沈 琳，李希勝，高蓓超

(1.南京林業(yè)大學(xué) 研究生院，江蘇 南京210037;2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇南京210037)

提高建筑決策設(shè)計(jì)的質(zhì)量，在建筑決策設(shè)計(jì)階段進(jìn)行方案優(yōu)選具有十分重要的意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，方案決策設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑性能的影響達(dá)到50.2%，設(shè)計(jì)階段達(dá)到48.3%，施工和使用階段則分別為0.7%和0.8%［1］。前期方案設(shè)計(jì)決定了建筑的功效以及發(fā)生設(shè)計(jì)變更后的成本變化，項(xiàng)目全壽命期過(guò)程中各階段工作對(duì)建筑效果的影響程度以方案前期設(shè)計(jì)最為顯著［2］。

影響建筑產(chǎn)品綜合性能的設(shè)計(jì)因素眾多，屬于典型的多目標(biāo)多屬性決策問(wèn)題［3－4］。已有相關(guān)學(xué)者針對(duì)決策設(shè)計(jì)優(yōu)化開(kāi)展了研究，如TSANAS等［5］以采暖負(fù)荷和制冷負(fù)荷為評(píng)價(jià)指標(biāo)，識(shí)別高度、朝向變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響;FAIZI等［6］從熱環(huán)境、太陽(yáng)輻射、采光和遮陽(yáng)4個(gè)指標(biāo)，采用模糊決策對(duì)4個(gè)預(yù)設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)選;TAGLIABUE［7］從亮度、照度和采光系數(shù)3個(gè)方面，對(duì)3個(gè)辦公室方案進(jìn)行節(jié)能分析;LIN等［8］從能耗的角度，研究了綠色建筑方案設(shè)計(jì)階段的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)有方案優(yōu)選除了功能指標(biāo)的單一性之外，對(duì)設(shè)計(jì)因素的選擇也基本局限于單因素，如嚴(yán)鈞等［9］通過(guò)改變遮陽(yáng)板的位置、更換窗材質(zhì)、選擇不同的外墻，比較對(duì)建筑能耗的影響大小;劉金霞等［10］模擬分析了外窗遮陽(yáng)情況，得到各朝向外窗的遮陽(yáng)形式以及大小設(shè)計(jì)范圍;楊茜等［11］對(duì)相同面寬不同平面形式和不同面寬相同平面形式兩種情況進(jìn)行了自然采光的模擬，得出了建筑平面形態(tài)對(duì)自然采光的影響規(guī)律等。從以往研究來(lái)看，建筑方案設(shè)計(jì)決策主要存在以下不足:①?zèng)]有從建筑師的角度建立基于集成的決策設(shè)計(jì)影響因素集;②基于綜合的環(huán)境性能決策設(shè)計(jì)指標(biāo)體系不完善，環(huán)境性能分析以單項(xiàng)性能分析為主;③決策評(píng)價(jià)方法主觀性較強(qiáng)。

1 建筑性能模擬及灰色關(guān)聯(lián)度決策

1.1 建筑性能模擬工具

鑒于建筑本身所承載的多目標(biāo)及其環(huán)境控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，僅憑經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單的計(jì)算無(wú)法準(zhǔn)確判斷設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬手段指導(dǎo)設(shè)計(jì)是提升建筑性能的有效手段。當(dāng)前常用的建筑性能模擬分析軟件很多，常見(jiàn)的性能模擬軟件如表1所示［12］。

筆者選用Ecotect進(jìn)行方案性能模擬的原因?yàn)?①其適用于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析(green building studio，GBS;virtual environment，VE軟件也可選用)，其中包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，可以與一系列精確分析軟件相結(jié)合做進(jìn)一步的分析。依據(jù)具體項(xiàng)目所在地的氣象資料，實(shí)時(shí)反饋分析數(shù)據(jù)［13］，更加準(zhǔn)確地完成太陽(yáng)輻射、熱環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、建筑投資等綜合性能分析;②可與三維建模工具Architect Revit實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并可將分析數(shù)據(jù)直接以Excel的格式導(dǎo)出，便于后期數(shù)據(jù)處理［14］。

表1 常用的建筑模擬分析軟件

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度決策方法

灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，用來(lái)描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序。通過(guò)對(duì)灰色系統(tǒng)內(nèi)有限數(shù)據(jù)序列的分析，尋求系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)因素之間的關(guān)系，找出影響目標(biāo)值的主要因素，進(jìn)而分析各因素間的關(guān)聯(lián)程度［15］?；疑P(guān)聯(lián)度分析的具體步驟如下:

(1)確定比較數(shù)列和參考數(shù)列。設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象為m個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為n個(gè)，比較數(shù)列為:Xi={Xi(k)|k=1，2，…，n}，i=1，2，…，m;參考數(shù)列為:Xo={Xo(k)|k=1，2，…，n}。

