基于能耗和采光的寒冷地区高校教学楼建筑形体多目标优化研究

摘要

随着国家对高等教育的愈发重视，高校建筑成为公共建筑的重要组成部分。为了满足教学与科研需求，高校建筑面积不断增长，建筑的能源消耗也大幅提升。与此同时，天然采光与人的视觉舒适度和工作效率紧密相关，由于学生在教室内需要进行长时间的视觉工作，因此光环境的合理设计同样重要。建筑形体作为方案阶段重点考虑的因素之一，对建筑能耗和天然采光均会产生显著影响。　　然而，高校教学楼的性能影响因素众多，除了建筑形体之外也包括围护结构参量与其他的空间参量，建筑形体的重要性缺乏量化依据的支撑。同时，采光与能耗的多目标问题多侧重于建筑遮阳、窗墙比等参量，围绕建筑形体等空间参量的研究相对较少。此外，对于建筑形体的优化设计，如何对外部形体与内部空间同时实现模型的参数化生成也是需要解决的问题。基于以上背景，本文以建筑能耗和天然采光作为性能目标，基于节能贡献率与多目标优化算法，对寒冷地区高校教学楼展开系统的优化设计研究。　　首先，基于寒冷地区高校教学楼的典型模型与标准模拟计算方法，本文以Grasshopper作为性能仿真的载体，对围护结构参量与空间参量进行建筑能耗模拟。根据模拟结果计算各参量的节能潜力，并从节能潜力排序中筛选出对建筑能耗影响最大的建筑形体参量作为优化变量。　　其次，针对高校教学楼庭院形、U形、L形、直线形四类典型形体，提出基于关键控制点坐标的形体生成语法，并以建筑能耗和天然采光作为优化目标构建高校教学楼建筑形体多目标优化方法。以建筑朝向、形体参数为决策变量，基于Grasshopper建立优化模型；以EUI、UDI100-2000为目标函数，通过Honeybeeamp;Ladybug展开性能模拟；以NSGA-II为优化算法，在MATLAB环境下搜索得到Pareto最优解。　　最后，根据所有非支配解目标函数的值域分布，量化建筑形体对性能目标的优化效果。对于优化方案选择，在Pareto最优解中依据不同的性能导向，筛选出能耗最优、采光最优、综合最优的三种特征解。对于优化参量设计，研究建筑朝向、教室进深、走廊形式、教室配比、庭院面积等参量的分布范围与变化规律。　　本文所提取的高校教学楼的典型模型可为后续的模拟研究提供模型基础；建筑形体生成语法与高校教学楼优化设计工作流程可为建筑师提供方法指导；设计参量与建筑能耗之间的量化关系、Pareto前沿上的优化方案以及建筑形体设计策略可为建筑师进行科学决策提供数据支撑。

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