朱姝妍，馬辰龍

0 引言

從1970年代開(kāi)始，能源危機(jī)、全球變暖等問(wèn)題逐步推動(dòng)了建設(shè)更高效建筑的需求。近些年，建筑學(xué)界對(duì)于“綠色”“節(jié)能”“碳排放”“氣候適應(yīng)性”等相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注，使得“建筑性能”（building performance）一詞越來(lái)越多地出現(xiàn)在建筑師的視野之中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，“大數(shù)據(jù)”“人工智能”等交叉領(lǐng)域的日新月異，業(yè)界對(duì)“性能模擬”的興趣和關(guān)注與日俱增。21世紀(jì)的建筑師不僅需要建造實(shí)用、堅(jiān)固、美觀的建筑，還需要提供高性能的設(shè)計(jì)方案，從而應(yīng)對(duì)氣候、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多方面的挑戰(zhàn)。

建筑性能的概念極為豐富，Wilde[1]在《建筑性能分析》中闡述建筑性能主要包括3個(gè)大類：工程、進(jìn)程與審美，主要內(nèi)容有：使用者滿意度、熱舒適性、室內(nèi)空氣質(zhì)量、結(jié)構(gòu)完整性、能源利用等。Foliente等[2]則提供了一個(gè)不同維度的建筑性能圖解（圖1）；孫澄、韓昀松等[3]從理論、方法和技術(shù)3個(gè)方面解析了基于計(jì)算性思維的建筑綠色性能智能優(yōu)化設(shè)計(jì)。2019年，美國(guó)建筑師學(xué)會(huì) （AIA） 發(fā)布 《建筑師的建筑性能指南》 （Architect's Guide to Building Performance），從建筑師的視角以官方指南的形式來(lái)對(duì)“性能模擬”提供支持。我國(guó)新版的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，也增加了“綠色性能”的條文：涉及建筑安全耐久、服務(wù)便捷、健康舒適、環(huán)境宜居和資源節(jié)約（節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材）等方面的綜合性能。

方案階段的設(shè)計(jì)決策，諸如形態(tài)的改變、平面的調(diào)整等對(duì)建筑建成性能有巨大影響，因而建筑師需要從方案階段便開(kāi)始利用模擬分析工具來(lái)測(cè)試和評(píng)述設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)指標(biāo)，才能根本上實(shí)現(xiàn)高效地優(yōu)化建筑性能[4-5]。隨著實(shí)踐中建筑節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求的攀升，現(xiàn)有理論的局限性日漸凸顯[6]，既有的設(shè)計(jì)方法亟待突破。此外，實(shí)踐建筑師并不能全面地認(rèn)知“性能”這一概念的理論和內(nèi)容，且缺少與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化流程。本文旨在從方案設(shè)計(jì)的角度，引入“知情式”設(shè)計(jì)（Informed Design）理念，并結(jié)合建筑性能的相關(guān)研究，從量化優(yōu)化和多解優(yōu)化兩種性能優(yōu)化框架入手，借助數(shù)字技術(shù)工具，搭建了“知情式”的性能可視化數(shù)據(jù)互動(dòng)分析平臺(tái)。從而在建筑實(shí)踐中，提升建筑師對(duì)建筑性能的直觀認(rèn)知，輔助他們有效地進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 性能概念的不同維度及其在建筑中的應(yīng)用，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]改繪

2 3種建筑設(shè)計(jì)過(guò)程，根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]改繪

1 數(shù)字技術(shù)背景下的“知情式”設(shè)計(jì)理念

建筑學(xué)具有不同于傳統(tǒng)工程特征領(lǐng)域的多學(xué)科交叉特征，且包括眾多無(wú)法量化的評(píng)價(jià)內(nèi)容，這造成了建筑設(shè)計(jì)相對(duì)于其他工程領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化研究的復(fù)雜性。為了建立有效的建筑師“知情式”設(shè)計(jì)方法，在方案設(shè)計(jì)階段，除了需要了解建筑師所關(guān)注的建筑性能具體類型，還需要對(duì)建筑設(shè)計(jì)流程進(jìn)行分析，研究如何在各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的介入下，實(shí)現(xiàn)更為直觀的綜合優(yōu)化過(guò)程。

