论文推荐 | 基于寒冷地区气候适应性的大空间建筑形体优化设计——以辽东湾邮轮码头客运中心为例

上述方法应用于辽东湾邮轮码头客运中心设计实践中，对建筑形体的优化显著地提高了建筑节能效果和舒适度指标，为寒冷气候区大空间建筑形态研究起到支撑。

1.1 气候环境分析

1)由图3a可知：场地太阳辐射较为均衡，每年5月太阳辐射强度最大，全年其他时间段太阳辐射较为柔和。2)由图3b可知：场地夏季日间平均温度达到25 ℃以上，气候较为炎热；冬季日间温度时常低于零下5 ℃，气候较为寒冷。3)由图3c可知：场地夏季湿度较大，结合温度判断场地可能形成湿热环境，人体舒适度较差。全年时段湿度均较高，但大部分时间湿度均在50%至70%的舒适湿度区间内。4)由图4可知:全年风向变化较为复杂，冬季以东北风为主，夏季以西南风为主。从全年风速情况看，每年春季风力较强，平均风速高于5 m/s，室外风环境舒适度较差。

为解决上述问题，我们采用了Ladybug工具对其进行定量分析。Ladybug插件是基于Grasshopper参数化设计平台开发的气候分析工具，它与多种设计平台具有良好的兼容性以及可操作性。建筑师可利用Ladybug插件进行气候数据分析，提高设计中的决策判断。Ladybug支持标准EPW天气文件，较其他气候分析软件具有更好的可视性，并且可以基于Grasshopper平台对参数进行调整，获取数据更加灵活方便。

1.2 初始形态生成

在辽东湾邮轮码头客运中心设计方案的创作过程中，我们希望新建筑能够如同自然生长一般，与周围自然环境融为一体。经过对场地周边环境的观察与思考，最终选取海礁石作为设计出发点，希望通过模拟场地附近海岸线上层叠不规整的礁石作为建筑的形态(图5、图6)。

基于对气候条件的分析以及对建筑设计概念的思考，建筑屋顶被设计为向东北方向延伸的坡道。坡道方向顺应了场地冬季的主导风向，既可以减少冬季迎风面的面积，又可以作为上人屋面登高望远。经过地景化的处理，建筑形体最终被确定为高低错落的两个三角形体量，大体量作为建筑主体空间使用，小体量作为设备间及辅助用房。

1.3 形态拓扑控制

建筑形态拓扑模型是利用拓扑原理控制建筑形态的参数化模型^[5]。建筑拓扑模型的控制参数应当符合建筑实际的功能、形态、经济成本等方面的要求，具体体现为限定拓扑模型可变参数的取值范围。在优化设计中需要依据建筑设计的设计思路、周围场地对于建筑的限定条件以及建筑设计规范等多种设置控制参数的约束条件。

在辽东湾邮轮码头客运中心方案中，由于大三角形体量是建筑主体，承担建筑的主要功能，因此优化主要针对其展开。依据建筑用地红线以及建筑内部空间功能使用的考虑，建筑地面保持基本不变，建筑形态的调整通过改变屋面坡度、立面旋转角度以及立面倾斜角度实现(图7、图8)。屋面坡度受到建筑内部功能的约束，立面旋转角度以及立面倾斜角度受到建筑美学以及环境心理学的约束，基于以上考虑确定三个约束变量参数范围：屋面坡度范围为4°～8°；立面旋转角度范围为5°～25°；立面倾斜角度范围为0°～20°。

图8 建筑形态的几个变化展示

Fig.8 Several changes in building form

2.1 建筑能耗计算

建筑运行能耗可以作为建筑形态的评价指标。EnergyPlus建筑能耗模拟引擎由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发，被全世界广泛使用。此软件完全开源，并且与Ladybug、Honeybee插件有很好的兼容性，因此本案选用该软件对建筑能耗进行模拟。

在建筑能耗模拟过程中可以通过调整控制拓扑模型参数获得不同建筑形态下的能耗数据，本研究中三个控制参数可以形成上千种组合，即可形成上千种不同的建筑形态。利用Grasshopper平台下Galapagos全局最优解工具可以简化计算过程^[6]。Galapagos工具提供遗传算法和退火算法两种优化算法，其中遗传算法可以模拟生物进化逻辑，通过样本迭代筛选出能耗最优解，为研究拓扑形态与建筑能耗的关系提供了便利。

利用Galapagos工具对建筑拓扑模型能耗进行计算，求解最小能耗及对应参数，将结果按能耗从小到大排列，前20组数据结果如表1所示。由表可知，所获得的前20组数据中屋面坡度均为4°，因此可以推测屋面坡度为4°时，建筑能耗较小；前20组数据中立面旋转角度波动范围较大，其中18°～20°占比重较大，但也存在5°的个例；前20组数据中立面倾斜角度均小于20°，前10组数据倾斜角度均小于10°，因此推定立面倾斜角度越小越好。

表1 目标函数为建筑能耗前20组数据结果

Table 1 The first 20 sets of data for building energy consumption as the objective function

2.2 用户满意评估

建筑运行能耗并非建筑评价的唯一指标，用户使用过程中对建筑的满意度同样重要。用户使用满意度与室内温度、相对湿度以及太阳辐射情况等因素均有关系，Grasshopper平台下PMV模块可以对使用过程中的不满意度进行计算。

