房文博，王慶朵

（山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250100）

0 引言

我國的老齡化現(xiàn)象具有未備先老、未富先老、慢性病患病率高以及少子化、老齡化并重等特征。人口老齡化無疑增加了對各種形式養(yǎng)老建筑的需求，以家庭為基礎(chǔ)的居家養(yǎng)老、依托社區(qū)的日間照料服務(wù)中心以及機構(gòu)養(yǎng)老服務(wù)三種形式并存。隨著養(yǎng)老機構(gòu)的不斷發(fā)展與完善，以及居家養(yǎng)老壓力較大難以實現(xiàn)，越來越多的老年人會選擇機構(gòu)養(yǎng)老的形式。現(xiàn)階段多數(shù)養(yǎng)老建筑居室設(shè)計中對室內(nèi)物理環(huán)境的營造比較疏忽甚至遺漏，這樣反而無法給入住老人帶來舒適感。因此，在建設(shè)養(yǎng)老設(shè)施設(shè)計時，應(yīng)該根據(jù)老年人的實際要求進行設(shè)計，從而有效保證老年人的生活質(zhì)量。

老年人視覺特性與年輕人有所不同不一樣，由于晶狀體與眼角膜的慢慢黃化，色差識別功能減弱。另外，由于晶狀體逐漸失去彈性導(dǎo)致老年人適應(yīng)光環(huán)境變化的能力減弱，容易受到眩光的影響。隨著老年人對光環(huán)境要求的增高，單純根據(jù)窗地比確定的窗口尺寸已不能滿足養(yǎng)老建筑復(fù)雜的采光要求，因此本文以濟南地區(qū)為例，針對養(yǎng)老建筑多人居室南向窗口進行優(yōu)化研究。

1 養(yǎng)老建筑多人居室

我國現(xiàn)有養(yǎng)老建筑中老年人居室主要以單人間、雙人間和多人間為主，本次研究主要針對多人居室，國內(nèi)的多人間的人數(shù)以4 人為主，這種護理間主要適用于失能老人以及對護理要求較高的介助/介護型老人。周燕珉教授在其《養(yǎng)老設(shè)施建筑設(shè)計詳解》[1]中給出了不同類型老人居室在服務(wù)效率和居住品質(zhì)方面的排序，見圖1。本次研究在居室類型上選取適合介護老人的多人居室。

雖然在眾多機構(gòu)養(yǎng)老建筑中其居室尺寸各有不同很難統(tǒng)一，但其居室形式與布局大同小異，比較容易總結(jié)出其典型的平面模式，本次研究對于老人居室尺寸方面將根據(jù)相關(guān)研究和設(shè)計資料進行繪制，見圖2。

圖1 不同類型老人居室在服務(wù)效率和居住品質(zhì)方面的排序（圖片來源：周燕珉《養(yǎng)老設(shè)施建筑設(shè)計詳解》）

圖2 養(yǎng)老建筑中多人居室平面

2 方案設(shè)計

2.1 設(shè)計參數(shù)

本次研究只討論窗口設(shè)計相關(guān)參數(shù)，其他與窗口形態(tài)無關(guān)的參數(shù)或給予一個定值或保持軟件的默認值。其中，將窗口高度、窗口寬度以及遮陽板寬度作為本次研究設(shè)計變量，而窗口面積和窗臺高度設(shè)為定值。

在針對介護老人的多人居室中，老人活動不便，臥床休息時間較長，其窗臺高度不應(yīng)過高，周燕珉教授在其著作《老年人住宅》中提出窗臺高度為0.5～0.6m 較為合適[2]，因此將介護老人的多人居室窗臺高度定為0.5m。

我國養(yǎng)老建筑相關(guān)規(guī)范中并未對窗地比有明確的規(guī)定，只是在《老年養(yǎng)護院建設(shè)標準（JB 144—2010）》中提過老年養(yǎng)護院老年人用房應(yīng)保證良好的通風采光條件，窗地比不應(yīng)低于1:6，并應(yīng)保證足夠的日照時間。由于老年人對照度要求較年輕人較高，結(jié)合相關(guān)文獻及資料將本次研究的居室窗地面積比定為1:4[3]，因居室中獨立衛(wèi)生間等服務(wù)空間具有一定的封閉性，所以在進行居室窗地比的計算時，只將除去衛(wèi)生間外的主要生活區(qū)面積47.28m3代入計算，為方便計算窗口面積取值12m2，以此對窗口尺寸進行限定。在窗口遮陽方面，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，濟南地區(qū)養(yǎng)老建筑的外遮陽方式多為水平遮陽板或簡易遮陽篷，因此本次研究選擇使用率較高的水平遮陽方式。表1 是本次優(yōu)化研究的設(shè)計變量及其變化范圍。

表1 優(yōu)化設(shè)計變量

2.2 優(yōu)化目標

本次研究主要針對室內(nèi)光環(huán)境的優(yōu)化，那么需要對光環(huán)境評價指標進行選擇。主要有兩種：靜態(tài)評價指標和動態(tài)評價指標。靜態(tài)評價指標用來描述建筑單一時刻的采光環(huán)境，一般采用CIE標準全陰天模型或CIE 晴天天空模型，具有一定局限性。而動態(tài)評價指標的計算采用了Perez 全天候天空亮度模型，能夠更加綜合的計算全年各種天空條件下直射光、漫射光和地面反射光對室內(nèi)光環(huán)境的影響[4]，更符合真實的采光情況。所以本次研究從動態(tài)評價指標中選取室內(nèi)光環(huán)境的優(yōu)化評價指標，選擇LEEDv4和北美照明工程協(xié)會所使用的光性能評價指標sDA 和ASE。

