建筑节能并行设计研究

           摘要:设计方法的优劣将影响设计的效率,建筑节能并行设计可提高建筑节能设计的效率。本文在分析建筑节能设计信息模型的基础上,提出建筑节能并行设计微循环模型,分析其设计过程的分解与修正,并提出适用于建筑节能并行设计的回溯搜索策略。有关研究表明:全球的能源消耗中,45%用于满足建筑物的取暖、制冷和采光等要求,5%用于建筑物的建造过程。建筑设计方案是否满足节能设计要求在很大程度上决定了其整个寿命周期内是否达到建筑节能的目的,通过设计降低建筑的能耗,可减少全球的能耗,有利于保持整个生态系统的稳定。节能建筑的设计与评价密不可分,节能评价是实现建筑节能设计的必要手段,节能建筑的设计要求建筑设计人员在设计阶段对所设计的建筑进行建筑能耗分析,以评价建筑方案是否节能。

  1 建筑节能设计方法现状

  目前常用的建筑节能设计方法有两种:按规定性指标设计和按性能性指标设计。按规定性指标设计是指建筑物体形特征和围护结构热工性能等均按有关建筑节能标准进行设计。性能性指标由建筑热环境质量指标和能耗指标两部分组成,按性能性指标设计是指在同时满足建筑热环境质量指标和能耗指标的前提下,设计人员可自行确定建筑物体形特征和围护结构热工性能等的具体技术参数。

  

  按规定性指标设计使设计人员摆脱了复杂的计算分析,在保证工程设计的合理性和成功方面有重大作用,但由于确定规定性指标主要考虑普遍情况,而每一个工程都有其不同于普遍情况的特殊性,因此规定性指标对适用范围内的一个具体工程往往不是最佳的,即按规定性指标很难进行优化设计,同时按规定性指标设计容易阻碍新技术的应用和压抑设计人员的创造性。按性能性指标设计使建筑节能设计标准具有充分的灵活性,为新技术的采用和具体工程项目的最优化创造了条件。其信息流如图1所示,图中各个设计信息对应于建筑物体形特征设计、围护结构热工性能等设计内容。

  

  按性能性指标设计需要对所设计建筑进行能耗分析,进而评价所设计的建筑是否节能,建筑能耗计算方法和节能评价方法的选择成为这种设计方法的重要内容。国内对建筑节能评价的研究相对缺乏,目前建筑节能评价通常采用比较建筑能耗计算值和相关节能标准指标值的方法,建筑能耗计算值则通过相应的能耗分析软件获得,若评价结果表明所设计的建筑并不节能,则需要设计人员凭借个人的设计经验对设计方案进行反复修改。国外已基本解决建筑节能设计标准灵活性和建筑节能评价方法问题,初步实现了建筑围护结构的节能平衡分析,但设计信息与评价信息之间缺乏沟通,尚未实现建筑设计过程的动态评价和建筑设计的全局优化。

  可见,按性能性指标进行建筑节能设计存在如下缺点:(1)过于依赖能耗分析软件。(2)过于依赖设计人员的设计经验。实际上,目前得到权威结构确认的能耗分析软件数量不多且推广程度不大,就能耗分析软件本身而言,仍存在提高运行速度、改进人机界面等问题;而设计人员的经验需要长期积累。鉴于现有建筑节能设计方法的局限性,探索新的设计方法成为必然,本文拟采用并行设计思想,提出建筑节能并行设计方法,实现设计过程和评价过程的交叉、并行及协调,其信息流如图2所示。

  2 建筑节能并行设计理论基础

  2.1 建筑节能设计信息模型

  信息科学是以信息为研究对象、信息的运动规律为研究内容,把扩展人的信息功能作为研究目标的科学[1,2]。依据性质来分类,信息可分为语法信息、语义信息和语用信息。语法信息指事物运动的状态和方式;语义信息指事物运动状态及状态改变方式的含义;语用信息指事物状态及状态改变方式的效用。

  设计是为实现一定目标而寻求和选择满意的备选方案的活动,它反映出设计对象的状态,因此建筑节能设计可看成一种语法信息,节能设计的过程就是信息的运动过程,信息运动规律可应用于设计过程中。信息科学研究的信息运动规律包括信息产生、信息提取、信息再生、信息施效等四类,其一般模型如图3所示。

  

  在建筑节能并行设计中,设计对象是指节能设计的对象,即建筑平台;设计主体为设计人员和计算机软、硬件系统;设计对象本身所包含的设计信息即为产生信息;信息提取过程是指设计主体从设计对象提取试探性设计所需信息的过程;信息处理过程是设计主体根据试探性设计信息进行节能评价的过程;设计主体根据设计目标和信息处理结果产生决策信息,这一过程即为信息再生过程;设计主体根据决策信息进行确定性设计的过程就是信息的施用过程;作用于设计对象的确定性设计信息即为受用信息。信息提取、信息处理、信息再生、信息施用由设计主体完成。

