艾宏波 崔百興 孔黎明

(1.西安建筑科技大學設計研究總院， 西安 710000； 2.西安建筑科技大學建筑學院， 西安 710000)

0 研究背景

隨著我國綜合國力的增強，超高層綜合體隨著城市的快速發(fā)展也不斷增多，在為城市帶來地標性的同時也帶來了更多建筑能耗的問題。超高層綜合體作為大體量、高高度的致密空間類型，對建筑設備的依賴程度較高，能源消耗較大，因此也具有較大的節(jié)能潛力。建筑表皮作為建筑物的圍護結構，不僅能表達建筑的精神內(nèi)涵和文化意義，同時也是建筑與環(huán)境交流的主要界面，具有很強的功能性[1]，對建筑節(jié)能和室內(nèi)空間的光熱舒適度有著重要影響。因此對于超高層表皮的研究和設計具有很強的現(xiàn)實意義。

在超高層綜合體的綠色設計方面已有較多學者進行了研究。李振東等從3方面分析了超高層在綠色設計過程中的重點，并指出了降低建筑照明能耗能有效實現(xiàn)綠色設計[2]。李建梅以具體的超高層綜合體為例探討了其綠色設計措施。指出其設計應做好綠色設計措施，以達到與城市發(fā)展目標相融合的目的[3]。邵韋平等通過梳理中信大廈從設計到施工的全過程，多方面系統(tǒng)分析了其技術運用并取得大量技術突破和成果[4]。莊惟敏以超高層建筑為例，提倡高技術的節(jié)制，強調在理性框架下運用適宜技術解決工程難題并提升人居環(huán)境質量[5]。以上研究都關注了超高層設計中綠色技術的探索運用，但對建筑表皮的綠色設計上關注度較低，沒有系統(tǒng)地利用性能優(yōu)化的理論和方法在方案階段進行生態(tài)設計，也沒有回應超高層表皮存在的生態(tài)問題。在表皮優(yōu)化上，韓昀松基于日照及風環(huán)境對建筑形態(tài)的影響做了詳細研究[6]來進行表皮優(yōu)化；王振飛等以建筑的自然采光為前提，進行了參數(shù)化表皮設計的實踐[7]；徐松月等則基于風環(huán)境進行參數(shù)化表皮設計的實踐[8]；司秉卉通過對日照的分析來進行表皮設計[9]。除此以外還有針對熱環(huán)境、光環(huán)境、風環(huán)境、聲環(huán)境等目標進行性能驅動的研究[10]。但是在表皮優(yōu)化設計上，基于多個復合性能目標的優(yōu)化設計研究還相對較少。

通過大量實踐分析，當前超高層綜合體表皮存在的問題總結為以下兩點：首先，當前超高層的表皮多采用大面積的玻璃幕墻，雖然為其提供了良好的視野，但加劇了能源消耗，也為室內(nèi)光環(huán)境的舒適度帶來了挑戰(zhàn)；其次，超高層的功能構成日趨復雜，不同功能空間對光熱性能需求的差異性也逐漸凸顯，同時氣候對不同朝向空間的差異化影響也受到了人們的關注。面對上述問題，勻質且大面積玻璃的表皮形式顯然已無法適應該需求。

本文通過系統(tǒng)分析當前超高層綜合體的空間構成，從性能角度梳理不同空間對于光熱性能需求的差異性，并對多種空間的表皮單元進行形態(tài)控制和多目標優(yōu)化試驗與分析。最后通過適宜的表皮設計來回應不同類型和朝向的空間對光熱性能的差異化需求，構建具有生態(tài)特征并符合美觀需求的氣候適應性高性能表皮。

國王來了，他命令道：“今天，我要列一個算式‘100+20－10÷2’，能完成任務的人都站出來，按順序站好?！眹蹩戳讼?，“減號和除號呢？”“剛才加號在笑他們把數(shù)字越弄越小，生氣了，睡覺去了。”乘號回答道。“什么？把他們叫回來?！?/p>