1.1 建筑方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及流程

1.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

建筑方案設(shè)計(jì)階段涉及到的評(píng)價(jià)指標(biāo)可被概括為3個(gè)層面：美學(xué)評(píng)價(jià)、功能特性、物理環(huán)境（表1）。其中，美學(xué)層面的指標(biāo)難以量化得到最優(yōu)解；功能層面可以通過(guò)部分指標(biāo)，例如空間尺寸、面積統(tǒng)計(jì)、交通可達(dá)性等指標(biāo)進(jìn)行量化；物理環(huán)境層面則可以綜合多維度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括：室內(nèi)環(huán)境（光、熱、能耗）、室外環(huán)境（風(fēng)、熱）以及結(jié)構(gòu)性能、聲環(huán)境等進(jìn)行。其中物理環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)依賴基于物理學(xué)規(guī)律的軟件模擬，然而常規(guī)模擬軟件的計(jì)算時(shí)間難以壓縮且不易修改，這些都極大地增加了對(duì)于方案進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的時(shí)間成本。

表1 建筑性能設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相應(yīng)軟件平臺(tái)、評(píng)價(jià)方式（繪制：馬辰龍）

1.1.2 優(yōu)化流程

Wortmann[7]將建筑設(shè)計(jì)過(guò)程按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行區(qū)分，限定為3類：分析綜合（analyze synthesis）、生成與測(cè)試（generate and test）、平行進(jìn)化（co-evolution）?！胺治鼍C合”代表了理想化的方案優(yōu)化過(guò)程，通過(guò)對(duì)優(yōu)化問(wèn)題的窮盡式分析直接獲得最優(yōu)解；“生成與測(cè)試”是指在無(wú)法進(jìn)行窮盡式分析的優(yōu)化場(chǎng)景下，通過(guò)有限的參數(shù)采樣探索建筑性能的分布情況，從而取得較優(yōu)方案的過(guò)程；“平行進(jìn)化”則說(shuō)明存在多個(gè)不同的解題路徑，需要針對(duì)不同的路徑及對(duì)應(yīng)的若干解決方案，進(jìn)行綜合評(píng)判后取得設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)解答（圖2）。

1.2 數(shù)字技術(shù)背景下的計(jì)算性建筑設(shè)計(jì)

當(dāng)今時(shí)代，數(shù)字技術(shù)從各方面向建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，并在一定程度上改變和影響著建筑師的設(shè)計(jì)范式。數(shù)據(jù)支持的計(jì)算性設(shè)計(jì)方法需要從控制指標(biāo)出發(fā)，調(diào)整方案中相互對(duì)應(yīng)、相互影響的形式和性能參數(shù)，尋求同時(shí)滿足建筑師形式追求和性能評(píng)價(jià)要求的方案[8]。以權(quán)重評(píng)價(jià)方法的因果關(guān)系為基礎(chǔ)建立設(shè)計(jì)導(dǎo)則，解析目標(biāo)，明確設(shè)計(jì)方向，通過(guò)數(shù)字模型和數(shù)值模擬分析參數(shù)之間的非線性關(guān)系，以性能數(shù)據(jù)啟發(fā)和拓展形式的可能性。

相關(guān)學(xué)者將計(jì)算性城市設(shè)計(jì)分為3個(gè)細(xì)分方向：強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)支持的量化分析（Data-informed），強(qiáng)調(diào)具身性的循證分析（Evidence-based），和強(qiáng)調(diào)算法驅(qū)動(dòng)的生成創(chuàng)新（Algorithm-driven）[9-10]。這3個(gè)方向也與計(jì)算性建筑設(shè)計(jì)相契合，其中第2個(gè)方向指以VR等沉浸式為代表的交互式設(shè)計(jì)，而另2個(gè)方向則是現(xiàn)階段進(jìn)行建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的主流方向。其中，后者側(cè)重得到基于優(yōu)化算法的定量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)方案生成，并不依靠設(shè)計(jì)者的主觀判斷與綜合權(quán)衡；而量化分析強(qiáng)調(diào)將獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果向設(shè)計(jì)者直觀呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以結(jié)合定量數(shù)據(jù)、定性數(shù)據(jù)、主觀經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)等進(jìn)行綜合評(píng)判以做出決策[9-10]。