(2)確定各指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的權(quán)重。W={Wk|k=1，2，…，n}，其中Wk為第 k個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)權(quán)重。

(3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù):

式中:ξi(k)為比較數(shù)列Xi與參考數(shù)列Xo在第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的相對(duì)差值;ρ為分辨系數(shù)，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)序列間的關(guān)聯(lián)程度選擇分辨系數(shù)，ρ∈［0，1］，一般取 ρ=0.5。

在林業(yè)的發(fā)展中，造林有著重要的作用，造林質(zhì)量的高低直接決定了林業(yè)發(fā)展的水平。因此，在林業(yè)的發(fā)展中必須加強(qiáng)營(yíng)林和造林，同時(shí)對(duì)影響其發(fā)展的因素進(jìn)行給分析，及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行解決?，F(xiàn)階段，我國(guó)的營(yíng)造林工作任務(wù)比較艱巨，同時(shí)隨著生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，這給營(yíng)造林帶來(lái)一定的難題。相關(guān)的工作者應(yīng)該努力提升造林的質(zhì)量，不斷促進(jìn)林業(yè)經(jīng)濟(jì)效能的發(fā)揮和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)。

(4)計(jì)算灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度，進(jìn)行評(píng)價(jià)分析?；疑訖?quán)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為:

式中，ri為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想對(duì)象的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小，對(duì)各評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行依次排序。

2 建筑方案設(shè)計(jì)決策模型

2.1 建筑方案設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

不同設(shè)計(jì)階段所考慮的設(shè)計(jì)因素是不同的，表2［16］列出了建筑方案決策設(shè)計(jì)階段基于集成的設(shè)計(jì)方法所應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化，形成不同的設(shè)計(jì)方案。假設(shè)選取了S個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)有Qj個(gè)變化，則總的設(shè)計(jì)方案?jìng)€(gè)數(shù)A為:

表2 建筑設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

2.2 建筑方案評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

建筑產(chǎn)品的綜合性能十分復(fù)雜，決策設(shè)計(jì)階段現(xiàn)有的基于整體性能評(píng)價(jià)體系無(wú)法統(tǒng)籌兼顧。基于建筑性能模擬的決策設(shè)計(jì)階段指標(biāo)體系既要體現(xiàn)系統(tǒng)性又不能面面俱到，筆者以Ecotect軟件所能提供的模擬分析結(jié)果為依據(jù)，提取出決策設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表3所示。

表3 基于Ecotect－GRA的建筑性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 Ecotect－GRA 評(píng)價(jià)模型

以表2所列設(shè)計(jì)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，利用Ecotect對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行性能模擬后可以得到對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值Xi，在Xi指標(biāo)數(shù)據(jù)序列中選出一個(gè)最佳值作為最優(yōu)參考數(shù)據(jù)序列Xo的各實(shí)體xok，待選的建筑設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)指標(biāo)值作為比較數(shù)列Xi的各實(shí)體xik，求關(guān)聯(lián)度ri。關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明被評(píng)價(jià)方案與建筑性能最優(yōu)的方案越相似，即關(guān)聯(lián)度大小順序就是設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選次序。具體過(guò)程如下:

對(duì)于一個(gè)由m個(gè)設(shè)計(jì)方案，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的系統(tǒng)，可有下列矩陣:，選取的參考數(shù)列為:

(2)指標(biāo)值規(guī)一化處理。為使各指標(biāo)之間可以比較，需要對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)一化處理。

(3)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)。將規(guī)范化后的數(shù)列Xo=(xo1，xo2，…，xon)作為參考數(shù)列，Xi=(xi1，xi2，…，xin)(i=1，2，…，m)作為比較數(shù)列，利用式(1)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù) ξik(i=1，2，…，m;k=1，2，…，n)，得到關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣:

式中，ξik為第i個(gè)設(shè)計(jì)方案的第k個(gè)指標(biāo)與第k個(gè)最佳指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

(4)計(jì)算單層次的關(guān)聯(lián)度。考慮到各指標(biāo)重要程度不同，關(guān)聯(lián)度計(jì)算采用加權(quán)平均。獲得子層各指標(biāo)相對(duì)于父層目標(biāo)優(yōu)先權(quán)重為:為該層中指標(biāo)個(gè)數(shù)，則關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為:

(5)計(jì)算多層評(píng)價(jià)系統(tǒng)的最終關(guān)聯(lián)度。對(duì)一個(gè)由L層組成的多層評(píng)價(jià)系統(tǒng)，最終關(guān)聯(lián)度的計(jì)算方法為:將第L層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行合成，分別得到它們所屬的上一層即L－1層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度;然后把這一層所得到的關(guān)聯(lián)度作為原始數(shù)據(jù)，繼續(xù)合成得到第L－2層各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，以此類推，直到求出最高層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度為止。