（1）空間全自然采光百分比sDA（Spatial Daylight Autonomy）。2013 年，美國照明工程協(xié)會提出空間全自然采光百分比sDA 指標，用來表述全年范圍內(nèi)，DA 值超過某一給定值（一般取50%）的計算點占所有計算點的百分比。

（2）全年光暴露量ASE（Annual Light Exposure）。全年光暴露量ASE 表示接受過多太陽直射的工作面面積百分比，1000Lx 以上的光照，且全年時長大于250h 被認為是受到了太陽直射過多，會增加眩光發(fā)生的概率[5]。

2.3 優(yōu)化模型

2.3.1 窗口參數(shù)化模型

首先在Rhino 中建立居室?guī)缀文Ｐ?，通過Grasshopper 在居室模型南向墻面所在平面建立矩形（Rectangle）作為窗口，然后通過引入新變量，范圍在103～133，并乘以0.05，得到在5.15～6.65m范圍內(nèi)以步長0.05m 變化的變量b（窗口寬度）。將上述建立的矩形窗口通過電池DeconstructBrep 進行分解，并提取其窗口上沿線，通過電池Extrude 擠出面作為遮陽板。最后，同變量b 的方法，得到在0.5～1.2m 范圍內(nèi)以步長0.1m 變化的變量l（遮陽板寬度），見圖3。

2.3.1 性能模擬模型

進行光環(huán)境模擬前，需要確定模擬分析面的范圍，選取室內(nèi)老年人主要生活區(qū)域為分析面，見圖4。

圖3 窗口參數(shù)化模型

圖4 光環(huán)境分析范圍

本次研究選擇了Rhino 平臺下DIVA for Rhino 插件中的Annual Daylight 電池進行光環(huán)境模擬，在運算之前需要居室模型拾取到Annual Daylight 中，此處需要借助Scene Object 電池進行居室各個圍護結(jié)構(gòu)屬性和材質(zhì)的賦予。連接好居室模型和分析面后，最后點擊Location 進行濟南地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的選擇，見圖5。

圖5 光環(huán)境模擬模型

2.3.2 多目標優(yōu)化模型

本次優(yōu)化目標為使空間全自然采光百分比sDA 值盡可能大，而全年光暴露量ASE 值盡可能小。因優(yōu)化平臺Octopus 默認計算最小值，因此在得出sDA 的數(shù)值后應(yīng)在將結(jié)果賦予一個負值，隨后再連入Octopus 中。

Octopus 包含多種收斂機制和優(yōu)化算法，本次研究選用的是HypE Redcution 收斂機制和HypE Mutation 優(yōu)化算法，運行前需要對優(yōu)化參數(shù)進行了解和設(shè)置。Elitism（精英比率）：表示直接復(fù)制到下一代的染色體數(shù)目，一般取默認值0.5。Mutation Rate（變異率）：較小的數(shù)值意味著參數(shù)值只會發(fā)生較小幅的變化，而較大的變異率意味著變化的幅度較大。Mut. Probability（變異概率）：指每一個基因或者參數(shù)根據(jù)變異率會發(fā)生變異的概率，設(shè)置得過大，會導(dǎo)致最優(yōu)解的丟失且運算時間過長，設(shè)置過小則會過早收斂，出現(xiàn)局部最優(yōu)的狀況，一般取值為0.0001～0.1[6]。Crossover Rate（交叉率）：表示兩個隨后生成的解交換彼此參數(shù)值的概率，一般保持默認值0.8。Population Size（種群規(guī)模）：表示每一代參與進化的種群數(shù)量。Max Generations（最大世代）：即Octopus 將會在世代數(shù)達到所設(shè)數(shù)值時停止計算，默認值為0，表示計算不會停止，直到手動停止。綜合上述內(nèi)容以及計算機的運行時間，Octopus 相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 Octopus 相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)果分析

當世代達到20 代時，優(yōu)化計算自動停止，得到優(yōu)化解的分布圖（見圖6），其中當進行到10 代左右，解的分布已經(jīng)趨于穩(wěn)定。通過20 代的計算，空間全自然采光百分比sDA 值的變化范圍為4.4%～24.9%，全年光暴露量ASE 值的變化范圍為33.1%～49.8%。由于上文提到的在連接sDA 值時給計算結(jié)果賦予了一個負值，圖6 中坐標原點對應(yīng)的就是sDA 最大值、ASE 最小值，因此越靠近原點的解其優(yōu)化效果越好。圖中顏色越淺的表示越早的解，顏色最深的代表帕累托前沿解，它們的連線稱為帕累托前沿線。

圖6 優(yōu)化解分布

將圖6 中的帕累托前沿解進行整理，A 區(qū)的解具有較高的sDA 值，但其ASE 值也較高，眩光可能性較大；C 區(qū)的解具有較低的ASE 值，但其sDA 值也較低；B 區(qū)的解所代表的光環(huán)境性能則表現(xiàn)相對平衡一些，將B 區(qū)帕累托解進行整理得到表3。

表3 優(yōu)化解目標值與變量值

4 結(jié)語

隨著優(yōu)化迭代次數(shù)和種群數(shù)量的增加，其優(yōu)化結(jié)果會隨之更加理想，優(yōu)化計算所得帕累托前沿解，可以作為基于光舒適度考慮的建筑窗口優(yōu)化的設(shè)計依據(jù)。當然在實際的工程項目應(yīng)用中，性能指標的設(shè)計不單只有光環(huán)境一項，在后續(xù)設(shè)計中可以結(jié)合熱環(huán)境、風環(huán)境等因素進一步篩選，提供多個可以選擇的方案。