表2列舉了近些年國(guó)內(nèi)外在建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域中代表性的研究成果。根據(jù)性能優(yōu)化目標(biāo)的不同，涉及的軟件平臺(tái)、優(yōu)化方法、研究側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。此外，這些研究也分別與上述兩種方向相契合：

表2 建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究成果分析 （繪制：馬辰龍）

（1）量化分析：通過(guò)人機(jī)交互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)建筑師對(duì)于建筑形態(tài)和材料層面的參數(shù)選取和控制，并利用計(jì)算機(jī)模擬軟件或者相關(guān)數(shù)據(jù)分析工具，得到主觀的設(shè)計(jì)形式及與之對(duì)應(yīng)的客觀變量之間的關(guān)系；

（2）算法生成：運(yùn)用諸如“遺傳算法”在內(nèi)的優(yōu)化算法，得到多目標(biāo)條件下的最優(yōu)解集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)篩選條件下的方案生成。

然而，實(shí)際項(xiàng)目中建筑方案的豐富性和建筑形式的多樣性，使得數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)并不是單一或者單向聯(lián)系。一方面，追求最優(yōu)解和唯一解違背了設(shè)計(jì)創(chuàng)新的初衷，建筑師可能更期望獲取“性能較優(yōu)”，但可以兼顧其他不可量化的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的次優(yōu)方案。另一方面，由于建筑設(shè)計(jì)參數(shù)與性能之間通常為非線性關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)依托帕累托最優(yōu)解集來(lái)預(yù)測(cè)次優(yōu)解（即如果在參數(shù)空間中同時(shí)選取兩個(gè)帕累托最優(yōu)解集，則二者“之間”的參數(shù)取值對(duì)應(yīng)的性能值并不能保證同時(shí)在帕累托前沿附近），這將為建筑師的形式推敲工作帶來(lái)巨大不確定性。

因而，亟需一種設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)?shù)空間和閾值范圍可視化地傳遞給建筑師，以便提供更多的設(shè)計(jì)可能性，從而使其更為直觀、快速地獲取滿意的方案。

1.3 “知情式”設(shè)計(jì)方法

“知情式”設(shè)計(jì)這一概念在教育學(xué)[22]、工業(yè)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃與城市設(shè)計(jì)[23-24]等領(lǐng)域被廣泛提及。2019年，喬丹·馬瑟斯（Jordan Mathers）將一系列建筑、規(guī)劃學(xué)者的訪談集命名為“Data-Informed Design”，表達(dá)了當(dāng)前的建筑與規(guī)劃實(shí)踐中設(shè)計(jì)師對(duì)“多維度數(shù)據(jù)”的依賴，論述了建筑行業(yè)在大數(shù)據(jù)時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，以及建筑行業(yè)利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式變革的潛在可能[25]。本文所述的“知情式”設(shè)計(jì)，便是在這一概念基礎(chǔ)之上，對(duì)前文所述的量化分析和算法生成等研究方法進(jìn)行融合，使理性的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)融入到感性的方案設(shè)計(jì)過(guò)程之中，建立以目標(biāo)和效果為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，這一方法更強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)師在整個(gè)方案推進(jìn)過(guò)程中的不可替代性。

1.3.1 實(shí)現(xiàn)“知情式”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)促進(jìn)建筑師在方案設(shè)計(jì)階段能夠根據(jù)所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)，直觀判斷出方案性能的優(yōu)劣，積極解決性能模擬預(yù)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，避免因?yàn)橛?jì)算速度造成的不利影響。此外，還應(yīng)綜合考慮建筑空間、形體、界面等設(shè)計(jì)參數(shù)改變的情況下，對(duì)不同方案之間的性能差異進(jìn)行比較與分析。

因此在建筑實(shí)踐中進(jìn)行建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)需要圍繞以下兩類關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行：一是如何將主觀決策與量化評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合。建筑方案階段的性能優(yōu)化框架應(yīng)當(dāng)考慮將建筑師主觀的設(shè)計(jì)決策與量化評(píng)價(jià)指標(biāo)均納入其中，并且建筑師可以直觀地感知，從而有助于他們推進(jìn)設(shè)計(jì)。二是如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與性能計(jì)算的同步，以及實(shí)現(xiàn)整體的速度提升，因?yàn)槌Ｒ?guī)的能耗物理模擬方法、光線跟蹤算法等均需要較大的時(shí)間成本。