(6)建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)選。依據(jù)關(guān)聯(lián)度ri(i=1，2，…，m)大小進(jìn)行排序，關(guān)聯(lián)度的大小順序即為建筑設(shè)計(jì)方案優(yōu)選次序。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

本工程為兩層框架結(jié)構(gòu)住宅，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，建筑總面積 273.2 m2，層高 3.3 m，室內(nèi)外高差0.5 m，設(shè)計(jì)使用年限為50年，屋面防水等級(jí)為Ⅱ級(jí)，耐用年限15年，建筑耐火等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及方案確定

考慮到建筑朝向、窗材質(zhì)對(duì)建筑能耗有著直接的影響，而窗墻比的大小不僅影響著建筑能耗，還與采光系數(shù)大小有著密切聯(lián)系［17］，本案例選取建筑朝向、窗墻比和窗材質(zhì)3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)作為研究對(duì)象，即S=3。利用Ecotect的Weather Tool工具分析得到最佳朝向?yàn)?00°，分別偏離最佳朝向左右各10°，形成建筑朝向3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)變化，即Q1=3;在氣候區(qū)劃上，南京屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，“夏熱冬冷”是南京顯著氣候特征。依據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，確定窗墻比如表4所示［18］。窗尺寸設(shè)計(jì)為1 200×1 500，1 500×1 500，1 800×1 500 這3種，即 Q2=3;窗材質(zhì)選用單層木框、雙層木框和雙層鋁合金這3種材質(zhì)，即Q3=3。則總的設(shè)計(jì)方案組合數(shù)A為27個(gè)，具體方案組合如表5所示。

表4 不同朝向外窗的窗墻面積比限值

表4 多目標(biāo)方案的構(gòu)成

3.3 Ecotect－GRA 模型計(jì)算

按表5所列方案組合，選取熱環(huán)境中的能耗和光環(huán)境中的采光系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用Ecotect2010進(jìn)行模擬計(jì)算得到不同方案的指標(biāo)值，結(jié)果如圖1所示。

從建筑性能的評(píng)價(jià)角度來(lái)說(shuō)，采光系數(shù)大且總能耗低為最優(yōu)。但隨著采光系數(shù)的增大，總能耗也在不斷增加。圖1所示采光系數(shù)折線圖明顯呈現(xiàn)出3段變化相同的折線，這是因?yàn)镋cotect中使用CIE全陰天分布計(jì)算模型計(jì)算采光系數(shù)，此時(shí)采光系數(shù)與建筑朝向無(wú)關(guān)，即當(dāng)窗墻比和窗材質(zhì)相同時(shí)，不同的朝向所計(jì)算出的采光系數(shù)相同。由于本案例的光環(huán)境和熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)均屬于室內(nèi)環(huán)境的研究范圍，已有學(xué)者［19－21］采用不同方法研究相關(guān)的權(quán)重分配，本例取相應(yīng)研究結(jié)果的均值。此外，由于南京市采暖能耗和制冷能耗時(shí)間分配大致相等，因此能耗下的采暖和制冷這兩個(gè)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重均取0.5。利用式(2)～式(7)，編寫簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)程序?qū)cotect－GRA模型進(jìn)行求解，解出27個(gè)設(shè)計(jì)方案的關(guān)聯(lián)度并排序。

3.4 結(jié)果分析

本案例的最佳方案為O3R1M2組合，即朝向?yàn)?90°，窗規(guī)格為1 200×1 500，雙層木框窗。優(yōu)選結(jié)果表明，盡管建筑朝向并非Weather Tool中分析所得的最佳朝向，但并不影響最終最優(yōu)結(jié)果的選擇。從節(jié)能和采光效果綜合優(yōu)化角度分析，案例計(jì)算所得結(jié)論符合預(yù)期。比較本例所有方案，可知使用雙層木框窗的方案，較同等級(jí)別下使用單層木框窗和雙層鋁合金窗方案的能耗要低，因此從單因素分析角度應(yīng)當(dāng)選擇雙層木框窗，而實(shí)際優(yōu)選最佳方案同樣滿足要求。

圖1 不同建筑設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)值

4 結(jié)論

使用Ecotect分析軟件，可直觀獲得模擬建筑方案各項(xiàng)性能指標(biāo)，為設(shè)計(jì)方案的前期優(yōu)選提供依據(jù)。對(duì)于本例的有限個(gè)方案優(yōu)選，采用Ecotect－GRA法比較適用。但若參數(shù)值為連續(xù)變量，則會(huì)形成無(wú)限多個(gè)方案，形成所謂的設(shè)計(jì)NP問(wèn)題，此時(shí)運(yùn)用Ecotect－GRA難度較大，需要尋求更加合適的優(yōu)選方法。

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