同样可以使用Galapagos全局最优算法运算器对样本进行迭代，探索拓扑形态与建筑使用满意度的关系。设定最大满意度为计算目标，并按照不满意度从大到小排列，前10组数据结果如表2所示。

表2 目标函数为用户满意度前20组数据结果

Table 2 The first 20 sets of data for customer satisfaction as the objective function

对数据进行分析，前20组数据用户满意度均在57.32%～57.33%之间，其屋面坡度集中在4°；立面旋转角度范围在7°～17°之间，平均值为 10°；立面倾斜角度范围在2°～8°之间，平均值为5°。虽然立面旋转角度与立面倾斜角度变化范围较大，但最终使用满意度情况接近，因此推测屋面坡度对用户使用满意度影响较大。

3.1 整合评价指标

前文对建筑运行能耗与用户使用满意评估分别进行了计算，但从中看到两个优化目标的结果并不统一。建筑形体评价指标不限于建筑能耗与使用满意度，本文只将其作为探索寒冷地区建筑气候适应性的主要因素。不同评价指标下建筑形态可能有所不同，将不同评价指标模型进行耦合可获取综合情况下的全局最优解^[7]。

由于能耗数据数量级远大于满意度数据，因此需要增加一个系数以平衡数量级。将调整后的运行能耗与用户满意度数据叠加作为Galapagos电池的计算目标，将拓扑模型的控制参数作为Galapagos电池的变量，设定求解目标最小值获取最优建筑形态^[8]。将数据从低到高排列，前10组数据结果如表3所示。

表3 多目标函数前20组耦合数据结果

Table 3 The first 20 sets of coupled data for multi-objective functions

通过计算获得，建筑形态最优数据值为：屋面坡度为4°，立面旋转角度为14°，立面倾斜角度4°。其最终形态如图9所示。

图9 耦合模型最优解形态

Fig.9 The optimized shape of conpling model

3.2 形体优化分析

对数据进行分析，前10组数据中9组数据屋面坡度为4°，推断屋面坡度在可变范围内取最小值时，即室内空间高度刚刚满足需求时，建筑能耗与使用满意度均处于较优水平。前10组数据中7组数据立面旋转角度大于12°，4组数据大于15°，确定立面旋转角度适宜范围在12°～21°之间。前10组数据中8组数据立面倾斜角度小于5°，5组数据小于4°，确定立面倾斜角度适宜范围在1°～4°之间。

本文对建筑形态的气候适应性优化研究基于建筑设计初期方案概念生成阶段，并未考虑建筑形体细化后开窗遮阳等部件对建筑能耗及使用满意度的影响。相比已完成的建筑方案，在建筑设计初期对建筑形体进行优化有着更好的灵活性与便捷性，为最终建筑形体的确立奠定了基础。

3.3 最终设计成果

基于耦合模型计算获得建筑形态最优解，即屋面坡度为4°，立面旋转角度为14°，立面倾斜角度4°，建筑师对方案进行了深化。在现有建筑轮廓的基础上，建筑师按照功能对形体进行了划分，并引入庭院、廊道等对方案进行完善(图10～13)。

图10 辽东湾邮轮码头客运中心建筑形态：鸟瞰图

Fig.10 Aerial view of Liaodong Bay cruise terminal passenger center building

图11 辽东湾邮轮码头客运中心海面人视图

Fig.11 Sea-level view of Liaodong Bay cruise terminal passenger center building

图12 辽东湾邮轮码头客运中心主入口

Fig.12 The main entrance of Liaodong Bay cruise terminal passenger center

图13 辽东湾邮轮码头客运中心庭院

Fig.13 The center courtyard of Liaodong Bay cruise terminal passenger center

建筑师首先依据构思对坡屋顶进行处理，利用地景化的设计手法将建筑与大地融合，采用上人屋面使得地面向天空延伸，同时引入庭院营造礁石一般起伏的形态，与上人屋面共同构成室外活动空间，为枯燥旅途中的乘客提供了丰富的选择。室外庭院利用形体中空间高度不满足室内使用的部分，同时将乘客使用空间与圆孔辅助空间进行了分隔。主体建筑室内空间被分割为两层，入口右侧室内空间最高区域作为交通中庭，进出站流线组织清晰合理，满足使用功能的需求。经过建筑细节调整，形体摆脱了交通建筑单调乏味的刻板印象，为辽东湾地区注入了新的活力。

本文对建筑形体的优化方法建立在建筑初步形体概念之上，是建筑形体与气候因素关系的定量分析，是对建筑师主观设计概念的调整优化。所采用的建筑形体拓扑优化方法为建筑师提供了新的设计思路，在全球化可持续发展的大背景下具有一定意义。

以辽东湾邮轮码头客运中心设计实践为基础，提出基于“模拟—计算—筛选”的寒冷地区大空间建筑形体优化方法。

1)建筑形态模拟。借助数字建模平台构建参数可控的建筑形体拓扑模型，对合理参数范围内的建筑形态进行模拟。

2)建筑性能计算。借助数字模拟软件对生成的建筑形体的运行能耗以及使用满意度指标进行计算，分析建筑形体控制参数对建筑评价指标的影响。

3)建筑形体优化。利用遗传算法工具对建筑形体进行优化，并对计算结果进行评估筛选，进而确定用于实施的最优建筑形体。实践证明，该方法避免了以往建筑师以主观视角认识气候条件的缺陷，以定量的方式对建筑性能进行了提升，实现了寒冷地区建筑的节能与舒适目标，对促进绿色建筑在我国发展起到了理论与现实推动作用。