3 基于屏幕疊加技術(shù)的交互式建模界面，引自參考文獻(xiàn)[25]

1.3.2 解決“知情式”關(guān)鍵問(wèn)題的方法

（1）多維度的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式

“知情式”設(shè)計(jì)理念依托于多維度的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，其中常見(jiàn)的包括數(shù)據(jù)分析圖表、模型著色、采樣點(diǎn)的可視化、平行坐標(biāo)圖等。此外，依托屏幕疊加技術(shù)可以將多維度的可視化數(shù)據(jù)并置呈現(xiàn)，創(chuàng)造更直觀的數(shù)據(jù)交互界面。

圖3是借助Human UI插件實(shí)現(xiàn)屏幕疊加技術(shù)的案例，建筑三維模型、采樣點(diǎn)的視線指標(biāo)、太陽(yáng)輻射值、陰影遮擋情況、功能分布數(shù)據(jù)、建筑預(yù)算等參數(shù)并置于同一界面，方便建筑師的方案推進(jìn)，也便于設(shè)計(jì)師之間或設(shè)計(jì)師同服務(wù)對(duì)象之間的交流和溝通。

（2）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的快速性能反饋方法

“知情式”設(shè)計(jì)理念要求各項(xiàng)建筑性能指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)快速反饋，以供建筑師在時(shí)間緊迫的建筑方案設(shè)計(jì)階段能夠快速獲取性能反饋而不至于打斷方案構(gòu)思流程。為解決此問(wèn)題，引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從既往采樣數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的關(guān)聯(lián)性知識(shí)，從而能夠根據(jù)新的輸入?yún)?shù)快速猜測(cè)對(duì)應(yīng)輸出參數(shù)[26]。

2 “知情式”性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法構(gòu)建

基于前述分析，本研究建立了“知情式”性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，并分別從軟件平臺(tái)、核心算法工具、優(yōu)化框架3個(gè)方面進(jìn)行構(gòu)建。

2.1 交互式性能優(yōu)化平臺(tái)

研究建立了面向方案設(shè)計(jì)階段的交互式性能優(yōu)化平臺(tái)（圖4）。該平臺(tái)以Rhinoceros3D軟件為建模核心，借助其內(nèi)置的Grasshopper可視化編程工具，可同各類第三方插件或性能計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中，Ladybug+Honeybee性能計(jì)算模塊可同EnergyPlus、Radiance軟件鏈接，計(jì)算建筑能耗、舒適度與光環(huán)境性能；Octopus、Wallacei、Opossum等優(yōu)化插件提供了各類優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)融合于設(shè)計(jì)流程的建筑性能選優(yōu)；HumanUI、Mandrill、Conduit插件則在Rhino建模界面疊加各項(xiàng)建筑性能可視化指標(biāo)，通過(guò)可視化方式進(jìn)行建筑關(guān)鍵性能的直觀呈現(xiàn)。通過(guò)MATLAB API鏈接MATLAB平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析計(jì)算功能作為機(jī)器學(xué)習(xí)算法引擎。

2.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法工具

在MATLAB平臺(tái)中編寫(xiě)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法工具，該算法工具將融入針對(duì)不同設(shè)計(jì)流程的兩種性能優(yōu)化框架，實(shí)現(xiàn)近乎“即繪即模擬”的交互方式，包括基于既往模擬數(shù)據(jù)的元模型訓(xùn)練與快速性能預(yù)測(cè)工具，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的能耗快速預(yù)測(cè)工具（圖5）。

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練與快速性能預(yù)測(cè)工具

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。這一性質(zhì)被廣泛運(yùn)用于建筑能耗預(yù)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域以加快建筑能耗優(yōu)化的速度，并被稱為“代理模型”或“元模型”方法（surrogate model/metamodel）[27]。元模型的應(yīng)用通常涉及到對(duì)特定預(yù)測(cè)問(wèn)題的最優(yōu)輸入?yún)?shù)篩選（feature engineering）及最優(yōu)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的選取兩個(gè)過(guò)程，本文開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練與快速性能預(yù)測(cè)xzz工具依托于MATLAB平臺(tái)內(nèi)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)，在訓(xùn)練階段建立了多輸入?yún)?shù)與多機(jī)器學(xué)習(xí)算法的自動(dòng)選優(yōu)過(guò)程，以在后續(xù)的性能預(yù)測(cè)階段使用最優(yōu)元模型進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。

