【曲阜勤能工业服务集团有限公司】基于寒冷地区气候适应性的大空间建筑形体优化设计——以辽东湾邮轮码头客运中心为例
——以辽东湾邮轮码头客运中心为例
李晋阳1 黄 勇1 张龙巍1 张民意2 1 沈阳建筑大学建筑与规划学院 2 沈阳新建大城市规划设计有限公司 摘要： 通过辽东湾邮轮码头客运中心设计实践，探讨基于寒冷地区气候适应性的大空间建筑形体优化设计方法。在构建参数可控的建筑形体拓扑模型基础上，将大空间建筑的运行能耗和使用满意度作为优化目标，利用Grasshopper参数化平台下Ladybug和Honeybee工具进行模拟计算，利用Galapagos工具进行遗传算法优化，筛选并获取评价指标最优的建筑形体，实现能耗与舒适度的整体提升。上述“模拟—计算—筛选”的形体优化方法，为寒冷地区大空间建筑绿色设计提供新的思路，对我国绿色建筑的发展有着重要意义。 关键词： 形体优化；寒冷地区；气候适应性；参数化设计；多目标耦合
CLIMATE ADAPTABILITY OPTIMIZATION OF LARGE SPACE BUILDING FORM IN COLD AREA：TAKE LIAODONG BAY CRUISE TERMINAL PASSENGER TRANSPORT CENTER AS AN EXAMPLE LI Jinyang1 HUANG Yong1 ZHANG Longwei1 ZHANG Minyi2 1 School of Architecture and Urban Planning, Shenyang Jianzhu University 2 Shenyang Xinjianda Urban Planning Design Co., Ltd. Abstract：Taking the design of Liaodong Bay cruise terminal passenger transport center as an example, the optimization method of large space building from based on climate adaptability in cold area was discussed. The topological model of building shape based on controllable parameters was studied, the energy consumption and predicted percentage of dissatisfied of large space building were taken as the optimization objectives, Ladybug and Honeybee tools were used under the platform of Grasshopper parameterization for simulation calculation, Galapagos tools were applied to genetic algorithm optimization to obtain the building shape with optimal evaluation indexes, which could improve the energy consumption and comfort degree of building. The above shape optimization methods of “simulation-calculation-selection” could provide a new idea for green design of large space buildings in cold area, and is of great significance to the development of green buildings in China. Keywords：shape optimization；cold area; climate adaptability；parametric design；multi-objective coupling DOI: 10.13204/j.gyjzG20030609 来源： 李晋阳,黄勇,张龙巍,张民意.基于寒冷地区气候适应性的大空间建筑形体优化设计——以辽东湾邮轮码头客运中心为例[J].工业建筑,2021,51(04):6-11. 在倡导节能减排的全球背景下，建筑能耗因其在社会总能耗中的巨大占比而引起广泛关注。研究表明，建筑能耗与建筑形态有着密切的关系[1]，但建筑师往往偏好独特的建筑形态，而忽视其对能耗的巨大影响。建筑形态的不合理导致运行能耗升高，仅凭设备调节和附加技术不仅难以实现节能效果，同时还造成额外的资源浪费，这一现象在寒冷气候区的大空间建筑中尤其突出。