低能耗设计的性能、成本、工时多目标优化研究——以北方地区高层办公建筑为例

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办公建筑具有运行周期长,环境品质需求高,能耗需求大的特征,在北方地区尤为显著。低能耗设计可有效降低建筑的能耗需求,对于建筑师来说,将低能耗理念融入设计过程中需要多因素之间的协调与权衡,而设计策略的经济性和设计过程的高效性是制约低能耗设计的关键要素。因此,本文以建筑师视角,对低能耗设计的能耗、成本及工时等关键要素展开了探讨。
  文章首先通过专家访谈探索办公建筑低能耗设计的现状、策略及存在问题。针对访谈所得设计策略,以问卷调查的形式对一线建筑师进行调研,并进一步明确得到22个主要设计策略作为文章后续研究对象。同时,基于调查中发现的问题,文章提出北方高层办公建筑低能耗设计的新模式及原则,并对具体方法(节能贡献设计方法、性价比设计方法和能耗成本工时权衡方法)进行论述。
  其次,本文以节能贡献为核心,对低能耗设计策略的节能潜力进行了研究。通过建立北方地区高层办公建筑典型模型,并基于Rhino+Grasshopper参数化平台,分别对场地与形体、空间、表皮、材料性能四个类别所包含的22个设计策略进行量化能耗模拟,得到设计策略的节能贡献排序及各个设计阶段的综合节能潜力。
  再次,以性价比为核心,对低能耗设计策略的经济性进行研究。基于上述贡献率分析结果,结合设计规范及市场调查,对设计策略所涉及的材料及构造成本单价进行统计,计算出各个设计策略的成本增量,并结合能耗模拟结果,得到所有设计策略的性价比及其排序,并在此基础上,提出低能耗设计的经济考量方法。
  最后,以能耗、成本、工时为核心,对工时管理下低能耗设计策略的适用性进行研究。本文引入博弈论中合作博弈与非合作博弈相关原理:统筹考虑节能潜力,成本花费和工时消耗,通过不同的策略组合在能耗、成本与工时三个目标之间进行博弈,探究不同的策略组合下三者的综合收益,并求解得到三者综合效益达到最高的纳什均衡解,即合作效益最高的策略组合。根据博弈结果所建立的高收益策略组合库可为一线建筑师提供备选方案,即统筹能耗、成本及工时的策略组合,从而提高建筑师的工作效率,为低能耗优化设计提供科学有效的理论指导。
  通过对上述节能贡献率、节能性价比以及工时消耗等要素的研究,本文希望基于建筑师视角,为低能耗设计策略的选择及实施提供更加科学、有序和高效的设计决策逻辑和方法,为多目标的全过程设计流程建立提供基础依据,为建筑师实现目标和效果导向的绿色建筑设计提供切实的实施路径。
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