4 方案設(shè)計(jì)階段的交互式性能優(yōu)化平臺(tái)

5 兩種快速預(yù)測(cè)工具的工作原理圖示

（2）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的能耗快速預(yù)測(cè)工具

建立方案階段全年能耗快速預(yù)測(cè)工具，該工具包括了自主開(kāi)發(fā)的基于建筑體量自動(dòng)分解算法，以基本組合單元所受全年輻射值為輸入?yún)?shù)的能耗快速預(yù)測(cè)方法。將建筑體量分解得到的基本組合單元幾何特征和對(duì)應(yīng)全年輻射值參數(shù)輸入上述MATLAB內(nèi)的機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練與快速性能預(yù)測(cè)工具，快速得到對(duì)應(yīng)的能耗計(jì)算結(jié)果。

2.3 面向建筑設(shè)計(jì)流程的兩種優(yōu)化框架

結(jié)合Wortmann所提出的3類設(shè)計(jì)過(guò)程，將整個(gè)方案設(shè)計(jì)流程分解為量化優(yōu)化（對(duì)應(yīng)分析綜合過(guò)程）和多解優(yōu)化（對(duì)應(yīng)生成與測(cè)試及平行進(jìn)化過(guò)程）兩種優(yōu)化場(chǎng)景，并分別建立與之對(duì)應(yīng)的性能優(yōu)化框架。

2.3.1 量化優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

量化優(yōu)化場(chǎng)景是指設(shè)計(jì)師已經(jīng)確定了某一方案原型，需要對(duì)這一方案的各項(xiàng)形態(tài)控制參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值優(yōu)化，以確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。該性能優(yōu)化框架側(cè)重于將設(shè)計(jì)參數(shù)與對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)以更為直觀的方式呈現(xiàn)給建筑師，運(yùn)用多維度呈現(xiàn)方式，幫助建筑師更快速地理解建筑設(shè)計(jì)參數(shù)與對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)之間的增減關(guān)系。此種情況下，一方面可以將不同參數(shù)組合和對(duì)應(yīng)的建筑性能進(jìn)行隨機(jī)采樣，并以可視化手段顯示，如點(diǎn)云圖或平行坐標(biāo)圖等，從而直觀地反映建筑性能隨參數(shù)的變化趨勢(shì)。另一方面，可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)不同參數(shù)和對(duì)應(yīng)建筑性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而脫離精確但耗時(shí)的物理模擬，直接將訓(xùn)練好的機(jī)器學(xué)習(xí)算法當(dāng)作性能預(yù)測(cè)核心，從而快速實(shí)時(shí)地獲得建筑性能反饋。當(dāng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法達(dá)到一定預(yù)測(cè)精度后，便可以結(jié)合遺傳算法等傳統(tǒng)優(yōu)化算法和工具進(jìn)行快速的多目標(biāo)性能優(yōu)化（圖6）。

6 量化優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

7 多解優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

2.3.2 多解優(yōu)化場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架

多解優(yōu)化場(chǎng)景可以對(duì)應(yīng)方案設(shè)計(jì)流程中的多方案比較階段，在這一階段涉及到了不可量化的方案決策。不同于量化優(yōu)化場(chǎng)景，這一場(chǎng)景下各個(gè)候選方案無(wú)法用固定的某些控制參數(shù)的數(shù)值變化來(lái)得到，通過(guò)隨機(jī)采樣和機(jī)器學(xué)習(xí)算法獲得完整平滑的建筑控制參數(shù)間關(guān)聯(lián)性的方法已經(jīng)失效，建筑師應(yīng)當(dāng)直接聚焦于不同候選方案間性能預(yù)測(cè)結(jié)果值的比對(duì)（圖7）。