寒冷地区涉及我国天津、山东、宁夏全境；北京、河北、山西、陕西大部;辽宁南部;甘肃中、东部以及河南、安徽、江苏北部的部分地区，其主要气候特点为1月平均气温在-10～0 ℃，7月平均气温在18～28 ℃之间。这些地区冬季寒冷、日照时短，且太阳高度角较小，对建筑节能提出了极高的要求[2]。大空间建筑由于规模巨大、形态复杂、界面开放，更易受到寒冷地区极端气候的影响。而对大空间建筑地标功能的过度追求和对寒冷地区气候特征的忽视，导致大空间建筑形体缺乏足够的寒冷地区气候适应性，容积过高、日照遮挡、散热面过大等问题大量存在，不适宜的形体设计在导致巨大能耗的同时会严重影响环境舒适度[3]。因此，在设计过程中针对寒冷地区气候特征，对大空间建筑形体进行气候适应性优化，是实现大空间建筑节能和环境品质提升的必要手段。
本文提出在建筑设计阶段通过形体优化控制能耗的思路，在参数可控的建筑拓扑模型中，利用建筑性能测评工具对各方案的能耗和舒适度指标进行分析和比对，利用遗传算法对建筑拓扑模型反复迭代并筛选出目标导向下的优化建筑形态(图1)。 图1 建筑形体气候适应性优化流程
Fig.1 Optimization flow of building form based on climate adaptability 上述方法应用于辽东湾邮轮码头客运中心设计实践中，对建筑形体的优化显著地提高了建筑节能效果和舒适度指标，为寒冷气候区大空间建筑形态研究起到支撑。
辽东湾邮轮码头客运中心位于辽东沿海海岸线上(图2)，场地气候及地理环境相对复杂，建筑与环境如何和谐共生是设计中的难点，借助数字技术工具分析场地气候辅助建筑设计的意义重大[4]。基于场地周边气象站提供的气象原始数据，对场地附近干球温度、风频风速、相对湿度、太阳辐射数据进行了分析(图3、图4)。
图2 建筑区位环境 Fig.2 Building location environment a—太阳辐射；b—干球温度；c—相对湿度。 图3 场地温度、湿度、太阳辐射与风频情况 Fig.3 Temperature,humidity, solar radiation and wind rose of the site 1)由图3a可知：场地太阳辐射较为均衡，每年5月太阳辐射强度最大，全年其他时间段太阳辐射较为柔和。2)由图3b可知：场地夏季日间平均温度达到25 ℃以上，气候较为炎热；冬季日间温度时常低于零下5 ℃，气候较为寒冷。3)由图3c可知：场地夏季湿度较大，结合温度判断场地可能形成湿热环境，人体舒适度较差。全年时段湿度均较高，但大部分时间湿度均在50%至70%的舒适湿度区间内。4)由图4可知:全年风向变化较为复杂，冬季以东北风为主，夏季以西南风为主。从全年风速情况看，每年春季风力较强，平均风速高于5 m/s，室外风环境舒适度较差。
a—1月；b—2月；c—3月；d—4月；e—5月；f—6月；g—7月；h—8月；i—9月；j—10月；k—11月；l—12月。 图4 场地风频情况(8:00-18:00) m/s
Fig.4 Wind rose of the site (8：00—18：00)
为解决上述问题，我们采用了Ladybug工具对其进行定量分析。Ladybug插件是基于Grasshopper参数化设计平台开发的气候分析工具，它与多种设计平台具有良好的兼容性以及可操作性。建筑师可利用Ladybug插件进行气候数据分析，提高设计中的决策判断。Ladybug支持标准EPW天气文件，较其他气候分析软件具有更好的可视性，并且可以基于Grasshopper平台对参数进行调整，获取数据更加灵活方便。 在辽东湾邮轮码头客运中心设计方案的创作过程中，我们希望新建筑能够如同自然生长一般，与周围自然环境融为一体。经过对场地周边环境的观察与思考，最终选取海礁石作为设计出发点，希望通过模拟场地附近海岸线上层叠不规整的礁石作为建筑的形态(图5、图6)。 图5 设计概念手稿 Fig.5 Design concept manuscripts 图6 建筑形态生成与建筑形体轮廓
Fig.6 Building form generation process and building shape 基于对气候条件的分析以及对建筑设计概念的思考，建筑屋顶被设计为向东北方向延伸的坡道。坡道方向顺应了场地冬季的主导风向，既可以减少冬季迎风面的面积，又可以作为上人屋面登高望远。经过地景化的处理，建筑形体最终被确定为高低错落的两个三角形体量，大体量作为建筑主体空间使用，小体量作为设备间及辅助用房。 建筑形态拓扑模型是利用拓扑原理控制建筑形态的参数化模型[5]。建筑拓扑模型的控制参数应当符合建筑实际的功能、形态、经济成本等方面的要求，具体体现为限定拓扑模型可变参数的取值范围。在优化设计中需要依据建筑设计的设计思路、周围场地对于建筑的限定条件以及建筑设计规范等多种设置控制参数的约束条件。 在辽东湾邮轮码头客运中心方案中，由于大三角形体量是建筑主体，承担建筑的主要功能，因此优化主要针对其展开。依据建筑用地红线以及建筑内部空间功能使用的考虑，建筑地面保持基本不变，建筑形态的调整通过改变屋面坡度、立面旋转角度以及立面倾斜角度实现(图7、图8)。屋面坡度受到建筑内部功能的约束，立面旋转角度以及立面倾斜角度受到建筑美学以及环境心理学的约束，基于以上考虑确定三个约束变量参数范围：屋面坡度范围为4°～8°；立面旋转角度范围为5°～25°；立面倾斜角度范围为0°～20°。 图7 参数变量及建筑形态 Fig.7 Parameter variables and building form 图8 建筑形态的几个变化展示
