建筑節(jié)能并行的設(shè)計(jì)研究

　　【學(xué)員問題】建筑節(jié)能并行的設(shè)計(jì)研究？

　　【解答】有關(guān)研究表明：全球的能源消耗中，45%用于滿足建筑物的取暖、制冷和采光等要求，5%用于建筑物的建造過程。建筑設(shè)計(jì)方案是否滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求在很大程度上決定了其整個(gè)壽命周期內(nèi)是否達(dá)到建筑節(jié)能的目的，通過設(shè)計(jì)降低建筑的能耗，可減少全球的能耗，有利于保持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)密不可分，節(jié)能評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要手段，節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)要求建筑設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑進(jìn)行建筑能耗分析，以評(píng)價(jià)建筑方案是否節(jié)能。

　　1、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

　　目前常用的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法有兩種：按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)和按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)。按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)是指建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等均按有關(guān)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。性能性指標(biāo)由建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)兩部分組成，按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)是指在同時(shí)滿足建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)的前提下，設(shè)計(jì)人員可自行確定建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等的具體技術(shù)參數(shù)。

　　按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員擺脫了復(fù)雜的計(jì)算分析，在保證工程設(shè)計(jì)的合理性和成功方面有重大作用，但由于確定規(guī)定性指標(biāo)主要考慮普遍情況，而每一個(gè)工程都有其不同于普遍情況的特殊性，因此規(guī)定性指標(biāo)對(duì)適用范圍內(nèi)的一個(gè)具體工程往往不是最佳的，即按規(guī)定性指標(biāo)很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)容易阻礙新技術(shù)的應(yīng)用和壓抑設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性。按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)使建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有充分的靈活性，為新技術(shù)的采用和具體工程項(xiàng)目的最優(yōu)化創(chuàng)造了條件。其信息流如圖1所示，圖中各個(gè)設(shè)計(jì)信息對(duì)應(yīng)于建筑物體形特征設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

　　按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)需要對(duì)所設(shè)計(jì)建筑進(jìn)行能耗分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的建筑是否節(jié)能，建筑能耗計(jì)算方法和節(jié)能評(píng)價(jià)方法的選擇成為這種設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)對(duì)建筑節(jié)能評(píng)價(jià)的研究相對(duì)缺乏，目前建筑節(jié)能評(píng)價(jià)通常采用比較建筑能耗計(jì)算值和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的方法，建筑能耗計(jì)算值則通過相應(yīng)的能耗分析軟件獲得，若評(píng)價(jià)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的建筑并不節(jié)能，則需要設(shè)計(jì)人員憑借個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)修改。國(guó)外已基本解決建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)靈活性和建筑節(jié)能評(píng)價(jià)方法問題，初步實(shí)現(xiàn)了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能平衡分析，但設(shè)計(jì)信息與評(píng)價(jià)信息之間缺乏溝通，尚未實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和建筑設(shè)計(jì)的全局優(yōu)化。

　　可見，按性能性指標(biāo)進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)存在如下缺點(diǎn)：（1）過于依賴能耗分析軟件。（2）過于依賴設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際上，目前得到權(quán)威結(jié)構(gòu)確認(rèn)的能耗分析軟件數(shù)量不多且推廣程度不大，就能耗分析軟件本身而言，仍存在提高運(yùn)行速度、改進(jìn)人機(jī)界面等問題；而設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)需要長(zhǎng)期積累。鑒于現(xiàn)有建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法的局限性，探索新的設(shè)計(jì)方法成為必然，本文擬采用并行設(shè)計(jì)思想，提出建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程和評(píng)價(jià)過程的交叉、并行及協(xié)調(diào)。

　　2、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

　　2.1建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息模型

　　信息科學(xué)是以信息為研究對(duì)象、信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為研究?jī)?nèi)容，把擴(kuò)展人的信息功能作為研究目標(biāo)的科學(xué)[1，2].依據(jù)性質(zhì)來分類，信息可分為語(yǔ)法信息、語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息。語(yǔ)法信息指事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式；語(yǔ)義信息指事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的含義；語(yǔ)用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的效用。