  2.2 并行设计理论

  并行设计属于设计理论和方法学的范畴[3,4,5],其本身也是设计理论和方法学的研究对象。并行设计强调产品开发各环节之间实现最大程度的交叉、并行及协调,其实质就是把传统的“设计——评价——再设计”的大循环转变为多次的“设计——评价——再设计”小循环,以便尽可能早地发现设计中存在的问题。工程设计本质上是顺序性、交互性的,所谓“并行”并不是指同时进行,而是指逐步、交替地实现设计、工艺、管理等活动,在设计阶段的每一步骤都最大可能地考虑到有关后续环节的约束,由此,并行设计所说的“并行化”应当理解为通过对产品设计对象和设计进程的精心分解,达到有效的协同实施开发周期中诸多子活动、子任务的目的。

  

  从信息科学角度看,设计过程可分成分析、综合、评价三个过程组成,其通用模型如图4所示。分析的作用是根据事物的功能需求,把客观世界简化为模型,把问题分解到可以解决的程度;综合的作用是把元素组合成一个能工作的整体,提供多个备选方案;评价的作用是检验设计方案是否能实现既定目标。分析和评价都需要接受评价产生的反馈信息,设计者反复回到设计过程的起点,完善和改进设计方案,直到满足设计的需求。

  设计过程从总体上来说是顺序性的,但设计过程可分成多个阶段,各阶段包括若干子任务,每个子任务分别工作于设计对象的不同方面。设计过程中不一定要等所有子任务完成后才开始后续设计活动,如果有与之相适应的描述设计对象的方式,使得提前进行的下游环节子任务仍然有他们所需的完整信息,那就完全有可能把子任务按其处理对象重新组成一些彼此相对独立的工作循环,并使这些工作循环在一定程度上并行进行。

  

  文献[3]开发的微循环模型可以实现上述设计的并行要求,其基本思想是把工程设计过程分解成一系列的设计微循环过程,如图5所示。在每个微循环中,根据已知的信息内容可以同时进行从概念设计到详细设计中的一些或全部的活动环节。微循环模型是一种宏观上并行、微观上顺序的机制。将设计对象分解成子对象,宏观上并行的机制使得设计人员可以同时工作于设计对象的不同方面,从而缩短了整个设计周期;而微观上顺序的机制使得从概念设计到详细设计的各个具体活动环节仍然有完整的信息而得以继续进行。

  3 建筑节能并行设计过程

  3.1 建筑节能并行设计过程分解

  建筑节能并行设计的设计分解应根据建筑节能设计的一般规律来进行。综合考虑建筑节能评价的17个分项指标[6],将建筑节能并行设计过程分解成如下四个步骤:

  ① 建筑所在地选择。采暖度日数、空调度日数、采暖期太阳总辐射量、空调期太阳总辐射量等4个室外气象特征固化于建筑所在地,在建筑节能并行设计中,当建筑所在地确定后,这4个参数即为常量,无需进行节能评价。

  ② 体型特征设计。体型特征设计的内容包括:极限体型系数设计、体型完善系数设计、建筑朝向设计等。为方便用户输入,建筑节能并行设计软件实现时可将3个体型特征的输入转换为输入建筑长度、宽度、层高、层数和朝向。

  ③ 窗墙比设计。窗墙比设计是指建筑前向、后向、左向、右向窗墙比的设计。建筑节能并行设计软件实现时可将前向、后向、左向、右向窗墙比的输入分别转化为窗户宽度、高度和窗户数量的输入。

  ④ 构件类型设计。构件类型设计的内容包括:屋面传热系数、热惰性设计,外墙传热系数、热惰性设计,窗户传热系数、吸收系数设计。

  在设计分解基础上,建立并行设计微循环模型如图6所示。

  

   3.2 建筑节能并行设计过程修正

  在建筑节能并行设计中,“设计——评价——再设计”大循环被分解成多个“设计——评价——再设计”小循环,各个小循环的设计通常不能一次性完成,而是需要根据节能评价结果修正设计,因此建筑节能并行设计过程是试探性的、循环的过程。

  小循环中,窗墙比设计修正和构件类型设计修正相对复杂。为提高建筑节能并行设计效率,窗墙比设计修正应解决东向、南向、西向、北向窗墙比设计修正的次序问题;构件类型设计修正应解决外窗、外墙、屋面设计修正的次序问题。本文根据建筑节能综合指标随窗墙比、构件类型的变化率大小,分别对窗墙比设计和构件类型设计的修正顺序进行排序。分析变化率采用的建筑模型主要参数如下:建筑面积10×10m2,层高2.8m,外墙传热系数为1.54W/( m2.K),屋面传热系数为0.93 W/( m2.K),窗户传热系数为3.1 W/( m2.K),窗墙比为0.35,通风次数为1次/h。能耗分析工具采用DeST软件。