本實驗選擇臺灣凌陽公司生產(chǎn)的TN_9紅外探測傳感器作為測溫模塊，外形如圖3所示。它是一種集成的紅外探測器，內(nèi)部有溫度補償電路和線性處理電路。 其測量距離大約為30m；測量回應時間大約為0.5s。測量距離∶目標直徑=1∶1(如圖4所示)，即傳感器溫度感測口到測量目標的距離a與測量目標直徑b的比例為1∶1，當然如果測量目標為等溫物體，測量目標的直徑b也可以大于測量距離a，傳感器的視場約為53.2°。傳感器尺寸為12mm×13.7mm×35mm，體積較小，分辨率為0.062 5°C；而且它具備SPI接口，可以很方便地向單片機傳輸數(shù)據(jù)。

1 光熱性能目標差異性解析

1.1 超高層綜合體空間構成特征和研究對象選擇

表1 超高層綜合體空間組合類型Table 1 Space combination types of super high-rise complex

超高層建筑更高的高度和更大的面積使得單一的建筑功能不足以支撐自身的發(fā)展需求。同時城市發(fā)展也讓城市空間的功能呈現(xiàn)出復合型特征，而常選址于城市中心地段的超高層建筑也往往成為融合商業(yè)、酒店、公寓、辦公等多項功能為一體、具有功能復合型特征的建筑類型(表1)。它以多種功能豎向疊加綜合開發(fā)的方式為主，突出超高尺度的塔樓對城市的標志意義[11]。

1.2.2光熱性能目標選擇與標準

本文以西安市超高層綜合體塔樓為例，通過對西安已建成的15棟200 m以上超高層功能統(tǒng)計，塔樓部分主要包含辦公、酒店和公寓等功能。故本研究假定塔樓空間包括辦公、酒店和公寓三種功能，將塔樓表皮作為研究的對象。在塔樓形式的選擇上以能對不同朝向的氣候條件進行直觀回應的標準層為正方形的塔樓為例，以西安的氣象參數(shù)作為模擬的氣候數(shù)據(jù)，設定其標準層邊長42 m×42 m、高200 m，以此為基礎進行不同類型空間表皮單元和表皮雛形的設計探索。

1.2 光熱性能需求的差異性特征及標準

本文應用基于Rhino&Grasshopper 以及Ladybug& Honeybee平臺的模擬程序，通過該平臺調用光性能模擬引擎Daysim和Radiance，以及熱性能模擬引擎Energyplus和Radiation Analysis來進行模擬分析。這幾項模擬引擎其精度和適用性均在國際國內(nèi)反復驗證，具有很強的可靠性，可以很好地表達模擬結果。同時通過調研西安已建成的15棟200 m以上的超高層，并結合相關規(guī)范，得出光模擬反射系數(shù)設定值。程序設定將分別對以上核心引擎進行參數(shù)設置。Daysim相關參數(shù)設置如表5所示[18]。表皮單元采用鋁板和玻璃組合的方式，通過調整表皮參數(shù)來影響室內(nèi)的PMV，穿衣指數(shù)依據(jù)季節(jié)進行差異化設置來提高試驗的準確性，如表6所示。Ladybug&Honeybee平臺提供多種建筑運行數(shù)據(jù)供選擇，模擬中對不同空間的建筑運行數(shù)據(jù)進行對應輸入確保其合理性，如圖4～6所示。

我國相關標準對汽化器出口溫度均有嚴格要求，如： GB 16912—2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關氣體安全技術規(guī)程》規(guī)定：低溫液體汽化器出口應設有溫度過低報警聯(lián)鎖裝置，汽化器出口的氣體溫度不低于-10℃；GB 27550—2011《氣瓶充裝站安全技術條件》要求“汽化器的出口溫度低于-30℃”；GB/T 14194—2017《壓縮氣體氣瓶充裝規(guī)定》要求“汽化器氣體出口至充裝管道的溫度不得低于-30℃”。

經(jīng)過對辦公、客房以及公寓空間單元的多目標優(yōu)化得到支配解和非支配解，其中非支配解是多目標優(yōu)化中得到的可供選擇的結果，該結果是在各項性能相互約束下形成的相對最優(yōu)的解，并可以至少滿足一個性能目標相對最優(yōu)。通過對優(yōu)化結果中非支配解的分布進行解析，進而分析各空間單元在光熱性能綜合權衡下可能形成的表皮單元模型形態(tài)可行解，為表皮設計提供參考。