因此，在多解優(yōu)化場(chǎng)景下最有效的路徑是盡可能快速地實(shí)現(xiàn)性能可視化，當(dāng)建筑性能的反饋從傳統(tǒng)的數(shù)十分鐘大幅縮短，建筑師就可以在方案修改之后快速直觀地看到對(duì)應(yīng)的性能變化趨勢(shì)，這將大大提高對(duì)設(shè)計(jì)方案的把控能力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，該優(yōu)化框架利用GPU加速的光線追蹤算法來(lái)加速與此相關(guān)的采光指標(biāo)和舒適度指標(biāo)的計(jì)算；利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)建筑能耗的快速預(yù)測(cè)。加速后的性能指標(biāo)計(jì)算時(shí)間已經(jīng)可以支持模型建模界面的快速可視化，以輔助建筑師在進(jìn)行建筑形態(tài)推敲過(guò)程中快速獲知建筑性能的對(duì)應(yīng)增減趨勢(shì)，以判斷下一步的形態(tài)推敲方向。

3 基于“知情式”理念的性能優(yōu)化實(shí)踐

3.1 核心算法的準(zhǔn)確度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法可靠性，對(duì)能耗快速預(yù)測(cè)算法進(jìn)行了準(zhǔn)確度驗(yàn)證。首先，編寫(xiě)參數(shù)化算法隨機(jī)生成城市尺度的路網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上建立不同規(guī)模的街區(qū)驗(yàn)證模型，之后分別利用搭建的能耗快速預(yù)測(cè)平臺(tái)計(jì)算出每一棟建筑內(nèi)所有熱區(qū)對(duì)應(yīng)的建筑能耗，并記錄其計(jì)算時(shí)間；接下來(lái)，利用Ladybug+Honeybee插件將對(duì)應(yīng)模型導(dǎo)入EnergyPlus軟件進(jìn)行基于物理模擬的能耗計(jì)算，記錄其所有熱區(qū)的能耗值及計(jì)算時(shí)間。隨著街區(qū)規(guī)模的擴(kuò)大及模型幾何復(fù)雜度的提升，基于物理模擬的能耗計(jì)算時(shí)間顯著上升。將兩組數(shù)據(jù)及計(jì)算時(shí)間進(jìn)行比較分析，最終結(jié)果顯示：不同規(guī)模下，能耗快速預(yù)測(cè)算法的計(jì)算準(zhǔn)確度（R2值）始終保持在較高水平（圖8、9）；對(duì)于中小尺度的建筑體量其能耗計(jì)算速度不足20s，而對(duì)于城市街區(qū)尺度模型則將計(jì)算速度從24h縮短到480s之內(nèi)（圖10）。

8 不同規(guī)模的街區(qū)能耗驗(yàn)證模型

10 基于物理模擬的能耗計(jì)算與快速能耗計(jì)算方法時(shí)間對(duì)比

11 多解優(yōu)化場(chǎng)景下的總平面布局分析

12 鋸齒形玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)單元及分析圖

9 不同規(guī)模的建筑基本運(yùn)算單元能耗預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度

3.2 基于“知情式”理念的性能優(yōu)化實(shí)踐

基于交互式的性能優(yōu)化平臺(tái)，建筑師可以將一個(gè)典型的建筑設(shè)計(jì)流程分解為若干多解優(yōu)化與量化優(yōu)化場(chǎng)景的迭代組合，分別結(jié)合兩種優(yōu)化框架能夠直觀而快速地理解形態(tài)操作對(duì)建筑性能的影響。下文展示了優(yōu)化平臺(tái)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，為在性能尋優(yōu)目標(biāo)下的建筑布局形式和立面單元尺寸提供了示范。

3.2.1 多解優(yōu)化場(chǎng)景下的建筑總平面推進(jìn)

在容積率為2.0的前提下，建筑體量的高低搭配、建筑形式選型、樓棟數(shù)量等均有較多的可能性，無(wú)法用有限個(gè)數(shù)的控制參數(shù)生成所有備選方案。在總平面布局推敲時(shí)，設(shè)計(jì)師既可以關(guān)注到不同建筑體量組合形式，又可以看到建筑能耗的多少，從而選取最合適的總平面布局方案；之后，在布局方案基本確定時(shí)還可以獲取對(duì)應(yīng)的采光指標(biāo)，驗(yàn)證其采光質(zhì)量。

