孫彤宇 趙玉玲

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

面對(duì)全球氣候變化的挑戰(zhàn)，建設(shè)可持續(xù)城市和綠色建筑已成為新型城鎮(zhèn)化的重要任務(wù)。在建筑單體綠色性能分析和節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展的今天，可持續(xù)城市和綠色建筑的目標(biāo)仍然任重而道遠(yuǎn)。對(duì)城鎮(zhèn)居住社區(qū)建設(shè)而言，綠色性能的問題遠(yuǎn)不止是將單體建筑的最優(yōu)化綠色性能簡(jiǎn)單疊加，在城市街區(qū)尺度下，住區(qū)的用地混合、交通模式、建筑物布局空間形態(tài)、能源供應(yīng)和需求的有效匹配、可再生能源利用、水資源管理等方面，都還存在著廣闊的挖潛空間，尤其是在建筑群體相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜條件下，尋找一種有效的規(guī)劃和設(shè)計(jì)輔助工具迫在眉睫。

現(xiàn)有的建筑綠色性能模擬技術(shù)、計(jì)算方法等對(duì)建筑單體的節(jié)能問題較為有效，而對(duì)于擴(kuò)展到街區(qū)尺度下的居住社區(qū)全方位的綠色性能體系的分析和模擬，則往往數(shù)據(jù)龐大，運(yùn)行效率不高，同時(shí)其計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)難以保證對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用。近年來已經(jīng)有學(xué)者關(guān)注到如何建立一種基于貢獻(xiàn)率來評(píng)價(jià)綠色建筑影響因子權(quán)重的計(jì)算方法，即綠色性能多要素協(xié)同的元模型。這種元模型的建立，可以在城鎮(zhèn)居住區(qū)的設(shè)計(jì)前期為建筑師提供快速評(píng)價(jià)方案綠色性能的工具，對(duì)于從設(shè)計(jì)的源頭重視綠色性能并在設(shè)計(jì)中及時(shí)響應(yīng)有著重要的作用。

1 國內(nèi)外綠色建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范簡(jiǎn)述

綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[1]。目前在綠色建筑設(shè)計(jì)中，廣泛采用各類國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑的綠色性能進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算，以達(dá)到綠色建筑的相關(guān)要求，或以此為依據(jù)來選用相關(guān)的綠色技術(shù)和綠色材料。

在建筑的綠色性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，國際上建筑全生命周期綠色性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系主要包括： LEED（美國，1988）、DGNB（德國，2007）、GBTool（加拿大等14國，常用GBC2000）、CASBEE（日本，2001）和ESGB（中國，2006）等[2]。

在綠色建筑國際評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系中，以美國綠色建筑委員會(huì)（USGBC）制定的LEED體系為例，主要采用六大技術(shù)指標(biāo)（基于LEED BD+C V4版本）：選址與交通（16%）、可持續(xù)場(chǎng)地 (11%)、水資源效率(11%)、能源與大氣環(huán)境(33%)、材料及資源(13%)、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量(16%)以及加分項(xiàng)（包含整合過程、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和區(qū)域優(yōu)先）[3]?？傮w上，LEED中對(duì)能源與大氣、可持續(xù)場(chǎng)地選址方面較為重視。關(guān)于居住建筑的綠色性能評(píng)價(jià)，LEED體系下有以獨(dú)棟別墅為評(píng)估主體的LEED-H（住宅評(píng)估）和以住區(qū)為評(píng)估對(duì)象的LEED-ND （社區(qū)規(guī)劃與發(fā)展評(píng)估）。LEED-ND突出住區(qū)尺度的評(píng)估，減少并弱化建筑技術(shù)層面的內(nèi)容，其中屬于中觀尺度的“精明選址與住區(qū)連通性”“住區(qū)布局與設(shè)計(jì)”占據(jù)主要權(quán)重，而“綠色建筑”部分主要在LEED-NC（新建建筑評(píng)估）中進(jìn)行評(píng)估。但LEED的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以結(jié)果為導(dǎo)向，對(duì)實(shí)現(xiàn)手段不做要求，同時(shí)各評(píng)分項(xiàng)多為“非技術(shù)性”層面，在目前我國尚未建立成熟的住區(qū)評(píng)估體系情況下難以適用[4]。