治安法官作為英國的歷史遺產(chǎn)，一直沒有中斷，幸存久遠，運行良好，并發(fā)展嬗變?yōu)楝F(xiàn)代英國治安法官。因為治安法官在英國歷史上每個關鍵時期顯示了治安法官群體特有的氣質和品質，審時度勢，勇于自我革新，順應統(tǒng)治者和形勢的需要，就連資產(chǎn)階級革命也沒有將其摧毀打碎，反而為資產(chǎn)階級所利用，治安法官最終幸存下來。因此，現(xiàn)代英國治安法官積淀了深厚的歷史文化底蘊，帶有極易察覺的歷史痕跡，再現(xiàn)了英格蘭法律發(fā)展歷史連貫性。

光熱性能目標的選取是模擬試驗的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范和大量參考研究，從超高層綜合體室內(nèi)光熱性能的需求出發(fā)，對光熱性能目標進行科學選取。在光性能目標選擇上，采光系數(shù)(DF)和全天然采光百分比(DA)是最常用的自然采光評價目標。這兩個目標中，DA可以有效地反映不同朝向的建筑室內(nèi)自然采光的利用程度和視覺舒適度，彌補DF的不足。故本文選擇DA作為光性能評價目標，試驗的優(yōu)化表現(xiàn)在DA的增加。

對于Radiation Analysis而言，在試驗中夏季時段選取每年的6—8月份，冬季選取12月到次年2月份，以此計算對應時段在空間單元開窗面上的日輻射差值。在多目標優(yōu)化的問題上，Octopus記錄了多代運算結果數(shù)據(jù)，可按具體要求輸出。

表2 熱舒適感受冷熱指數(shù)Table 2 Thermal comfort indexes

表3 光熱性能目標差異性總結 Table 3 Summary of the difference of light and heat performance targets

面對上述多個性能目標，多數(shù)情況下這些目標間均存在相互影響甚至矛盾，如增大外窗面積雖然能夠改善室內(nèi)空間采光效果，但會引起建筑熱舒適的劣化，兩者呈現(xiàn)負相關關系[16]。面對表皮設計這樣多變量、多目標的問題時，建筑師通過人工權衡已無法得出有效結論，而借助計算機進行多目標優(yōu)化，為建筑師提供了新途徑。

2 表皮設計流程與試驗平臺搭建

2.1 表皮設計流程

在光熱性能目標差異化的導向下進行超高層綜合體的表皮設計，需要進行參數(shù)化建模、性能模擬多目標優(yōu)化和表皮參數(shù)化設計等多個環(huán)節(jié)。整個流程需要先對其業(yè)態(tài)組合類型對應的光熱性能需求的差異性進行分析，確定優(yōu)化目標及標準；再通過建立不同空間單元表皮參數(shù)化模型來進行多目標優(yōu)化和模擬試驗分析，從而對表皮設計進行指引；最后將表皮設計參數(shù)、模型和性能模擬值三者形成逐一對應的映射關系，便于建筑師進行數(shù)據(jù)和形態(tài)之間的比對和選擇，并進行表皮雛形的參數(shù)化設計形成完整的過程，其流程如圖1所示。

2.2 空間單元表皮參數(shù)化模型構建

超高層綜合體雖然體量大，但其酒店、公寓等功能通常由相同標準層組成。所以在試驗模擬中將同樣功能、同樣朝向的空間歸為同類空間單元。在試驗中將模擬類型分為辦公、客房和公寓空間單元。由于在功能劃分上，辦公單元通常占據(jù)整個標準層，形成一個大空間，因此辦公空間以整個標準層為空間單元；酒店客房和公寓則分別以東、西、南、北四個朝向單個房間為空間單元(圖2、3)，構建9個空間表皮單元參數(shù)化模型。簡化之后的模型除開窗面與空氣接觸，其他面設為絕熱體，雖然這些面與相鄰房間存在熱交換的可能，但其與相鄰空間室內(nèi)熱環(huán)境差異較小，經(jīng)初步測試設為絕熱體對模擬表皮光熱性能指標影響很小，滿足方案設計階段表皮優(yōu)化模擬所需精度。

