定，以及主立面幕墻關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化。

（1）不同場(chǎng)地布局形式的比較

研究首先對(duì)辦公區(qū)的建筑布局進(jìn)行推敲，這一多方案比較方法對(duì)應(yīng)了多解優(yōu)化場(chǎng)景，建筑師基于Rhino 平臺(tái)建模并在此過(guò)程中借助可視化手段獲得互動(dòng)式的快速建筑性能反饋。選擇5 個(gè)代表性方案進(jìn)行建筑能耗與采光性能的量化評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)候選方案。建立基于采光和能耗的可視化三維圖像（圖11），三個(gè)坐標(biāo)分別為制冷能耗、制熱能耗、UDI 指標(biāo)（Useful Daylight Illuminance，有效采光照度）。其中藍(lán)色采樣點(diǎn)代表精確物理模擬獲得的能耗值，紅色點(diǎn)則代表能耗快速計(jì)算方法得到的模擬值，兩組數(shù)值較為接近；此外，可以看出方案1 在制冷、采暖能耗與采光性能方面的表現(xiàn)均較為優(yōu)異，因而建筑師可以在該方案基礎(chǔ)之上進(jìn)行下一層級(jí)的方案深化。常規(guī)軟件對(duì)每組方案的能耗模擬耗時(shí)約20 小時(shí)，而基于機(jī)器學(xué)習(xí)的建筑能耗快速計(jì)算技術(shù)對(duì)每組方案的能耗計(jì)算僅需3 分鐘，并且訓(xùn)練完畢的算法可以對(duì)更多的對(duì)比方案進(jìn)行能耗快速預(yù)測(cè)。

圖11： 某企業(yè)總部多方案比較階段候選方案及性能可視化結(jié)果

（2）最優(yōu)形態(tài)控制參數(shù)的確定

選取上一層級(jí)獲得的最佳方案作為方案推進(jìn)基礎(chǔ)，進(jìn)行采光與建筑能耗的可視化分析，基于量化優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架，更精細(xì)地確定最佳的形體設(shè)計(jì)參數(shù)。利用參數(shù)化手段建立數(shù)字模型（圖12），在總建筑面積固定的前提下研究條形體量的進(jìn)深深度D、辦公室單元的面寬（即柱跨設(shè)置）L 與對(duì)應(yīng)采光能耗指標(biāo)的關(guān)系。將兩組控制參數(shù)分別作為三維空間中的X、Y 坐標(biāo)軸，將制冷能耗、采暖能耗、總能耗、UDI 值作為對(duì)應(yīng)的Z 坐標(biāo)軸進(jìn)行三維可視化（圖13）。建筑師可以綜合性能可視化結(jié)果、柱網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性以及建筑美學(xué)等進(jìn)行評(píng)判，最終得到D=22m，L=8.4m 為最優(yōu)形態(tài)參數(shù)，并作為下一步方案細(xì)部深化的依據(jù)。

圖12： 企業(yè)總部參數(shù)化驗(yàn)證模型

圖13： 建筑能耗與UDI值的可視化結(jié)果

（3）主立面幕墻關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化

此場(chǎng)景中，選取建筑西向立面的鋸齒形玻璃幕墻為研究對(duì)象，同時(shí)兼顧防止西曬的需求?；诹炕瘍?yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架，進(jìn)行了建筑能耗、材料成本、采光質(zhì)量（UDI）的可視化分析（圖14），根據(jù)可視化結(jié)果，可以得到性能與綜合成本最優(yōu)的幕墻控制參數(shù)：角度θ取30°，寬度L取0.7m。

圖14： 西立面鋸齒幕墻研究模型及控制參數(shù)

五、結(jié)語(yǔ)與展望

本研究建立了面向建筑師方案階段使用的，能耗主導(dǎo)的建筑性能快速優(yōu)化方法。借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和參數(shù)化平臺(tái)，幫助建筑師實(shí)現(xiàn)對(duì)于能耗主導(dǎo)的建筑性能指標(biāo)的快速認(rèn)知和直觀感知，該方法的精度可以滿足在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行方案性能優(yōu)化的要求。此外，將方案設(shè)計(jì)流程分解為量化優(yōu)化和多解優(yōu)化兩種場(chǎng)景，輔助建筑師對(duì)建筑性能分布情況進(jìn)行直觀判斷。