國內(nèi)綠色建筑認(rèn)證體系主要以ESGB（中國綠色建筑標(biāo)識(shí)認(rèn)證體系，即綠色三星認(rèn)證）為主。ESGB由國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部所發(fā)布，認(rèn)證依據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）執(zhí)行。與LEED不同，ESGB中的指標(biāo)側(cè)重措施和手段，通過對(duì)過程和措施的詳細(xì)要求來實(shí)現(xiàn)綠色建筑的目標(biāo)。ESGB采用了七項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)綠色建筑進(jìn)行考評(píng)，包括節(jié)地與室外環(huán)境（15%）、節(jié)能與能源利用（25%）、節(jié)水與水資源利用（15%）、節(jié)材與材料資源利用(15%)、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量（20%）和運(yùn)營管理（10%），以及2015年增加的“施工管理”。ESGB對(duì)居住建筑設(shè)計(jì)階段的考評(píng)涉及前五項(xiàng)，其中“節(jié)能與能源利用”和“室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量”兩項(xiàng)比重最大，主要從單棟建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)供暖等設(shè)備、照明電氣設(shè)備，以及室內(nèi)聲、光、熱環(huán)境和空氣質(zhì)量等層面進(jìn)行評(píng)分，各項(xiàng)指標(biāo)以相應(yīng)評(píng)價(jià)系數(shù)（如采光系數(shù)、窗墻面積比等）的數(shù)值區(qū)間評(píng)分，評(píng)分方式較為成熟。而“節(jié)地與室外環(huán)境”主要從人均居住用地指標(biāo)（包括人均居住用地面積和人均公共綠地面積）和地下空間開發(fā)利用情況，室外聲、光、熱和風(fēng)環(huán)境，公交、步行和公共設(shè)施可達(dá)性，場(chǎng)地綠化利用情況四個(gè)層面進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分項(xiàng)涵蓋范圍大，但總分值偏小，評(píng)價(jià)方式比較籠統(tǒng)，僅對(duì)有無相應(yīng)措施進(jìn)行評(píng)判，從住區(qū)整體綠色性能角度來看還比較粗放，難以對(duì)住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中如何提高住區(qū)整體綠色性能有較好的實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值。

國內(nèi)居住建筑的綠色設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)還包括一系列國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)居住建筑的綠色性能提出各項(xiàng)控制性指標(biāo)要求。新版國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161-2016）[5]中將城鎮(zhèn)住宅能耗指標(biāo)整體參考量定為670kgce/戶，指出每個(gè)城市的采暖能耗指標(biāo)不同，能耗指標(biāo)以戶為單位進(jìn)行計(jì)量和管理，分別給出電和燃?xì)獾膽粲昧恐笜?biāo)，考慮家庭常住人口的修正等原則，同時(shí)要求新建城鎮(zhèn)住宅能耗比2005版同氣候區(qū)同類建筑能耗的約束值降低不少于30%。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）[6]中根據(jù)調(diào)查計(jì)算出全年供暖及空調(diào)能耗作為基礎(chǔ)住宅能耗值（平均值為88.3kW·h/m2），以上海為例，居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為65%，主要通過提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱及氣密性指標(biāo)和改善供暖空調(diào)（設(shè)備）系統(tǒng)能效比來實(shí)現(xiàn)。此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑綠色設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T 229-2010）[7]、上海地方標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ08-205-2015）[8]和《住宅建筑綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ08-2139-2014）[9]等各項(xiàng)地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各區(qū)域性指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化。

國內(nèi)居住建筑綠色設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要以單棟建筑的綠色性能為對(duì)象。我國建筑節(jié)能的重點(diǎn)在于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能、建筑供暖系統(tǒng)的節(jié)能、燈具和其他電器效率的提高[10]，節(jié)能措施主要包括調(diào)整建筑物的體形系數(shù)、窗墻面積比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)、遮陽系數(shù)和氣密性等具體指標(biāo)?？傮w而言，綠色建筑及建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)建筑單體，而對(duì)于建筑群體在各相關(guān)方面的總體綠色性能尚未涉及。