  

    

  建筑节能综合指标耗电量随窗墙比的变化如图7~9所示。建筑全年耗电量随窗墙比的变化率从大到小依次为西向、东向、北向、南向;耗热量随窗墙比的变化以南向最为明显;耗冷量随窗墙比的变化南、北向相差不大。对于住宅建筑,东向、西向山墙通常不开窗或者所开窗属于厨房等不控温房间,窗墙比设计修正优先修改南向窗墙比,然后是北向窗墙比,接着是西向、东向窗墙比。

  建筑节能综合指标随外墙和屋面传热系数的变化如图10~12所示,耗热量指标随外墙传热系数的变化率较大;全年耗电量、耗冷量指标随外墙传热系数和屋面传热系数的变化率基本一致。考虑窗户是建筑围护结构中热工性能最薄弱的环节,其传热系数通常远大于外墙和屋面的传热系数,构件类型设计修正时应优先修改窗户的类型,其次修改外墙类型,最后修改屋面类型。

  4 建筑节能并行设计过程搜索策略[yjy1]微循环微循环

  由于对建筑节能并行设计过程进行了分解,小循环中建筑节能评价存在评价信息不完全[7]的情况,本文采用缺省参数代替不完全信息。设计过程中,试探性设计方案由实际设计输入参数和缺省参数组成。由于缺省参数的选取具有随机性,若没有有效的搜索策略,将会产生试探性设计方案组合爆炸,从而降低建筑节能并行设计的效率。

  常用的搜索策略有盲目搜索和启发式搜索两类,盲目搜索包括回溯搜索、广度优先搜索、深度优先搜索等。盲目搜索按预定控制策略进行搜索,搜索过程中获得的中间信息不用来改变控制策略;启发式搜索需要有与问题本身有关的信息。因此,盲目搜索不涉及语义、语用层次的信息,适合于语法层次信息的搜索,而启发式搜索则适合于语义、语用层次的信息的搜索。回溯搜索策略是一种试探性的搜索策略,其基本思路是:先选择一个规则,然后应用这个规则;如果它不能求得解答或离解答越来越远就舍弃这个规则而另选一个规则,经过若干次回溯,终究可以得到解答。

  衡量搜索策略性能的准则通常有三个:

  ① 完备性。即只要问题有解,在搜索策略的控制下就一定能找到解。

  ② 尽量避免无用搜索。即增强搜索的目的性,尽量避免产生及考察无用的选项。

  ③ 控制开销小。即要求搜索策略实现简单,选择及调度可用知识的开销尽可能小。

  

  本文拟采用回溯搜索策略。为提高回溯搜索的效率,在分析建筑节能评价特点的基础上,提出以两个极端情况作为回溯搜索的规则,从而大大减少规则的数量,如图13所示。所谓极端情况,就是最不利情况和最有利情况。最不(有)利情况是指选取最不(有)利于节能的评价指标,如:选取墙体类型的缺省参数时,传热系数最大(小)的选择项即为最不(有)利情况。采用极端情况作为规则的回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能的三个准则,可以避免节能评价指标组合爆炸,提高建筑节能并行设计的效率。

  图13的建筑节能并行设计过程描述如下:

  ① 设计人员输入第i步设计的设计参数;

  ② 按最不利情况选取缺省参数,节能评价程序对此时的试探性方案进行评价;

  ③ 若试探性方案达到用户要求的节能率,则后续的设计参数可由设计人员自行输入,无需再进行节能评价;

  ④ 若试探性方案的节能率达不到用户要求,则缺省参数按最有利情况重新选取,节能评价程序对此时的试探性方案重新评价;

  ⑤ 若此时的节能率达到要求,则进行第i+1步设计,如此循环,直至设计结束;

  ⑥ 若此时的节能率达不到要求,则需设计人员修正第i步设计参数,重复上述过程。若修正设计参数后仍无法达到要求的节能率,则必须调整节能率大小。

  5 结语

  (1) 对建筑设计过程进行分解,提出建筑节能并行设计微循环模型,实现节能设计与节能评价的并行。

  (2) 通过比较建筑节能综合指标随窗墙比、构件类型的变化率大小,指出窗墙比设计和建筑构件设计时的修正次序。

  (3) 采用以极端情况为规则的回溯搜索策略,可避免试探性设计过程设计方案组合爆炸,有利于提高设计效率。

发表于: 2007-04-16 13:40 天下无人不识君 阅读(5685) 评论(0) 收藏 好文推荐

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