試驗中選取對室內(nèi)空間的光熱性能有著較大影響的表皮設計參數(shù)：表皮開洞率、表皮窗口深度以及表皮網(wǎng)格大小[17]作為表皮模型控制參數(shù)，其余參數(shù)均設為定值。由于三角形具有工程實踐的穩(wěn)定性，因此選擇三角形網(wǎng)格鑲嵌來進行表皮構建。以客房南向表皮單元參數(shù)化模型為例，根據(jù)設計和工程實踐情況，表皮設計參數(shù)取值范圍如表4所示。其余的空間表皮單元參數(shù)化模型與上述構建方法類似。

表4 模擬試驗中表皮控制參數(shù)取值Table 4 Epidermal simulation control parameter values

2.3 光熱性能模擬參數(shù)設定

1.2.1光熱性能需求的差異性特征

表5 模擬試驗中圍護結構反射比設定Table 5 Reflectance setting of enclosure structure in simulation

本試驗以西安所處的寒冷地區(qū)(Ⅱ區(qū))的氣候條件為例進行熱性能目標選取，現(xiàn)行規(guī)范提到：寒冷地區(qū)應滿足冬季保溫防寒等要求，夏季部分地區(qū)應兼顧防熱[14]。經(jīng)過分析可知，日輻射是對建筑室內(nèi)熱性能影響最大的因素之一，同時室內(nèi)空間對日輻射的要求在不同季節(jié)是具有矛盾性的，夏季和冬季的室內(nèi)能耗主要為空調制冷和供暖能耗，因此設計上希望夏季減少進入室內(nèi)的日輻射量從而降低制冷能耗，而冬季則希望增加進入室內(nèi)的日輻射量，從而減少供暖能耗。本試驗以開窗面的日輻射量來代表進入室內(nèi)的日輻射量，即設計需求希望開窗面夏季的日輻射量RAD夏是越小越好的，而RAD冬則是越大越好，綜合考慮下將夏冬季開窗面日輻射得熱差值(RAD差值)最小作為優(yōu)化目標：RAD差值=RAD夏-RAD冬，此時滿足“冬暖夏涼”的需求[14]。對于室內(nèi)熱舒適而言，預計平均熱感覺目標(PMV)應用最為廣泛，其數(shù)值通常受到室內(nèi)的使用狀態(tài)和穿衣指數(shù)等因素影響，因此在模擬運行中應對這些條件做出區(qū)分。本試驗中將室內(nèi)空間的供暖制冷設備均設為關閉，即在非人工冷熱源的情況下進行模擬，將全年不同季節(jié)的穿衣指數(shù)也進行差異設置。表2為PMV的冷熱感覺量化值，試驗選取-0.5

當前，人類社會正全面進入信息時代，以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化已成為教育創(chuàng)新與變革的重大戰(zhàn)略抉擇。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011～2020）》指出：“實現(xiàn)教育信息化手段是要充分利用和發(fā)揮現(xiàn)代信息優(yōu)勢途徑，方法則是信息技術與教育的深度融合”“職業(yè)教育信息化是培養(yǎng)高素質勞動者和技能型人才的重要支撐，是教育信息化需要著重加強的薄弱環(huán)節(jié)”，所以，如何將現(xiàn)代信息技術更好地、更廣泛地應用于職業(yè)教育，值得我們共同研究和探討。

表6 穿衣指數(shù)設置Table 6 Dressing index setting

3 多目標優(yōu)化試驗結果分析

對于超高層綜合體塔樓中的辦公、客房、公寓三種主要類型的空間而言，不同空間的人員使用時間和頻率、設備運行和空間劃分方式均有較大差異性。如辦公人員的工作時間多集中在白天，而對于客房和公寓而言，其人員使用時間多集中在晚上，不同的使用情況必然會對室內(nèi)的熱性能產(chǎn)生影響；而對于自然采光而言，我國現(xiàn)行規(guī)范對不同建筑空間的采光標準都有明確要求：辦公空間的自然采光照度標準值為450 lx[12]，客房的標準值為300 lx[12]，而公寓空間的照度達到150 lx時就可以滿足室內(nèi)需求[13]，這體現(xiàn)了不同空間在照度需求標準上明顯的差異性。同時，建筑所處的氣候環(huán)境作用在不同朝向的空間上會在日照和日輻射等方面產(chǎn)生較大差異，這也是其重要的差異性特征之一。而塔樓的表皮形態(tài)需要對該差異性特征進行有效回應才可以實現(xiàn)綠色生態(tài)的高性能要求，這對表皮設計也提出了較大挑戰(zhàn)。