2 關(guān)于居住建筑綠色性能要素體系的研究進(jìn)展

現(xiàn)有的分析要素和分析工具主要集中用于建筑單體的熱環(huán)境、光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境。其中，熱環(huán)境研究主要為熱島效應(yīng)、遮陽與環(huán)境舒適度、外部界面等性能要素， 熱環(huán)境模擬以熱舒適度 PMVPPD[11]為基準(zhǔn)，常用DOE、EnergyPlus和DeST等性能模擬軟件；建筑風(fēng)環(huán)境研究主要集中在風(fēng)環(huán)境舒適度優(yōu)化、群體形態(tài)的塑形、自然通風(fēng)的利用與組織、大進(jìn)深與地下空間的通風(fēng)組織、高層部分的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化等，風(fēng)環(huán)境模擬常借助計(jì)算流體力學(xué)軟件Phoenix、自然通風(fēng)模擬軟件Comist等流體力學(xué)專業(yè)分析軟件[12-15]；建筑光環(huán)境研究主要包括日照與自遮擋影響、住區(qū)外部界面等， 光環(huán)境模擬采用Radiance、Ecotect等軟件[16，17]。

還有一些學(xué)者從熱環(huán)境、光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境三個(gè)方面綜合分析建筑物綠色性能。王靜等[18]立足于綠色建筑被動(dòng)設(shè)計(jì)手法，關(guān)注性能工具與綠色設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，以及相關(guān)性能工具所涉及的熱環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等環(huán)境性能，探討了這三類環(huán)境性能在進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建筑各個(gè)層面的影響，如立面設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、空間組織等，同時(shí)研究了綠色建筑設(shè)計(jì)性能的工具由手工模擬逐步轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬的技術(shù)勢(shì)態(tài)。

也有一些學(xué)者和工程師基于設(shè)計(jì)實(shí)踐，借助建筑信息模型（Building Information Modeling，即BIM）技術(shù)，提出通過統(tǒng)一建模、多維分析，以緩解現(xiàn)有各專項(xiàng)性能模擬分析工具相對(duì)獨(dú)立、操作復(fù)雜的問題[19，20]。BIM可借助Revit等建模軟件整合建筑全信息模型，通過各個(gè)專項(xiàng)建筑能效分析軟件進(jìn)行建筑綠色性能模擬分析和調(diào)整[21]。然而對(duì)設(shè)計(jì)全過程而言，BIM分析流程采用單向分析，流程復(fù)雜，更適宜設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)估，而難以適用于設(shè)計(jì)初期復(fù)雜多變的情況；同時(shí)，BIM中能效分析需通過外接專項(xiàng)分析軟件進(jìn)行逐項(xiàng)模擬和分析，各項(xiàng)建筑性能要素的篩選大多通過經(jīng)驗(yàn)值，缺乏合理的權(quán)重差異，不利于建筑綠色性能要素體系中關(guān)鍵影響要素篩選。

現(xiàn)有的綠色性能分析要素和分析工具通常采用氣象數(shù)據(jù)，國際上常用的有CSWD、DeST和CTYW等5套典型年氣象數(shù)據(jù)。典型氣象年是由12個(gè)具有最接近歷史平均值統(tǒng)計(jì)意義的典型月組成的“假想”氣象年，被分析的氣象要素主要有室外溫度、露點(diǎn)溫度、水平面太陽輻射和風(fēng)速[22]。張晴原以上海地區(qū)一棟具備全年分項(xiàng)能耗計(jì)量的教學(xué)樓（同濟(jì)大學(xué)文遠(yuǎn)樓）為對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)模擬軟件EnergyPlus，分別代入5套現(xiàn)行的典型年氣象數(shù)據(jù)實(shí)施全年建筑動(dòng)態(tài)能耗模擬，并與該建筑實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出CTYW氣象數(shù)據(jù)最接近現(xiàn)實(shí)情況的結(jié)論[23]。