　　設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)而尋求和選擇滿意的備選方案的活動(dòng)，它反映出設(shè)計(jì)對(duì)象的狀態(tài)，因此建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可看成一種語(yǔ)法信息，節(jié)能設(shè)計(jì)的過程就是信息的運(yùn)動(dòng)過程，信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律可應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中。信息科學(xué)研究的信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括信息產(chǎn)生、信息提取、信息再生、信息施效等四類。

　　在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)對(duì)象是指節(jié)能設(shè)計(jì)的對(duì)象，即建筑平臺(tái)；設(shè)計(jì)主體為設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)；設(shè)計(jì)對(duì)象本身所包含的設(shè)計(jì)信息即為產(chǎn)生信息；信息提取過程是指設(shè)計(jì)主體從設(shè)計(jì)對(duì)象提取試探性設(shè)計(jì)所需信息的過程；信息處理過程是設(shè)計(jì)主體根據(jù)試探性設(shè)計(jì)信息進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)的過程；設(shè)計(jì)主體根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和信息處理結(jié)果產(chǎn)生決策信息，這一過程即為信息再生過程；設(shè)計(jì)主體根據(jù)決策信息進(jìn)行確定性設(shè)計(jì)的過程就是信息的施用過程；作用于設(shè)計(jì)對(duì)象的確定性設(shè)計(jì)信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設(shè)計(jì)主體完成。

　　2.2并行設(shè)計(jì)理論

　　并行設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)的范疇[3，4，5]，其本身也是設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)的研究對(duì)象。并行設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調(diào)，其實(shí)質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”的大循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚摹霸O(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”小循環(huán)，以便盡可能早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。工程設(shè)計(jì)本質(zhì)上是順序性、交互性的，所謂“并行”并不是指同時(shí)進(jìn)行，而是指逐步、交替地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、管理等活動(dòng)，在設(shè)計(jì)階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關(guān)后續(xù)環(huán)節(jié)的約束，由此，并行設(shè)計(jì)所說的“并行化”應(yīng)當(dāng)理解為通過對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象和設(shè)計(jì)進(jìn)程的精心分解，達(dá)到有效的協(xié)同實(shí)施開發(fā)周期中諸多子活動(dòng)、子任務(wù)的目的。

　　從信息科學(xué)角度看，設(shè)計(jì)過程可分成分析、綜合、評(píng)價(jià)三個(gè)過程組成，其通用模型如圖4所示。分析的作用是根據(jù)事物的功能需求，把客觀世界簡(jiǎn)化為模型，把問題分解到可以解決的程度；綜合的作用是把元素組合成一個(gè)能工作的整體，提供多個(gè)備選方案；評(píng)價(jià)的作用是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否能實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。分析和評(píng)價(jià)都需要接受評(píng)價(jià)產(chǎn)生的反饋信息，設(shè)計(jì)者反復(fù)回到設(shè)計(jì)過程的起點(diǎn)，完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到滿足設(shè)計(jì)的需求。

　　設(shè)計(jì)過程從總體上來說是順序性的，但設(shè)計(jì)過程可分成多個(gè)階段，各階段包括若干子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)分別工作于設(shè)計(jì)對(duì)象的不同方面。設(shè)計(jì)過程中不一定要等所有子任務(wù)完成后才開始后續(xù)設(shè)計(jì)活動(dòng)，如果有與之相適應(yīng)的描述設(shè)計(jì)對(duì)象的方式，使得提前進(jìn)行的下游環(huán)節(jié)子任務(wù)仍然有他們所需的完整信息，那就完全有可能把子任務(wù)按其處理對(duì)象重新組成一些彼此相對(duì)獨(dú)立的工作循環(huán)，并使這些工作循環(huán)在一定程度上并行進(jìn)行。

