莊麗娜，林 杰

（1.日照市建筑設計研究院有限公司，山東 日照；2.山東魯勘工程設計有限公司，山東 濟南）

引言

近年來，全球氣候變化和環(huán)境污染問題不斷凸顯，對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的呼聲越來越高。作為建筑師，如何在設計中考慮環(huán)境、經(jīng)濟和社會可持續(xù)性，成為當前熱門話題。綠色建筑設計作為一種新的建筑設計理念和方法，已經(jīng)得到了廣泛的應用和推廣[1-2]。綠色建筑是一種在建筑設計中考慮環(huán)境、經(jīng)濟和社會可持續(xù)性的方法。隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的意識不斷增強，綠色建筑的概念越來越受到人們的重視[3]。綠色建筑設計通過優(yōu)化建筑的能源利用、材料選擇、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等方面，使建筑在使用過程中盡可能少地對環(huán)境造成負擔，同時提高建筑的舒適性和可持續(xù)性[4]。

綠色建筑設計需要評估許多個潛在的設計備選方案，以獲得最有前景的解決方案，而設計中的變量包括概念設計階段的許多參數(shù)，這些參數(shù)對建筑性能有關(guān)鍵影響，因此本文介紹用于解決優(yōu)化問題的多目標遺傳算法。最后以一個案例為例子，說明了多目標遺傳算法在綠色建筑設計中的應用。

1 綠色建筑設計的要點

1.1 節(jié)能設計

節(jié)能是綠色建筑設計的核心要點之一。建筑能耗占據(jù)全球總能耗的近一半，因此減少建筑能耗對于環(huán)境和可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義[5]。以下是一些節(jié)能策略。

（1）優(yōu)化建筑朝向和形態(tài)，充分利用自然光和自然通風，減少對人工光照和空調(diào)的需求；（2）采用高效的隔熱材料和節(jié)能設備，如高效節(jié)能燈具、節(jié)能空調(diào)等；（3）使用可再生能源，如太陽能、風能等，滿足建筑的部分能源需求；（4）采用智能化控制系統(tǒng)，對建筑設備進行精細化管理，減少能源的浪費。

1.2 節(jié)水設計

節(jié)水是綠色建筑設計的另一個重要要點。全球水資源日益緊缺，因此減少建筑的用水量對于環(huán)境和可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。建筑設計中常用的節(jié)水措施如下。

（1）采用節(jié)水設備，如節(jié)水型馬桶、節(jié)水型水龍頭等；（2）采用雨水收集系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)，利用雨水進行植物的灌溉和建筑的清洗等；（3）優(yōu)化建筑的景觀設計，采用低水耗植物，減少澆水量；（4）采用水回收系統(tǒng)，將污水經(jīng)過處理后再利用于灌溉等非飲用用途。

1.3 材料選擇理念

材料選擇是綠色建筑設計中至關(guān)重要的一環(huán)。合理選擇材料不僅可以減少對環(huán)境的污染，還可以延長建筑的使用壽命，減少建筑的更新和維護成本[6]。以下是一些材料選擇策略。

（1）選擇可再生和可降解的材料，如竹木材、生物質(zhì)材料等；（2）選擇節(jié)能、環(huán)保、低碳的建筑材料，如低VOC（揮發(fā)性有機物）涂料、再生木材等；（3）選擇具有較高環(huán)境適應性的材料，如耐久性較強、適應性廣的材料。

2 基于火用指標的建筑生命周期評估

本優(yōu)化研究中考慮的影響類別應包括自然資源消耗、全球變暖、酸化和臭氧消耗，而不考慮其他局部和瞬態(tài)影響，如生態(tài)毒性和光化學煙霧。本文所考慮的排放僅限于三種主要的溫室氣體和兩種主要的酸性氣體?；鹩茫╡xergy）是“當系統(tǒng)從給定狀態(tài)過渡到與環(huán)境平衡時，可以從由所研究的系統(tǒng)和環(huán)境組成的組合系統(tǒng)中提取的最大理論功”。與能量不同，由于過程的不可逆性，火用總是會被破壞?；鹩檬且粋€廣泛的屬性，一旦指定了環(huán)境，其值就由系統(tǒng)的狀態(tài)決定。