現(xiàn)階段的能耗快速預(yù)測(cè)研究主要考慮建筑所受太陽(yáng)輻射對(duì)能耗的影響，未將空氣流速等因素考慮在內(nèi)，未來(lái)研究計(jì)劃將內(nèi)部氣流組織納入基本運(yùn)算單元，以盡可能提高其預(yù)測(cè)精度。另一方面，當(dāng)前的基本運(yùn)算單元為方盒子熱區(qū)，對(duì)于形態(tài)不規(guī)則的建筑體量使用近似于方盒子的單元擬合，未來(lái)研究也將探索利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實(shí)現(xiàn)基于異形基本運(yùn)算單元的建筑能耗預(yù)測(cè)，以擴(kuò)展該能耗預(yù)測(cè)框架的應(yīng)用范圍。此外，當(dāng)前所開發(fā)的交互式性能優(yōu)化框架，主要依托參數(shù)化平臺(tái)以及數(shù)據(jù)分析軟件，未來(lái)計(jì)劃將其開發(fā)為一個(gè)完整的性能預(yù)測(cè)插件，以增強(qiáng)對(duì)于建筑師的友好性和易用性，實(shí)現(xiàn)與建筑方案設(shè)計(jì)流程的無(wú)縫銜接。

值得一提的是，在建筑項(xiàng)目的全生命周期中，建筑師始終發(fā)揮著舉足輕重的主觀能動(dòng)作用。即使數(shù)字技術(shù)已滲透到建筑設(shè)計(jì)的方方面面，也并不意味著建筑師的作用可以被完全替代；數(shù)字技術(shù)始終是一種工具或者方法，幫助建筑師快速有效地分析和優(yōu)化方案，并做出綜合的決策。如果從方案設(shè)計(jì)伊始就能夠讓建筑師更直觀地了解性能與形式間的關(guān)聯(lián)，就有助于建筑師更積極有效地推動(dòng)設(shè)計(jì)流程，促進(jìn)設(shè)計(jì)的深化和落地，最終創(chuàng)作出更具科學(xué)性和合理性的綠色建筑作品。

注釋

[1]參考文獻(xiàn)[1]。

[2]參考文獻(xiàn)[2]。

[3]參考文獻(xiàn)[3]～[5]。

[4]參考文獻(xiàn)[6]～[11]。

[5]參考文獻(xiàn)[12]。

[6]機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能的重要分支領(lǐng)域，周志華在論著《機(jī)器學(xué)習(xí)》中對(duì)其基本理論進(jìn)行了詳細(xì)介紹，參考文獻(xiàn)[13]。

[7]參考文獻(xiàn)[20]。

[8]參考文獻(xiàn)[21]。

[9]以Simple ANN（淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以從多變量高維數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)的輸入輸出關(guān)聯(lián)模式，從而建立一個(gè)輸入輸出關(guān)聯(lián)模型，通過(guò)將新數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)模型，可以預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出，被稱為元模型或代理模型技術(shù)，參考文獻(xiàn)[22]～[25]。

[10]參考文獻(xiàn)[26]～[29]。

[11]基于熱力學(xué)定律的動(dòng)態(tài)模擬，即通過(guò)對(duì)建筑各構(gòu)成元素的詳細(xì)建模、對(duì)室外環(huán)境要素的仿真、空調(diào)控制系統(tǒng)的模擬來(lái)迭代運(yùn)算全年或特定研究時(shí)段內(nèi)的能量流動(dòng)，進(jìn)而獲取空調(diào)系統(tǒng)的總能耗，參考文獻(xiàn)

[30]～[34]。

[12]參考文獻(xiàn)[35]。

[13]參考文獻(xiàn)[36]。

[14]參考文獻(xiàn)[22]。

[15]參考文獻(xiàn)[37]。

[16]參考文獻(xiàn)[16]、[38]。

[17] 運(yùn)用插件Design Space Explorer（DSE）進(jìn)行樣本采樣，其包含的Sampler 運(yùn)算器支持對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行超立方體采樣，每一個(gè)采樣是各個(gè)建筑控制參數(shù)的組合，參考文獻(xiàn)[39]、[40]；

[18]參考文獻(xiàn)[41]～[43]。

[19]包括分析綜合（Analysis Synthesis）；生成與測(cè)試（Generate and test）；平行進(jìn)化（Co-evolution），根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]。