　　開發(fā)的微循環(huán)模型可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的并行要求，其基本思想是把工程設(shè)計(jì)過程分解成一系列的設(shè)計(jì)微循環(huán)過程。在每個(gè)微循環(huán)中，根據(jù)已知的信息內(nèi)容可以同時(shí)進(jìn)行從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)中的一些或全部的活動(dòng)環(huán)節(jié)。微循環(huán)模型是一種宏觀上并行、微觀上順序的機(jī)制。將設(shè)計(jì)對(duì)象分解成子對(duì)象，宏觀上并行的機(jī)制使得設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)工作于設(shè)計(jì)對(duì)象的不同方面，從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期；而微觀上順序的機(jī)制使得從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的各個(gè)具體活動(dòng)環(huán)節(jié)仍然有完整的信息而得以繼續(xù)進(jìn)行。

　　3、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程

　　3.1建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程分解

　　建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)分解應(yīng)根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一般規(guī)律來進(jìn)行。綜合考慮建筑節(jié)能評(píng)價(jià)的17個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)[6]，將建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程分解成如下四個(gè)步驟：

　?、俳ㄖ诘剡x擇。采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)、采暖期太陽(yáng)總輻射量、空調(diào)期太陽(yáng)總輻射量等4個(gè)室外氣象特征固化于建筑所在地，在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中，當(dāng)建筑所在地確定后，這4個(gè)參數(shù)即為常量，無需進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。

　?、隗w型特征設(shè)計(jì)。體型特征設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：極限體型系數(shù)設(shè)計(jì)、體型完善系數(shù)設(shè)計(jì)、建筑朝向設(shè)計(jì)等。為方便用戶輸入，建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)可將3個(gè)體型特征的輸入轉(zhuǎn)換為輸入建筑長(zhǎng)度、寬度、層高、層數(shù)和朝向。

　　③窗墻比設(shè)計(jì)。窗墻比設(shè)計(jì)是指建筑前向、后向、左向、右向窗墻比的設(shè)計(jì)。建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)可將前向、后向、左向、右向窗墻比的輸入分別轉(zhuǎn)化為窗戶寬度、高度和窗戶數(shù)量的輸入。

　　④構(gòu)件類型設(shè)計(jì)。構(gòu)件類型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱惰性設(shè)計(jì)，外墻傳熱系數(shù)、熱惰性設(shè)計(jì)，窗戶傳熱系數(shù)、吸收系數(shù)設(shè)計(jì)。

　　3.2建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程修正

　　在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中，“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”大循環(huán)被分解成多個(gè)“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”小循環(huán)，各個(gè)小循環(huán)的設(shè)計(jì)通常不能一次性完成，而是需要根據(jù)節(jié)能評(píng)價(jià)結(jié)果修正設(shè)計(jì)，因此建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程是試探性的、循環(huán)的過程。

　　小循環(huán)中，窗墻比設(shè)計(jì)修正和構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正相對(duì)復(fù)雜。為提高建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)效率，窗墻比設(shè)計(jì)修正應(yīng)解決東向、南向、西向、北向窗墻比設(shè)計(jì)修正的次序問題；構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正應(yīng)解決外窗、外墻、屋面設(shè)計(jì)修正的次序問題。本文根據(jù)建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，分別對(duì)窗墻比設(shè)計(jì)和構(gòu)件類型設(shè)計(jì)的修正順序進(jìn)行排序。分析變化率采用的建筑模型主要參數(shù)如下：建筑面積10×10㎡，層高2.8m，外墻傳熱系數(shù)為1.54W/（㎡.K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.93W/（㎡.K），窗戶傳熱系數(shù)為3.1W/（㎡.K），窗墻比為0.35，通風(fēng)次數(shù)為1次/h.能耗分析工具采用DeST軟件。

