【學員問題】建筑節(jié)能并行的設計研究？

　　【解答】有關研究表明：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。建筑設計方案是否滿足節(jié)能設計要求在很大程度上決定了其整個壽命周期內(nèi)是否達到建筑節(jié)能的目的，通過設計降低建筑的能耗，可減少全球的能耗，有利于保持整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。節(jié)能建筑的設計與評價密不可分，節(jié)能評價是實現(xiàn)建筑節(jié)能設計的必要手段，節(jié)能建筑的設計要求建筑設計人員在設計階段對所設計的建筑進行建筑能耗分析，以評價建筑方案是否節(jié)能。

　　1、建筑節(jié)能設計方法現(xiàn)狀

　　目前常用的建筑節(jié)能設計方法有兩種：按規(guī)定性指標設計和按性能性指標設計。按規(guī)定性指標設計是指建筑物體形特征和圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等均按有關建筑節(jié)能標準進行設計。性能性指標由建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標和能耗指標兩部分組成，按性能性指標設計是指在同時滿足建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標和能耗指標的前提下，設計人員可自行確定建筑物體形特征和圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等的具體技術參數(shù)。

　　按規(guī)定性指標設計使設計人員擺脫了復雜的計算分析，在保證工程設計的合理性和成功方面有重大作用，但由于確定規(guī)定性指標主要考慮普遍情況，而每一個工程都有其不同于普遍情況的特殊性，因此規(guī)定性指標對適用范圍內(nèi)的一個具體工程往往不是最佳的，即按規(guī)定性指標很難進行優(yōu)化設計，同時按規(guī)定性指標設計容易阻礙新技術的應用和壓抑設計人員的創(chuàng)造性。按性能性指標設計使建筑節(jié)能設計標準具有充分的靈活性，為新技術的采用和具體工程項目的最優(yōu)化創(chuàng)造了條件。其信息流如圖1所示，圖中各個設計信息對應于建筑物體形特征設計、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等設計內(nèi)容。

　　按性能性指標設計需要對所設計建筑進行能耗分析，進而評價所設計的建筑是否節(jié)能，建筑能耗計算方法和節(jié)能評價方法的選擇成為這種設計方法的重要內(nèi)容。國內(nèi)對建筑節(jié)能評價的研究相對缺乏，目前建筑節(jié)能評價通常采用比較建筑能耗計算值和相關節(jié)能標準指標值的方法，建筑能耗計算值則通過相應的能耗分析軟件獲得，若評價結(jié)果表明所設計的建筑并不節(jié)能，則需要設計人員憑借個人的設計經(jīng)驗對設計方案進行反復修改。國外已基本解決建筑節(jié)能設計標準靈活性和建筑節(jié)能評價方法問題，初步實現(xiàn)了建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能平衡分析，但設計信息與評價信息之間缺乏溝通，尚未實現(xiàn)建筑設計過程的動態(tài)評價和建筑設計的全局優(yōu)化。

　　可見，按性能性指標進行建筑節(jié)能設計存在如下缺點：（1）過于依賴能耗分析軟件。（2）過于依賴設計人員的設計經(jīng)驗。實際上，目前得到權(quán)威結(jié)構(gòu)確認的能耗分析軟件數(shù)量不多且推廣程度不大，就能耗分析軟件本身而言，仍存在提高運行速度、改進人機界面等問題；而設計人員的經(jīng)驗需要長期積累。鑒于現(xiàn)有建筑節(jié)能設計方法的局限性，探索新的設計方法成為必然，本文擬采用并行設計思想，提出建筑節(jié)能并行設計方法，實現(xiàn)設計過程和評價過程的交叉、并行及協(xié)調(diào)。

　　2、建筑節(jié)能并行設計理論基礎

　　2.1建筑節(jié)能設計信息模型

　　信息科學是以信息為研究對象、信息的運動規(guī)律為研究內(nèi)容，把擴展人的信息功能作為研究目標的科學[1，2].依據(jù)性質(zhì)來分類，信息可分為語法信息、語義信息和語用信息。語法信息指事物運動的狀態(tài)和方式；語義信息指事物運動狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的含義；語用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的效用。