Fig.8 Several changes in building form 建筑运行能耗可以作为建筑形态的评价指标。EnergyPlus建筑能耗模拟引擎由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发，被全世界广泛使用。此软件完全开源，并且与Ladybug、Honeybee插件有很好的兼容性，因此本案选用该软件对建筑能耗进行模拟。 在建筑能耗模拟过程中可以通过调整控制拓扑模型参数获得不同建筑形态下的能耗数据，本研究中三个控制参数可以形成上千种组合，即可形成上千种不同的建筑形态。利用Grasshopper平台下Galapagos全局最优解工具可以简化计算过程[6]。Galapagos工具提供遗传算法和退火算法两种优化算法，其中遗传算法可以模拟生物进化逻辑，通过样本迭代筛选出能耗最优解，为研究拓扑形态与建筑能耗的关系提供了便利。 利用Galapagos工具对建筑拓扑模型能耗进行计算，求解最小能耗及对应参数，将结果按能耗从小到大排列，前20组数据结果如表1所示。由表可知，所获得的前20组数据中屋面坡度均为4°，因此可以推测屋面坡度为4°时，建筑能耗较小；前20组数据中立面旋转角度波动范围较大，其中18°～20°占比重较大，但也存在5°的个例；前20组数据中立面倾斜角度均小于20°，前10组数据倾斜角度均小于10°，因此推定立面倾斜角度越小越好。 表1 目标函数为建筑能耗前20组数据结果 Table 1 The first 20 sets of data for building energy consumption as the objective function 建筑运行能耗并非建筑评价的唯一指标，用户使用过程中对建筑的满意度同样重要。用户使用满意度与室内温度、相对湿度以及太阳辐射情况等因素均有关系，Grasshopper平台下PMV模块可以对使用过程中的不满意度进行计算。 同样可以使用Galapagos全局最优算法运算器对样本进行迭代，探索拓扑形态与建筑使用满意度的关系。设定最大满意度为计算目标，并按照不满意度从大到小排列，前10组数据结果如表2所示。 表2 目标函数为用户满意度前20组数据结果 Table 2 The first 20 sets of data for customer satisfaction as the objective function 对数据进行分析，前20组数据用户满意度均在57.32%～57.33%之间，其屋面坡度集中在4°；立面旋转角度范围在7°～17°之间，平均值为 10°；立面倾斜角度范围在2°～8°之间，平均值为5°。虽然立面旋转角度与立面倾斜角度变化范围较大，但最终使用满意度情况接近，因此推测屋面坡度对用户使用满意度影响较大。
前文对建筑运行能耗与用户使用满意评估分别进行了计算，但从中看到两个优化目标的结果并不统一。建筑形体评价指标不限于建筑能耗与使用满意度，本文只将其作为探索寒冷地区建筑气候适应性的主要因素。不同评价指标下建筑形态可能有所不同，将不同评价指标模型进行耦合可获取综合情况下的全局最优解[7]。 由于能耗数据数量级远大于满意度数据，因此需要增加一个系数以平衡数量级。将调整后的运行能耗与用户满意度数据叠加作为Galapagos电池的计算目标，将拓扑模型的控制参数作为Galapagos电池的变量，设定求解目标最小值获取最优建筑形态[8]。将数据从低到高排列，前10组数据结果如表3所示。 表3 多目标函数前20组耦合数据结果 Table 3 The first 20 sets of coupled data for multi-objective functions 通过计算获得，建筑形态最优数据值为：屋面坡度为4°，立面旋转角度为14°，立面倾斜角度4°。其最终形态如图9所示。
图9 耦合模型最优解形态
Fig.9 The optimized shape of conpling model 对数据进行分析，前10组数据中9组数据屋面坡度为4°，推断屋面坡度在可变范围内取最小值时，即室内空间高度刚刚满足需求时，建筑能耗与使用满意度均处于较优水平。前10组数据中7组数据立面旋转角度大于12°，4组数据大于15°，确定立面旋转角度适宜范围在12°～21°之间。前10组数据中8组数据立面倾斜角度小于5°，5组数据小于4°，确定立面倾斜角度适宜范围在1°～4°之间。 本文对建筑形态的气候适应性优化研究基于建筑设计初期方案概念生成阶段，并未考虑建筑形体细化后开窗遮阳等部件对建筑能耗及使用满意度的影响。相比已完成的建筑方案，在建筑设计初期对建筑形体进行优化有着更好的灵活性与便捷性，为最终建筑形体的确立奠定了基础。 基于耦合模型计算获得建筑形态最优解，即屋面坡度为4°，立面旋转角度为14°，立面倾斜角度4°，建筑师对方案进行了深化。在现有建筑轮廓的基础上，建筑师按照功能对形体进行了划分，并引入庭院、廊道等对方案进行完善(图10～13)。 图10 辽东湾邮轮码头客运中心建筑形态：鸟瞰图