本節(jié)多目標優(yōu)化試驗結果分析以南向客房單元試驗為例，試驗共進行20代模擬運算，耗時40 h左右，單次模擬平均耗時2 min。經(jīng)多次優(yōu)化計算，選取第20代結果為分析對象，得出非支配解的分布如圖7所示，圖中三維坐標軸分別代表RAD差值、DA和PMV，通過數(shù)據(jù)轉換滿足三個目標在該解空間評價上的統(tǒng)一，每個點代表一個非支配解。從圖8的分布來看，在該空間單元其他條件不變，以表皮網(wǎng)格大小、開洞率和窗口深度為變量時，PMV與DA、RAD差值呈現(xiàn)負相關趨勢，RAD差值與DA呈現(xiàn)正相關趨勢。該設計過程希望DA和PMV保持在較高水平，而RAD差值保持在較低水平。從該代解集的二維坐標分布(圖8b)中可以看到不同性能值域在該代的分布范圍。其中DA的值域跨度為15.15%，PMV的值域跨度為7.04%，RAD差值的值域跨度為359.27 kW·h。綜上可以看出，在光熱性能上，PMV的值域跨度最小，DA和RAD差值值域跨度均大于PMV。在建筑形態(tài)方案的選擇上，表皮形態(tài)控制參數(shù)在同樣區(qū)間變化時，性能值域跨度范圍越大，即表皮形態(tài)參數(shù)的變化對其產(chǎn)生的影響較強。因此對光熱性能而言，受表皮形態(tài)控參數(shù)影響最大的是DA和RAD差值，在解的選擇中需重點關注這兩項目標。

提出了基于磁開關的近方波LC-Marx發(fā)生器技術路線，該路線的主要優(yōu)勢在于結構簡單，實現(xiàn)了所有開關的固態(tài)化，免去了專門的觸發(fā)系統(tǒng)，基于同一套磁芯控制系統(tǒng)以保證各級導通放電的同步性。發(fā)生器基于多倍頻電壓脈沖疊加的原理，實現(xiàn)了近似方波脈沖的輸出。設計了具備10 GW方波脈沖輸出能力的Marx發(fā)生器電路結構。結果表明，輸出脈沖能夠滿足要求。下一步工作主要是完善所提出的近似方波脈沖Marx發(fā)生器的理論分析，進行結構設計與場分布模擬研究，為實際裝置的構建奠定基礎。

根據(jù)客房空間的使用率可知，其使用率高的時段均為晚上，說明白天對自然光的需求并不高。同時根據(jù)實踐和文獻了解到DA達到50%時即可認為該空間自然采光良好，所以客房的DA可以略低于50%。故在選解的過程中選定當DA300達到40%左右的時候，室內(nèi)的自然采光即可滿足使用，即把光性能目標DA300=40%作為限定條件，再進行PMV和RAD差值的分析選擇。需注意的是，本文展開的形態(tài)非支配解的選擇過程是要結合建筑師審美的主觀性和具體設計需求在解集中進行選擇的，選擇的方式是多樣的，解集中非支配解間的差別僅在于每個解對不同性能的回應程度不同。圖9為非支配解點的選擇在解空間中的分布，其中紅色虛線為DA300=40%的位置線，在該線附近選取圖中所示A點～E點5個解，其對應的表皮控制參數(shù)值、性能值及表皮模型如表7所示。表中數(shù)據(jù)顯示各性能和表皮控制參數(shù)間的差異較小，這是所選解在解空間中分布較集中的緣故。A點解的PMV值在5個解中絕對值最大，為26.91%，即該項性能最優(yōu)；而E點解的數(shù)據(jù)中DA300=41.60%，其值最大即該項性能最優(yōu)，同時RAD差值為-362.55 kW·h，為5個解中最小則該項性能也為最優(yōu)，B、C、D點解的性能值均達不到5個解的性能最優(yōu)。故本次多目標優(yōu)化試驗結果選擇E點解。