　　設計是為實現(xiàn)一定目標而尋求和選擇滿意的備選方案的活動，它反映出設計對象的狀態(tài)，因此建筑節(jié)能設計可看成一種語法信息，節(jié)能設計的過程就是信息的運動過程，信息運動規(guī)律可應用于設計過程中。信息科學研究的信息運動規(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)能并行設計中，設計對象是指節(jié)能設計的對象，即建筑平臺；設計主體為設計人員和計算機軟、硬件系統(tǒng)；設計對象本身所包含的設計信息即為產(chǎn)生信息；信息提取過程是指設計主體從設計對象提取試探性設計所需信息的過程；信息處理過程是設計主體根據(jù)試探性設計信息進行節(jié)能評價的過程；設計主體根據(jù)設計目標和信息處理結(jié)果產(chǎn)生決策信息，這一過程即為信息再生過程；設計主體根據(jù)決策信息進行確定性設計的過程就是信息的施用過程；作用于設計對象的確定性設計信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設計主體完成。

　　2.2并行設計理論

　　并行設計屬于設計理論和方法學的范疇[3，4，5]，其本身也是設計理論和方法學的研究對象。并行設計強調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調(diào)，其實質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設計——評價——再設計”的大循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚?ldquo;設計——評價——再設計”小循環(huán)，以便盡可能早地發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題。工程設計本質(zhì)上是順序性、交互性的，所謂“并行”并不是指同時進行，而是指逐步、交替地實現(xiàn)設計、工藝、管理等活動，在設計階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關后續(xù)環(huán)節(jié)的約束，由此，并行設計所說的“并行化”應當理解為通過對產(chǎn)品設計對象和設計進程的精心分解，達到有效的協(xié)同實施開發(fā)周期中諸多子活動、子任務的目的。

　　從信息科學角度看，設計過程可分成分析、綜合、評價三個過程組成，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能工作的整體，提供多個備選方案；評價的作用是檢驗設計方案是否能實現(xiàn)既定目標。分析和評價都需要接受評價產(chǎn)生的反饋信息，設計者反復回到設計過程的起點，完善和改進設計方案，直到滿足設計的需求。

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

　　開發(fā)的微循環(huán)模型可以實現(xiàn)上述設計的并行要求，其基本思想是把工程設計過程分解成一系列的設計微循環(huán)過程。在每個微循環(huán)中，根據(jù)已知的信息內(nèi)容可以同時進行從概念設計到詳細設計中的一些或全部的活動環(huán)節(jié)。微循環(huán)模型是一種宏觀上并行、微觀上順序的機制。將設計對象分解成子對象，宏觀上并行的機制使得設計人員可以同時工作于設計對象的不同方面，從而縮短了整個設計周期；而微觀上順序的機制使得從概念設計到詳細設計的各個具體活動環(huán)節(jié)仍然有完整的信息而得以繼續(xù)進行。

　　3、建筑節(jié)能并行設計過程

　　3.1建筑節(jié)能并行設計過程分解

　　建筑節(jié)能并行設計的設計分解應根據(jù)建筑節(jié)能設計的一般規(guī)律來進行。綜合考慮建筑節(jié)能評價的17個分項指標[6]，將建筑節(jié)能并行設計過程分解成如下四個步驟：

　�、俳ㄖ�所在地選擇。采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)、采暖期太陽總輻射量、空調(diào)期太陽總輻射量等4個室外氣象特征固化于建筑所在地，在建筑節(jié)能并行設計中，當建筑所在地確定后，這4個參數(shù)即為常量，無需進行節(jié)能評價。

　�、隗w型特征設計。體型特征設計的內(nèi)容包括：極限體型系數(shù)設計、體型完善系數(shù)設計、建筑朝向設計等。為方便用戶輸入，建筑節(jié)能并行設計軟件實現(xiàn)時可將3個體型特征的輸入轉(zhuǎn)換為輸入建筑長度、寬度、層高、層數(shù)和朝向。