Fig.10 Aerial view of Liaodong Bay cruise terminal passenger center building 图11 辽东湾邮轮码头客运中心海面人视图
Fig.11 Sea-level view of Liaodong Bay cruise terminal passenger center building 图12 辽东湾邮轮码头客运中心主入口
Fig.12 The main entrance of Liaodong Bay cruise terminal passenger center 图13 辽东湾邮轮码头客运中心庭院
Fig.13 The center courtyard of Liaodong Bay cruise terminal passenger center 建筑师首先依据构思对坡屋顶进行处理，利用地景化的设计手法将建筑与大地融合，采用上人屋面使得地面向天空延伸，同时引入庭院营造礁石一般起伏的形态，与上人屋面共同构成室外活动空间，为枯燥旅途中的乘客提供了丰富的选择。室外庭院利用形体中空间高度不满足室内使用的部分，同时将乘客使用空间与圆孔辅助空间进行了分隔。主体建筑室内空间被分割为两层，入口右侧室内空间最高区域作为交通中庭，进出站流线组织清晰合理，满足使用功能的需求。经过建筑细节调整，形体摆脱了交通建筑单调乏味的刻板印象，为辽东湾地区注入了新的活力。 本文对建筑形体的优化方法建立在建筑初步形体概念之上，是建筑形体与气候因素关系的定量分析，是对建筑师主观设计概念的调整优化。所采用的建筑形体拓扑优化方法为建筑师提供了新的设计思路，在全球化可持续发展的大背景下具有一定意义。 以辽东湾邮轮码头客运中心设计实践为基础，提出基于“模拟—计算—筛选”的寒冷地区大空间建筑形体优化方法。
1)建筑形态模拟。借助数字建模平台构建参数可控的建筑形体拓扑模型，对合理参数范围内的建筑形态进行模拟。 2)建筑性能计算。借助数字模拟软件对生成的建筑形体的运行能耗以及使用满意度指标进行计算，分析建筑形体控制参数对建筑评价指标的影响。 3)建筑形体优化。利用遗传算法工具对建筑形体进行优化，并对计算结果进行评估筛选，进而确定用于实施的最优建筑形体。实践证明，该方法避免了以往建筑师以主观视角认识气候条件的缺陷，以定量的方式对建筑性能进行了提升，实现了寒冷地区建筑的节能与舒适目标，对促进绿色建筑在我国发展起到了理论与现实推动作用。 [1] 韩冬青, 顾震弘, 吴国栋. 以空间形态为核心的公共建筑气候适应性设计方法研究[J]. 建筑学报, 2019(4):78-84. [2] HUANG Y, ZHANG L, ZHANG M. Study on Optimizing the Cold-Adapted Form of Large Space Public Buildings[C]//The International Conference on Computational Design and Robotic Fabrication. Springer, Singapore：2019: 37-48. [3] 张龙巍,张伶伶,王超,等. 北方地区高大空间公共建筑绿色设计研究[J]. 工业建筑, 2019,49(12):63-68. [4] 毕晓健, 刘丛红. 基于Ladybug+Honeybee的参数化节能设计研究：以寒冷地区办公综合体为例[J]. 建筑学报, 2018(2):44-49. [5] 张龙巍, 黄勇. 数字技术下的建筑形体环境适应性拓扑优化[J]. 城市建筑, 2017(4):30-33. [6] 刘宇鹏, 虞刚, 徐小东. 基于遗传算法的形态与微气候环境性能自动优化方法[J]. 中外建筑, 2018(6):71-74. [7] 袁栋. 基于日照辐射得热的非标准建筑形态多目标优化设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2018. [8] JIN J T, JEONG J W. Optimization of a Free-Form Building Shape to Minimize External Thermal Load Using Genetic Algorithm[J]. Energy & Buildings, 2014,85:473-482. 来源：微信公众号工业建筑 | 
发表于 2021-9-19 14:51:01