本文將火用納入建筑生命周期評估問題中，視為評價生命周期環(huán)境影響的統(tǒng)一指標。為了便于以下描述，生命周期階段分為運行前階段和運行階段。運營前階段包括與階段相關(guān)的自然資源開采、建筑材料生產(chǎn)、現(xiàn)場施工和運輸。計算累積火用消耗有三種方法：過程分析、累積火用消耗平衡方程、累積能源消耗的擴展。本文中使用的最后一種方法是基于累積能量消耗計算累積火用消耗，因為該累積能量消耗可以從一些可用的生命周期評價工具中方便地獲得，因此，累積火用消耗（CExC）可以表示為：

其中，CExCPP表示運行前階段的累積火用消耗（MJ）；CExCOP表示運行階段的累積火用消耗（MJ）；ENj表示在運行前階段消耗的材料j 的內(nèi)能（MJ）；ONj 表示材料j 的年現(xiàn)場運行能量（MJ）；ek表示非燃料材料的化學火用k（MJ/kg）；mk表示非燃料材料的質(zhì)量k（kg）；n表示建筑物的預期壽命（年）；αj表 示材料j的火用和能量含量之間的比率；ηj表示材料j 的生產(chǎn)和交付的總體效率。

3 多目標優(yōu)化模型

優(yōu)化模型由變量、約束條件以及目標函數(shù)組成。本文的模型專注于建筑圍護系統(tǒng)，因為它在確定建筑的環(huán)境性能和經(jīng)濟性能方面都很重要，該方法也同樣可以應用于大范圍的其他建筑系統(tǒng)，如供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)。

3.1 變量

離散變量和連續(xù)變量用于定義建筑設計方案。例如某些變量（如窗戶類型）只能是具有可用窗戶類型列表的離散類型。其中方向變量可以假設為0°和90°之間的任何值，也可以從預設列表中選擇一個，如0°、15°或30°。在這項研究中，建筑物被限制為具有已知總建筑面積的矩形。圖1 說明了一些變量的定義，變量具體定義如下。

圖1 方向和縱橫比的定義

（1）建筑方向（OR），以度（°）為單位，順時針方向為正。

（2）建筑平面圖的縱橫比（AR）a/b，其中a 和b的定義如圖1 所示。

（3）窗戶類型定義了窗戶構(gòu)造（WIT）。

（4）每個建筑立面的窗墻比（WR）。

（5）墻類型（WAT）通過一系列圖層進行定義。砌體空心墻，例如，它由包層、空腔、隔熱層、防潮層、砌體結(jié)構(gòu)和飾面的層序列組成。

（6）每層墻（WL）都定義了所選的實際材質(zhì)。例如，墻壁類型的絕緣層可以是76.2 mm 的玻璃纖維氈或101.6 mm 的礦棉氈。

（7）屋頂類型（RT）定義了具有一系列圖層的屋頂配置。例如，緊湊型傳統(tǒng)屋頂類型由屋頂膜、隔熱層、結(jié)構(gòu)和飾面組成，從外到內(nèi)依次排列。

（8）屋頂?shù)拿恳粚樱≧L）都定義選定的實際材質(zhì)。

3.2 約束

在該優(yōu)化模型中考慮了兩種類型的約束（連續(xù)變量或者離散變量）。例如，如果WR 被設置為連續(xù)變量，并且下限值和上限值分別為0.2 和0.8，則相應的約束為0.2≤WR≤0.8。選擇約束為離散變量提供了一組預定義的備選方案，例如，WT 可以限制為三種可用的窗類型之一：雙層透明玻璃、三層透明玻璃和具有低輻射率涂層的雙層玻璃。