1 住區(qū)綠色性能要素體系

已有較多研究顯示街區(qū)尺度下室外微氣候會(huì)對(duì)建筑能耗產(chǎn)生顯著影響。例如城市與周邊的鄉(xiāng)村地區(qū)在氣候上就有顯著的區(qū)別，其主要原因在于許多城市本身就是熱源和污染源，大氣的熱結(jié)構(gòu)被城市“熱島效應(yīng)”所影響[24]。白天城市區(qū)域的建筑、道路和其他構(gòu)筑物吸收熱量，日落之后它們重新向城市釋放熱量，造成了城鄉(xiāng)溫度的差異。而目前綠色性能模擬分析中采用的來源于郊區(qū)氣象站或機(jī)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的典型氣候年氣象數(shù)據(jù)，無法反映建筑所在地微氣候的影響，亟需要引入街區(qū)尺度（即0.1～1km）下的城市微氣候分析，進(jìn)一步研究區(qū)域性氣候要素對(duì)單棟建筑和居住社區(qū)整體能耗的影響。楊小山等[25]總結(jié)街區(qū)尺度下微氣候影響途徑主要包括：對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過程產(chǎn)生影響，包括對(duì)建筑外表面的太陽輻射得熱、凈長波輻射和對(duì)流換熱三個(gè)方面的影響，以及通過室內(nèi)外空氣交換對(duì)建筑熱平衡產(chǎn)生影響，包括通風(fēng)和空氣滲透兩種方式。Michael Bruse[26]提出街區(qū)的空間布局與幾何特征、下墊面熱物性、綠化以及人類活動(dòng)等多種因素均對(duì)城市微氣候有影響，進(jìn)而直接或間接地對(duì)建筑能耗及室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生重要影響。

居住建筑綠色性能要素體系（圖1）涉及的分析要素復(fù)雜多樣，且相互影響，有待系統(tǒng)化梳理?，F(xiàn)有的分析要素選擇主要集中在建筑物本身，分析過程多獨(dú)立展開，且分析基礎(chǔ)通?；诤暧^氣象數(shù)據(jù)。從關(guān)注住區(qū)整體綠色性能的角度來看，街區(qū)尺度下微氣候的影響要素及其影響程度還有待深入研究。

3 居住建筑綠色性能模擬分析工具領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

目前，研究和工程實(shí)踐中建筑能耗模擬工具和街區(qū)微氣候模擬工具的分析領(lǐng)域和特點(diǎn)各不相同：建筑能耗模擬工具以建筑及其系統(tǒng)的能耗分析為主；而微氣候模擬工具則致力于室外微氣候的預(yù)測(cè)，即主要分析領(lǐng)域?yàn)槭彝饪臻g，建筑在此類模型中通常被大幅簡(jiǎn)化。目前還沒有能夠直接模擬城市微氣候?qū)ㄖ芎挠绊懙墓ぞ摺?/p>

2 EnergyPlus和ENVI-met的協(xié)同模擬流程

從20世紀(jì)60年代起，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完善，能耗動(dòng)態(tài)模擬分析計(jì)算方法日趨成熟，很多國家都根據(jù)自己的特點(diǎn)及要求研發(fā)了建筑能耗計(jì)算程序，可以很方便地對(duì)建筑物進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)模擬。綜合國際上各類建筑能耗計(jì)算和模擬工具，我國建筑能耗計(jì)算主要使用DOE、EnergyPlus、TRNSYS、PKPM和DeST等模擬軟件[27，28]。

美國能源部開發(fā)的DOE是公認(rèn)的最權(quán)威和經(jīng)典的建筑能耗模擬軟件之一，被很多能耗模擬軟件借鑒和引用，如eQUEST、EnergyPlus、CHEC和PowerDOE等，卻由于采用LSPE順序結(jié)構(gòu)，難以完成多要素耦合模擬[29]。美國威斯康星大學(xué)太陽能實(shí)驗(yàn)室（SEL）開發(fā)的TRNSYS與DOE和EnergyPlus的思路完全不同，采用了模塊化的概念，每個(gè)模塊代表一個(gè)小系統(tǒng)、設(shè)備或一個(gè)熱濕處理過程，但由于其主要關(guān)注于系統(tǒng)、設(shè)備和控制方式的優(yōu)化問題，而在建筑負(fù)荷以及建筑熱性能的模擬上偏弱。在我國，清華大學(xué)開發(fā)的建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST[30]可用于建筑能耗模擬和環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核；中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM以國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，用于對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案的綠色性能評(píng)估。另外，EnergyPlus作為國外綠色性能模擬研究中最常用的軟件平臺(tái)，具有清晰的計(jì)算方法和全數(shù)據(jù)建筑能耗模擬引擎的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)EnergyPlus的源代碼完全開放，允許用戶通過新建功能塊等方式增加和完善模擬分析類型，也鼓勵(lì)第三方來開發(fā)合理的界面調(diào)用EnergyPlus并完成模擬，可滿足多要素性能模擬研究中新要素添加、多軟件銜接和成果可視化等需求。