在選取E點解的基礎上，引入同樣大小的南向客房空間單元作為對照組進行性能模擬對比，該對照組為單層玻璃幕墻表皮，對照組性能模擬結果與E點解的性能模擬值如表8所示。從表中可以看出，對照組的DA為53.55%，大于E點解的41.60%；在PMV性能上，對照組為7.57%，遠小于E點的26.34%；在RAD差值上，對照組為-335.39 kW·h，E點為-362.55 kW·h。通過以上對比分析，可以看出：E點解在PMV性能上遠優(yōu)于對照組，RAD差值在數(shù)值上小于對照組，則性能優(yōu)于對照組，僅有DA在性能上E點解劣于對照組，綜合來看，E點解的性能較對照組有明顯提升。

表7 南向空間單元非支配解選點對應數(shù)據(jù)Table 7 The corresponding data of the selected points of the southern spatial unit in non-dominated solution

表8 對照組實對比分析Table 8 Comparisons of experimental performance of control group

以上為南向客房空間單元最優(yōu)解選擇的全過程，對其余8個空間單元而言，其最優(yōu)解的選擇過程與以上過程基本一致，但也存在差異性。公寓的居住屬性和辦公空間的辦公屬性使得其對于自然采光的需求高于酒店客房空間，故在試驗結果分析過程中，公寓和辦公空間應分別以DA150=50%和DA450=50%為限定條件進行解的選擇；在三個性能中，雖然設計上希望三者性能均達到最優(yōu)，但實踐中存在較大難度，而首先滿足一或兩項性能的相對最優(yōu)成為較好選擇，對三種功能空間而言，公寓空間更強調熱舒適性，因此應在解的選擇過程中著重考慮PMV和RAD差值，對于辦公空間而言，則更應考慮室內(nèi)的光舒適性，即DA的性能；此外，在解的選擇過程中也應考慮表皮形態(tài)。如某個解的性能雖然最優(yōu)，但該解對應的表皮形態(tài)明顯不符合建筑審美或構造需求，也應舍棄來尋求其他解。本節(jié)將表皮參數(shù)、性能值和表皮模型之間建立逐一對應的映射關系，為解的選擇提供了基礎。根據(jù)9次模擬試驗的選擇結果，整理為表9，便于對9個空間單元的各項數(shù)據(jù)有清晰的對比，為表皮設計提供參數(shù)參考。三種類型的空間單元非支配解選點對應數(shù)據(jù)如表9所示。

2.寫作目的功利化。在調查中我們發(fā)現(xiàn)不少同學寫作僅僅是為了應付老師或者提高自身成績，目的功利化能激起一個人的斗志和激情，產(chǎn)生動力。但言為心聲，長此以往，寫作不再是學生表達心聲的需要，他們筆下的文字會變得言之無物，沒有感情，寫作將會失去表達與交流的意義。

4 結束語

本文從超高層綜合體室內(nèi)光熱性能需求的差異性入手，以其表皮為研究對象，結合西安的氣候條件搭建了基于Rhino&Grasshopper和Ladybug&Honeybee優(yōu)化平臺，進行了9次超高層綜合體空間表皮參數(shù)化單元的多目標優(yōu)化和試驗結果分析，進行了適宜的表皮設計參數(shù)尋優(yōu)，為表皮設計提供了參數(shù)指導，并通過該參數(shù)呼應超高層綜合體室內(nèi)空間對光熱性能需求的差異性。研究驗證了光熱性能目標差異化導向下，超高層綜合體表皮設計的科學性和適應性；優(yōu)化了光熱性能導向下的表皮設計流程，可以有效輔助建筑師在方案設計以及表皮設計過程中進行表皮性能優(yōu)化和決策，為創(chuàng)造高性能的表皮形態(tài)奠定技術條件。在未來的研究中可以繼續(xù)對表皮形式和優(yōu)化目標進行探索，繼續(xù)完善此套設計方法。

表9 三種類型的空間單元非支配解選點對應數(shù)據(jù)Table 9 The corresponding data of the selected points for three types of space in non-dominated solution