　　建筑節(jié)能綜合指標(biāo)耗電量隨窗墻比的變化。建筑全年耗電量隨窗墻比的變化率從大到小依次為西向、東向、北向、南向；耗熱量隨窗墻比的變化以南向最為明顯；耗冷量隨窗墻比的變化南、北向相差不大。對(duì)于住宅建筑，東向、西向山墻通常不開窗或者所開窗屬于廚房等不控溫房間，窗墻比設(shè)計(jì)修正優(yōu)先修改南向窗墻比，然后是北向窗墻比，接著是西向、東向窗墻比。

　　建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化，耗熱量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)的變化率較大；全年耗電量、耗冷量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化率基本一致。考慮窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)，其傳熱系數(shù)通常遠(yuǎn)大于外墻和屋面的傳熱系數(shù)，構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正時(shí)應(yīng)優(yōu)先修改窗戶的類型，其次修改外墻類型，最后修改屋面類型。

　　4、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程搜索策略微循環(huán)微循環(huán)

　　由于對(duì)建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了分解，小循環(huán)中建筑節(jié)能評(píng)價(jià)存在評(píng)價(jià)信息不完全[7]的情況，本文采用缺省參數(shù)代替不完全信息。設(shè)計(jì)過程中，試探性設(shè)計(jì)方案由實(shí)際設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)和缺省參數(shù)組成。由于缺省參數(shù)的選取具有隨機(jī)性，若沒有有效的搜索策略，將會(huì)產(chǎn)生試探性設(shè)計(jì)方案組合爆炸，從而降低建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的效率。

　　常用的搜索策略有盲目搜索和啟發(fā)式搜索兩類，盲目搜索包括回溯搜索、廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索等。盲目搜索按預(yù)定控制策略進(jìn)行搜索，搜索過程中獲得的中間信息不用來改變控制策略；啟發(fā)式搜索需要有與問題本身有關(guān)的信息。因此，盲目搜索不涉及語(yǔ)義、語(yǔ)用層次的信息，適合于語(yǔ)法層次信息的搜索，而啟發(fā)式搜索則適合于語(yǔ)義、語(yǔ)用層次的信息的搜索?；厮菟阉鞑呗允且环N試探性的搜索策略，其基本思路是：先選擇一個(gè)規(guī)則，然后應(yīng)用這個(gè)規(guī)則；如果它不能求得解答或離解答越來越遠(yuǎn)就舍棄這個(gè)規(guī)則而另選一個(gè)規(guī)則，經(jīng)過若干次回溯，終究可以得到解答。

　　衡量搜索策略性能的準(zhǔn)則通常有三個(gè)：

　?、偻陚湫浴＜粗灰獑栴}有解，在搜索策略的控制下就一定能找到解。

　?、诒M量避免無用搜索。即增強(qiáng)搜索的目的性，盡量避免產(chǎn)生及考察無用的選項(xiàng)。

　?、劭刂崎_銷小。即要求搜索策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，選擇及調(diào)度可用知識(shí)的開銷盡可能小。

　　本文擬采用回溯搜索策略。為提高回溯搜索的效率，在分析建筑節(jié)能評(píng)價(jià)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以兩個(gè)極端情況作為回溯搜索的規(guī)則，從而大大減少規(guī)則的數(shù)量。所謂極端情況，就是最不利情況和最有利情況。最不（有）利情況是指選取最不（有）利于節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如：選取墻體類型的缺省參數(shù)時(shí)，傳熱系數(shù)最大（?。┑倪x擇項(xiàng)即為最不（有）利情況。采用極端情況作為規(guī)則的回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能的三個(gè)準(zhǔn)則，可以避免節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)組合爆炸，提高建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的效率。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　（1）對(duì)建筑設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分解，提出建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)微循環(huán)模型，實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)與節(jié)能評(píng)價(jià)的并行。

　?。?）通過比較建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，指出窗墻比設(shè)計(jì)和建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的修正次序。

　?。?）采用以極端情況為規(guī)則的回溯搜索策略，可避免試探性設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)方案組合爆炸，有利于提高設(shè)計(jì)效率。