近年來，關(guān)于將建筑能耗模擬工具和街區(qū)微氣候模擬工具結(jié)合引發(fā)了廣泛討論。對(duì)城市微氣候進(jìn)行預(yù)測(cè)并定量評(píng)價(jià)微氣候?qū)ㄖ芎牡挠绊?，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)城市微氣候?qū)ㄖ芎挠绊懙囊环N可能途徑[31]。一系列基于微氣候分析軟件的建筑綠色性能模擬工具被廣泛研究，如ENVI-met（德國美因茨大學(xué)，Michael Bruse）和SOLENE（法國CERMA實(shí)驗(yàn)室）等已能夠?qū)ㄖ彝鉄岘h(huán)境進(jìn)行模擬，從而與能耗模型結(jié)合起來分析城市微氣候?qū)ㄖ芎牡挠绊憽?/p>

Han S.G.等[32]將三維微氣候軟件ENVI-met計(jì)算的48h空氣溫濕度輸入氣象數(shù)據(jù)生成工具中插值為整月逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，然后輸入到TRNSYS中計(jì)算首爾某街區(qū)景觀改造后空氣溫濕度的變化對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響。Hsieh C等[33]將CFD軟件中WindPerfect 與 EnergyPlus 進(jìn)行耦合來研究建筑空調(diào)排熱引起的氣溫升高對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響。Bouyer J等[34]將 CFD 軟件中Fluent 與自主開發(fā)的 SOLENE 模型耦合來評(píng)價(jià)建筑周圍微氣候?qū)ㄖ芎牡挠绊憽｜S媛[35]將CFD軟件STARCD、SOLENE模型、Coupled simulation 模型相結(jié)合研究了我國夏熱冬冷地區(qū)街區(qū)尺度的空間形態(tài)對(duì)建筑太陽能效和供暖空調(diào)負(fù)荷的影響。陳卓倫[36]將ENVI-met與能耗軟件 eQUEST 相結(jié)合研究了住區(qū)微氣候?qū)照{(diào)能耗的影響。Yi C Y等[37]將ENVI-met的模擬結(jié)果作為Design Builder（內(nèi)核為EnergyPlus）的氣象邊界條件來分析微氣候?qū)δ芎牡挠绊?。通過對(duì)比研究，不同于Windperfect和SOLENE等同類型微氣候模擬工具，ENVI-met對(duì)于便捷的建模方式、精準(zhǔn)的微氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和對(duì)綠化等環(huán)境因素的模擬具有優(yōu)勢(shì)。楊小山[38]在BCVTB 軟件環(huán)境中建立了耦合模塊（圖2）用以傳遞 ENVI-met 模擬的建筑周圍微氣候作為 EnergyPlus的氣象邊界條件?；贐CVTB等數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，通過建立耦合模塊以實(shí)現(xiàn)ENVI-met模擬結(jié)果的提取、處理，將ENVI-met模擬數(shù)據(jù)在EnergyPlus中建立可識(shí)別的新模塊，用于在EnergyPlus中進(jìn)行多要素的耦合計(jì)算。

建筑能耗模擬工具和街區(qū)微氣候模擬工具耦合研究的思路，不僅為直接模擬城市微氣候?qū)ㄖ芎挠绊懱峁┝艘豁?xiàng)實(shí)用工具，也為實(shí)現(xiàn)居住建筑在住區(qū)整體綠色性能多要素協(xié)同模型中的定量研究提供了一種具體可操作的途徑。