疊加于建模界面之上的可視化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出能耗變化趨勢(shì)以及每個(gè)方案的能耗分布情況（圖11）。其中，屏幕最上方顯示當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的地上總建筑面積；左側(cè)上方顯示整個(gè)地塊所有建筑的空調(diào)能耗、采暖能耗和總能耗值；左側(cè)兩個(gè)環(huán)狀圖則分別表征了各個(gè)建筑體量的空調(diào)能耗與采暖能耗占比情況；下方的方框區(qū)域內(nèi)為建筑能耗歷史記錄可視化區(qū)域，經(jīng)歷若干次方案推敲之后，歷史方案的空調(diào)能耗、采暖能耗和總能耗變化趨勢(shì)將分別以藍(lán)色、紅色和洋紅色折線圖表的形式反映在該區(qū)域。圖示反映了建筑師的總平面布局探索過(guò)程：第一組方案包括兩組板式的辦公建筑，第二組方案主要放置了3棟點(diǎn)式的塔樓，由右下角的折線圖表可以看出，第二組的能耗有所降低；第三組方案嘗試了點(diǎn)式和板式的組合方式，而第四組為板式塔樓與裙房結(jié)合的形式，通過(guò)能耗歷史記錄工具可以看出第三組方案增加了能耗，而第四組雖然提高了采暖能耗，但對(duì)應(yīng)的制冷能耗會(huì)降低，因而可以初步判斷該布局更適合于夏季炎熱的南方地區(qū)。

3.2.2 量化優(yōu)化場(chǎng)景——立面單元尺寸選優(yōu)

在某辦公樓設(shè)計(jì)中，建筑的西立面正對(duì)城市主干道，是主要的展示面，綜合考慮西立面的防曬需求，選取鋸齒形玻璃幕墻作為該立面的基本構(gòu)成單元（圖12）。鋸齒形幕墻的傾斜角度、外伸距離會(huì)同時(shí)影響到投資成本、室內(nèi)采光效果及制冷制熱能耗；但是不同參數(shù)組合下相關(guān)性能如何變化，建筑師無(wú)法直接獲取。

在量化優(yōu)化場(chǎng)景下，選取兩個(gè)柱子之間的開(kāi)窗單元進(jìn)行分析，其中窗戶單元的大小及旋轉(zhuǎn)角度為可變量，性能指標(biāo)為材料成本、UDI值，制冷與采暖能耗，在設(shè)計(jì)中需要綜合考慮4個(gè)目標(biāo)參數(shù)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)綜合尋優(yōu)[28]。通過(guò)對(duì)4個(gè)目標(biāo)參數(shù)的隨機(jī)采樣，依托機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立了對(duì)應(yīng)的平行坐標(biāo)圖和參數(shù)曲面圖。

最終的可視化結(jié)果顯示（圖13），材料成本：隨著旋轉(zhuǎn)角度和窗口長(zhǎng)度減小，成本逐漸降低。整體形成對(duì)稱的、中間凹陷的反應(yīng)曲面，且在窗長(zhǎng)為零時(shí)達(dá)到最小值。

UDI100–2000/60%：UDI值隨懸挑距離的增大而減小，且旋轉(zhuǎn)角度越大呈現(xiàn)的UDI值越大；反應(yīng)曲面在點(diǎn)（0°, 2.1）周?chē)纬梢粋€(gè)明顯凹陷，這是因?yàn)榇皯艮D(zhuǎn)角為0°且寬度較寬時(shí)，過(guò)多的天然采光攝入；當(dāng)窗戶尺寸小于0.4m時(shí)，UDI值急劇下降。

能耗：包括制冷和采暖能耗。制冷能耗隨窗口尺寸減小而下降，且旋轉(zhuǎn)角度在10°左右時(shí)能耗值較高，形成一個(gè)向上的凸面；采暖能耗的反應(yīng)曲面相對(duì)復(fù)雜，在左上角（-90°, 2）處達(dá)到極大值，而在點(diǎn)（30°, 0.6）附近形成一個(gè)凹陷。