3.3 目標函數(shù)

由于本研究的目的是幫助設計師實現(xiàn)具有成本效益的綠色建筑設計，因此選擇生命周期成本（LCC）和生命周期環(huán)境影響（LCEI）作為使用優(yōu)化模型最小化的兩個目標函數(shù)。設X 表示變量向量，計算LCC 和LCEI 的通用表達式為

其中，IC 為建筑圍護結(jié)構(gòu)的初始施工成本，包括外墻、窗戶、屋頂和地板（美元）；OC 為生命周期運營成本，包括需求成本和能源消耗成本（美元）；EE 為運營前階段造成的環(huán)境影響（MJ）；OE 為運營階段造成的環(huán)境影響（MJ）；A batExPP為運行前階段的減排（火用）消耗（MJ）；A batExOP為由于運行階段（MJ）引起的減少（火用）消耗。

4 案例研究

本文以某棟單層辦公樓的設計為例進行了研究。該建筑的地上總面積為1 000 m2，預期壽命為40 年。樓板類型為梁系統(tǒng)上的開腹式鋼托梁，頂部為混凝土，地面至屋頂高度為3.6 m。該建筑選用的窗戶類型為低雙層玻璃，空氣空間為12.7 mm。墻類型是鋼框架墻，由粘土磚覆層、空氣空間、空氣屏障、護套、帶空腔隔熱的鋼釘、蒸汽屏障和飾面組成。只考慮了一種緊湊的傳統(tǒng)屋頂系統(tǒng)，由壓艙物、屋頂膜、隔熱層、結(jié)構(gòu)和飾面組成。砌體空心墻和屋頂采用兩種剛性隔熱材料：發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）和擠塑聚苯乙烯（XPS）。鋼框架墻采用兩種類型的保溫氈：玻璃纖維氈和巖棉氈。

對于結(jié)構(gòu)化多目標遺傳算法的實現(xiàn)，指定了以下參數(shù)：交叉概率=0.9，突變概率=0.02，最大生成數(shù)=200，種群規(guī)模=40，外部種群容量=30，從外部種群引入到原始種群的每一代是10，假設水力發(fā)電占主導地位。由于對于大多數(shù)實際問題很難獲得實際的全局Pareto 前沿，因此從收斂良好的外部種群中的個體繪制的曲線可以被視為具有合理精度的Pareto 前沿。從圖2 中可以看出，帕累托前沿由三個孤立的區(qū)域組成，在圖2 中分別表示為區(qū)域A、B 和C。帕累托區(qū)域A 中的解決方案成本較低但環(huán)境影響較大，區(qū)域C 中的解決方法成本較低，但成本較大，區(qū)域B 中的解決方案對這兩個標準都具有中間值。

圖2 優(yōu)化空間內(nèi)的初始、最終和外部搜索結(jié)果的分布

針對以上不同的帕累托區(qū)域研究每個標準的詳細組成部分，初始成本占比很大。這是由于幾個原因造成的：首先電價較低；其次，照明不包括在運營成本中，因為它被視為一個常數(shù)，因此不會影響最佳解決方案；第三，地板和屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較高的施工成本。

5 結(jié)論

綠色建筑設計是當前建筑領(lǐng)域的熱點和趨勢，具有重要的環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展意義。在追求可持續(xù)社會的過程中，改善建筑的環(huán)境性能具有至關(guān)重要的作用。本文提出的多目標優(yōu)化模型可用于在給定條件下定位最優(yōu)或接近最優(yōu)的綠色建筑設計。案例研究表明，帕累托解由具有不同最優(yōu)解的離散區(qū)域組成。對于所有帕累托解，一些變量的最佳值因不同的帕累托解或帕累托區(qū)域而異。本研究未來將采用考慮采光的多目標優(yōu)化設計。