　　③窗墻比設計。窗墻比設計是指建筑前向、后向、左向、右向窗墻比的設計。建筑節(jié)能并行設計軟件實現(xiàn)時可將前向、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。

　�、軜�(gòu)件類型設計。構(gòu)件類型設計的內(nèi)容包括：屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱惰性設計，外墻傳熱系數(shù)、熱惰性設計，窗戶傳熱系數(shù)、吸收系數(shù)設計。

　　3.2建筑節(jié)能并行設計過程修正

　　在建筑節(jié)能并行設計中，“設計——評價——再設計”大循環(huán)被分解成多個“設計——評價——再設計”小循環(huán)，各個小循環(huán)的設計通常不能一次性完成，而是需要根據(jù)節(jié)能評價結(jié)果修正設計，因此建筑節(jié)能并行設計過程是試探性的、循環(huán)的過程。

　　小循環(huán)中，窗墻比設計修正和構(gòu)件類型設計修正相對復雜。為提高建筑節(jié)能并行設計效率，窗墻比設計修正應解決東向、南向、西向、北向窗墻比設計修正的次序問題；構(gòu)件類型設計修正應解決外窗、外墻、屋面設計修正的次序問題。本文根據(jù)建筑節(jié)能綜合指標隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，分別對窗墻比設計和構(gòu)件類型設計的修正順序進行排序。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，窗墻比設計修正優(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)能綜合指標隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化，耗熱量指標隨外墻傳熱系數(shù)的變化率較大；全年耗電量、耗冷量指標隨外墻傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化率基本一致�？紤]窗戶是建筑圍護結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)，其傳熱系數(shù)通常遠大于外墻和屋面的傳熱系數(shù)，構(gòu)件類型設計修正時應優(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)能并行設計過程搜索策略微循環(huán)微循環(huán)

　　由于對建筑節(jié)能并行設計過程進行了分解，小循環(huán)中建筑節(jié)能評價存在評價信息不完全[7]的情況，本文采用缺省參數(shù)代替不完全信息。設計過程中，試探性設計方案由實際設計輸入?yún)��?shù)和缺省參數(shù)組成。由于缺省參數(shù)的選取具有隨機性，若沒有有效的搜索策略，將會產(chǎn)生試探性設計方案組合爆炸，從而降低建筑節(jié)能并行設計的效率。

　　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。盲目搜索按預定控制策略進行搜索，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的信息。因此，盲目搜索不涉及語義、語用層次的信息，適合于語法層次信息的搜索，而啟發(fā)式搜索則適合于語義、語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：先選擇一個規(guī)則，然后應用這個規(guī)則；如果它不能求得解答或離解答越來越遠就舍棄這個規(guī)則而另選一個規(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則通常有三個：

　�、偻陚湫�。即只要問題有解，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。即增強搜索的目的性，盡量避免產(chǎn)生及考察無用的選項。

　�、劭刂崎_銷小。即要求搜索策略實現(xiàn)簡單，選擇及調(diào)度可用知識的開銷盡可能小。

　　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)能評價特點的基礎上，提出以兩個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)能的評價指標，如：選取墻體類型的缺省參數(shù)時，傳熱系數(shù)最大（�。┑倪x擇項即為最不（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準則，可以避免節(jié)能評價指標組合爆炸，提高建筑節(jié)能并行設計的效率。

　　5、結(jié)語

　�。�1）對建筑設計過程進行分解，提出建筑節(jié)能并行設計微循環(huán)模型，實現(xiàn)節(jié)能設計與節(jié)能評價的并行。

　�。�2）通過比較建筑節(jié)能綜合指標隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，指出窗墻比設計和建筑構(gòu)件設計時的修正次序。

　�。�3）采用以極端情況為規(guī)則的回溯搜索策略，可避免試探性設計過程設計方案組合爆炸，有利于提高設計效率。

　　以上內(nèi)容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。