然而，傳統(tǒng)EnergyPlus建筑能效模擬模型（Building Performance Simulation Model，即BPS Model）多為全數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)量巨大，種類繁多，需采用遺傳算法（Genetic Algorithms）[39-41]和模式搜索算法（PS，the Pattern Search）[42，43]等非求導(dǎo)算法（DF，Derivative－free optimization）。這類模型往往運(yùn)算量大，運(yùn)算時(shí)間較長，不便于參量調(diào)整，因而多用于深化方案的能效計(jì)算，而不便于方案初期應(yīng)對(duì)快速變化的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行參量調(diào)整和多方案對(duì)比。

4 綠色性能多要素協(xié)同計(jì)算及模擬方法研究趨勢(shì)

3 元模型的獲取流程

近年來已經(jīng)有學(xué)者借用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的元模型概念，提出建立建筑性能模擬元模型（Building Performance Simulation Meta-model）以簡(jiǎn)化全數(shù)據(jù)模型[44]。元模型借助于統(tǒng)計(jì)學(xué)工具（具體如Support Vector Machine）[45]對(duì)全數(shù)據(jù)模型進(jìn)行關(guān)鍵要素的對(duì)比和篩選，通過回歸分析（常用的如SVR）可獲得影響能效評(píng)估結(jié)果的關(guān)鍵因素，從而得出求導(dǎo)結(jié)果為常數(shù)的元模型（表現(xiàn)為函數(shù)關(guān)系）[46]。與全數(shù)據(jù)模型相比，元模型具有以下優(yōu)勢(shì)（表1）：首先，元模型抓住少數(shù)重要參量進(jìn)行能效優(yōu)化的效果優(yōu)于全部參量的平均優(yōu)化效果；其次，使用元模型進(jìn)行PMV和能耗分析的結(jié)果與全模型分析結(jié)果類似；再者，元模型與全模型的數(shù)據(jù)對(duì)比很難詳盡，但是元模型在快速運(yùn)算（全數(shù)據(jù)模型對(duì)計(jì)算機(jī)要求高，如模擬一棟兩層建筑，單次運(yùn)算時(shí)間一般為15min，優(yōu)化一項(xiàng)性能需要約400～1 000次模擬運(yùn)算；而模擬同一棟建筑的元模型，在普通筆記本電腦上的單次運(yùn)算時(shí)間僅為幾秒鐘）和多模型對(duì)比方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于方案設(shè)計(jì)初期極為重要。元模型多要素兼容的數(shù)據(jù)兼容性、具有權(quán)重差異的簡(jiǎn)化模型、高效快速的運(yùn)算過程，都能適應(yīng)設(shè)計(jì)全過程多變的方案調(diào)整要求。Bryan Eisenhower等通過研究一棟辦公建筑的元模型和全數(shù)據(jù)模型，對(duì)1 009個(gè)效能影響因素進(jìn)行篩選，找出20多個(gè)關(guān)鍵影響因素和7個(gè)最關(guān)鍵影響因素，從而大大縮短運(yùn)算時(shí)間，為快速評(píng)估設(shè)計(jì)方案的綠色性能提供了依據(jù)[46]。

元模型的獲取流程一般分為六個(gè)步驟（圖3）：1）構(gòu)建基準(zhǔn)建筑模型；2）選擇和確定輸入影響因素；3）基于輸入要素構(gòu)建樣本矩陣；4）運(yùn)行模擬分析；5）進(jìn)行敏感度分析（SA：Sensitivity Analysis）、不確定性分析（UA：Uncertainty Analysis）和多變量分析（MA：Multivariate Analysis）；6）生成元模型[47]。其中，關(guān)于輸入的影響因素，元模型和全數(shù)據(jù)模型均為海量數(shù)據(jù)，但元模型更為強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的歸類，以便于快速建立后續(xù)簡(jiǎn)化模型。Massimiliano Manfren[48]將輸入因素分為11類，包括氣候條件和區(qū)位條件、外表皮狀況、人的活動(dòng)、照明、控制和操作系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備等，主要分析要素集中在建筑物的能耗相關(guān)要素（尤其是暖通設(shè)備因素）。