建筑師可以參照4個(gè)性能參數(shù)的三維點(diǎn)云可視化結(jié)果，綜合了解參數(shù)的變化趨勢(shì)以及參數(shù)之間潛在的此消彼長(zhǎng)的關(guān)系；此外，還可以綜合考慮模型的美學(xué)效果和空間感受等設(shè)計(jì)因素，直觀地選取同時(shí)滿足性能需求和主觀美學(xué)評(píng)價(jià)需求的候選方案，最終選取了窗戶角度為30°，寬度為0.7m的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行下一階段的深化設(shè)計(jì)。

13 量化優(yōu)化場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)可視化分析圖

4 結(jié)語(yǔ)與展望

我國(guó)“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)“加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，發(fā)展綠色建筑”。綠色建筑的推進(jìn)必須見(jiàn)人見(jiàn)物，“人”是首要的決定性因素，人的影響力首先在于綠色價(jià)值觀的建立和綠色生活方式[29]的推行。建筑師作為建筑設(shè)計(jì)中最重要的角色，應(yīng)當(dāng)努力成為建筑性能決策的主導(dǎo)者；如果建筑師從方案階段就能夠從性能角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可以降低建筑的能耗、減少碳排放，又可以提升室內(nèi)外的環(huán)境質(zhì)量，從而促進(jìn)建筑整體的品質(zhì)提升。

此外，人工智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了建筑產(chǎn)業(yè)的信息化升級(jí)與轉(zhuǎn)型。機(jī)器學(xué)習(xí)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等前沿技術(shù)如何介入建筑設(shè)計(jì)流程，成為許多建筑學(xué)者關(guān)注的問(wèn)題[27]。將機(jī)器學(xué)習(xí)作為輔助工具的前提下，可以提高整個(gè)設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)效率[30]；利用不同機(jī)器學(xué)習(xí)算法的篩選，可以獲得最優(yōu)性能[31]，這些均為性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。

本研究正是基于“節(jié)能減排”的國(guó)家戰(zhàn)略，結(jié)合人工智能語(yǔ)境下建筑學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和變革，以建筑師的視角出發(fā)，從理論、方法和應(yīng)用3個(gè)層面對(duì)建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

在理論層面，引入了“知情式”的建筑設(shè)計(jì)理念，在“知情式”的前提條件下，建筑設(shè)計(jì)需要關(guān)注評(píng)價(jià)指標(biāo)和優(yōu)化流程兩方面的內(nèi)容，并解決如何將主觀設(shè)計(jì)決策與量化評(píng)價(jià)指標(biāo)相結(jié)合，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與性能計(jì)算同步以及速度提升這兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

在方法層面，依托當(dāng)前豐富的數(shù)字技術(shù)工具建立起基于“知情式”理念的性能優(yōu)化平臺(tái)，將建筑方案設(shè)計(jì)流程分解，提出了“量化優(yōu)化”和“多解優(yōu)化”兩個(gè)場(chǎng)景下的性能優(yōu)化框架。建筑師可以根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)踐中不同需求，交叉選用不同的優(yōu)化框架來(lái)輔助方案的決策。

在應(yīng)用層面，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)歷史候選方案性能參數(shù)的學(xué)習(xí)，建立性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的分布規(guī)律模型，根據(jù)新的控制參數(shù)快速預(yù)測(cè)建筑性能；借助可視化插件實(shí)現(xiàn)建筑性能的疊加顯示，加強(qiáng)設(shè)計(jì)師在方案推敲過(guò)程中的性能感知。

隨著人工智能理論與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，基于參數(shù)化的性能設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，除了設(shè)計(jì)前期的虛擬交互操作系統(tǒng)，還包括方案階段的建筑形式自動(dòng)生成系統(tǒng)、建造階段的建筑構(gòu)件數(shù)控加工系統(tǒng)等[32]。在今后的研究和實(shí)踐過(guò)程中，除了不斷完善交互式平臺(tái)，還應(yīng)針對(duì)設(shè)計(jì)中的其他環(huán)節(jié)展開(kāi)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其更加深入地介入到建筑設(shè)計(jì)的整個(gè)流程之中，以技術(shù)的力量促進(jìn)未來(lái)建筑設(shè)計(jì)方法的更新，最終實(shí)現(xiàn)更為全面的變革。□