許多學(xué)者的研究證明元模型優(yōu)化過程中的敏感度分析（SA）、不確定性分析（UA）和多要素分析（MA）是必不可少的環(huán)節(jié)[49-51]。敏感度分析可找出海量影響因素中對(duì)能效影響最大的一個(gè)或數(shù)個(gè)要素，不確定性分析能在眾多數(shù)據(jù)中鑒別影響因子的變化如何產(chǎn)生不同的關(guān)鍵要素，SA和UA通過互補(bǔ)的驗(yàn)證流程可較為準(zhǔn)確地篩選出關(guān)鍵影響因素，從而構(gòu)建多樣的對(duì)比模型，以修正元模型。近幾年的元模型研究中愈發(fā)關(guān)注敏感度分析的作用，Tian[52]對(duì)敏感度分析在建筑能效分析中的作用做了系統(tǒng)性的文獻(xiàn)綜述，以闡述其關(guān)鍵的影響作用。多要素分析（常用Gaussian Kernel核密度分析法）[53]則通過回歸分析快速對(duì)比得出最適合當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐脑Ｐ秃?jiǎn)化模型（Meta-model Reduction）。

元模型概念的提出，對(duì)于居住社區(qū)整體綠色性能的評(píng)估起到了非常重要的作用，可以幫助建筑師對(duì)居住社區(qū)在城市街區(qū)尺度下的用地混合、交通模式、建筑物布局空間形態(tài)、能源供應(yīng)和需求的有效匹配、可再生能源利用、水資源管理等諸多方面的復(fù)雜要素體系進(jìn)行有效把控，有效評(píng)判住區(qū)整體格局對(duì)建設(shè)可持續(xù)城區(qū)的影響，進(jìn)而形成住區(qū)整體綠色性能協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)語

對(duì)城鎮(zhèn)居住社區(qū)而言，綠色性能要素體系復(fù)雜，各要素相互影響，作用不一，因而建立綠色性能多要素協(xié)同的元模型將是十分有效的途徑。元模型的建立，將會(huì)通過綠色性能多要素耦合模擬篩選出適應(yīng)地域特征的關(guān)鍵影響因素，以此構(gòu)建居住社區(qū)綠色性能多要素協(xié)同優(yōu)化。不僅可以運(yùn)用于綠色性能快速分析，大大縮減綠色性能分析的運(yùn)算時(shí)間和使用難度，并且能夠抓住居住社區(qū)整體綠色性能的關(guān)鍵所在，保證計(jì)算結(jié)果的有效性，也方便城市設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)過程中追溯與計(jì)算結(jié)果相關(guān)的關(guān)鍵要素，便于及時(shí)改善設(shè)計(jì)的相關(guān)綠色性能要素；同時(shí)還適用于快速預(yù)測(cè)規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)各階段方案的能效，并找出有針對(duì)性的修改措施，為規(guī)劃師和建筑師進(jìn)行以綠色性能為導(dǎo)向的建筑設(shè)計(jì)提供更為高效、易于操作的新方法和新工具。本文通過對(duì)綠色建筑研究領(lǐng)域的國內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行研究，認(rèn)為這種符合設(shè)計(jì)思維的綠色性能元模型的概念將可能是后續(xù)研究的一大趨勢(shì)，以期對(duì)推動(dòng)住區(qū)整體綠色性能的城市設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)起到一定的啟發(fā)作用。

表1 全數(shù)據(jù)模型與元模型對(duì)比

課題組成員：孫彤宇（課題負(fù)責(zé)人）、黃一如、莊宇、王一、湯朔寧、賀永、張磊、曲翠松、孫澄宇、楊峰、許凱、趙玉玲、李勇、史爭(zhēng)光、王挺、盛立、廖凱、吳景煒、翁超、呂昱達(dá)、鄒佳旻、馬瀟瀟、梅夢(mèng)月等

圖表來源

圖1為作者自繪；圖2來源于文獻(xiàn)[38]；圖3來源于文獻(xiàn)[47]；表1根據(jù)文獻(xiàn)[46]繪制。