建筑节能并行设计研究样本

建筑节能并行设计研究摘要：设计办法优劣将影响设计效率，建筑节能并行设计可提高建筑节能设计效率。本文在分析建筑节能设计信息模型基本上，提出建筑节能并行设计微循环模型，分析其设计过程分解与修正，并提出合用于建筑节能并行设计回溯搜索方略。核心词：建筑节能并行设计搜索方略AbstractForthedesign，themethodaffectstheefficiency.Theconcurrentdesignwillenhancetheefficiencyofdesigningenergy-efficiencybuildings.Onthebasisofanalyzingtheinformationmodeloftheenergy-efficiencybuilding，thispaperputsforwardtheMicro-Design-Cycleoftheenergy-efficiencybuilding，analysesit’sdecompositionprocessandcorrectionprocess，andestablishestherecursivesearchingstrategyfortheconcurrentdesignoftheenergy-efficiencybuilding.Keywordsenergy-efficiencybuilding，concurrentdesign，searchingstrategy关于研究表白：全球能源消耗中，45%用于满足建筑物取暖、制冷和采光等规定，5%用于建筑物建造过程。建筑设计方案与否满足节能设计规定在很大限度上决定了其整个寿命周期内与否达到建筑节能目，通过设计减少建筑能耗，可减少全球能耗，有助于保持整个生态系统稳定。节能建筑设计与评价密不可分，节能评价是实现建筑节能设计必要手段，节能建筑设计规定建筑设计人员在设计阶段对所设计建筑进行建筑能耗分析，以评价建筑方案与否节能。1建筑节能设计办法现状当前惯用建筑节能设计办法有两种：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性和围护构造热工性能等均按关于建筑节能原则进行设计。性能性指标由建筑热环境质量指标和能耗指标两某些构成，按性能性指标设计是指在同步满足建筑热环境质量指标和能耗指标前提下，设计人员可自行拟定建筑物体形特性和围护构造热工性能等详细技术参数。按规定性指标设计使设计人员挣脱了复杂计算分析，在保证工程设计合理性和成功方面有重大作用，但由于拟定规定性指标重要考虑普遍状况，而每一种工程均有其不同于普遍状况特殊性，因而规定性指标对合用范畴内一种详细工程往往不是最佳，即按规定性指标很难进行优化设计，同步按规定性指标设计容易阻碍新技术应用和压抑设计人员创造性。按性能性指标设计使建筑节能设计原则具备充分灵活性，为新技术采用和详细工程项目最优化创造了条件。其信息流如图1所示，图中各个设计信息相应于建筑物体形特性设计、围护构造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，进而评价所设计建筑与否节能，建筑能耗计算办法和节能评价办法选取成为这种设计办法重要内容。国内对建筑节能评价研究相对缺少，当前建筑节能评价普通采用比较建筑能耗计算值和有关节能原则指标值办法，建筑能耗计算值则通过相应能耗分析软件获得，若评价成果表白所设计建筑并不节能，则需要设计人员凭借个人设计经验对设计方案进行重复修改。国外已基本解决建筑节能设计原则灵活性和建筑节能评价办法问题，初步实现了建筑围护构造节能平衡分析，但设计信息与评价信息之间缺少沟通，尚未实现建筑设计过程动态评价和建筑设计全局优化。可见，按性能性指标进行建筑节能设计存在如下缺陷：(1)过于依赖能耗分析软件。（2）过于依赖设计人员设计经验。事实上，当前得到权威构造确认能耗分析软件数量不多且推广限度不大，就能耗分析软件自身而言，仍存在提高运营速度、改进人机界面等问题；而设计人员经验需要长期积累。鉴于既有建筑节能设计办法局限性，摸索新设计办法成为必然，本文拟采用并行设计思想，提出建筑节能并行设计办法，实现设计过程和评价过程交叉、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本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、信息运动规律为研究内容，把扩展人信息功能作为研究目的科学[1,2]。根据性质来分类，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状态和方式；语义信息指事物运动状态及状态变化方式含义；语用信息指事物状态及状态变化方式效用。设计是为实现一定目的而谋求和选取满意备选方案活动，它反映出设计对象状态，因而建筑节能设计可当作一种语法信息，节能设计过程就是信息运动过程，信息运动规律可应用于设计过程中。信息科学研究信息运动规律涉及信息产生、信息提取、信息再生、信息施效等四类，其普通模型如图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；设计对象自身所包括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过程；信息解决过程是设计主体依照试探性设计信息进行节能评价过程；设计主体依照设计目的和信息解决成果产生决策信息，这一过程即为信息再生过程；设计主体依照决策信息进行拟定性设计过程就是信息施用过程；作用于设计对象拟定性设计信息即为受用信息。信息提取、信息解决、信息再生、信息施用由设计主体完毕。2.2并行设计理论并行设计属于设计理论和办法学范畴[3,4,5]，其自身也是设计理论和办法学研究对象。并行设计强调产品开发各环节之间实现最大限度交叉、并行及协调，其实质就是把老式“设计——评价——再设计”大循环转变为多次“设计——评价——再设计”小循环，以便尽量早地发现设计中存在问题。工程设计本质上是顺序性、交互性，所谓“并行”并不是指同步进行，而是指逐渐、交替地实现设计、工艺、管理等活动，在设计阶段每一环节都最大也许地考虑到关于后续环节约束，由此，并行设计所说“并行化”应当理解为通过对产品设计对象和设计进程精心分解，达到有效协同实行开发周期中诸多子活动、子任务目。从信息科学角度看，设计过程可提成分析、综合、评价三个过程构成，其通用模型如图4所示。分析作用是依照事物功能需求，把客观世界简化为模型，把问题分解到可以解决限度；综合伙用是把元素组合成一种能工作整体，提供各种备选方案；评价作用是检查设计方案与否能实现既定目的。分析和评价都需要接受评价产生反馈信息，设计者重复回到设计过程起点，完善和改进设计方案，直到满足设计需求。设计过程从总体上来说是顺序性，但设计过程可提成各种阶段，各阶段涉及若干子任务，每个子任务分别工作于设计对象不同方面。设计过程中不一定要等所有子任务完毕后才开始后续设计活动，如果有与之相适应描述设计对象方式，使得提迈进行下游环节子任务依然有她们所需完整信息，那就完全有也许把子任务按其解决对象重新构成某些彼此相对独立工作循环，并使这些工作循环在一定限度上并行进行。文献[3]开发微循环模型可以实现上述设计并行规定，其基本思想是把工程设计过程分解成一系列设计微循环过程，如图5所示。在每个微循环中，依照已知信息内容可以同步进行从概念设计到详细设计中某些或所有活动环节。微循环模型是一种宏观上并行、微观上顺序机制。将设计对象分解成子对象，宏观上并行机制使得设计人员可以同步工作于设计对象不同方面，从而缩短了整个设计周期；而微观上顺序机制使得从概念设计到详细设计各个详细活动环节依然有完整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设计分解应依照建筑节能设计普通规律来进行。综合考虑建筑节能评价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环节：①建筑所在地选取。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个室外气象特性固化于建筑所在地，在建筑节能并行设计中，当建筑所在地拟定后，这4个参数即为常量，无需进行节能评价。②体型特性设计。体型特性设计内容涉及：极限体型系数设计、体型完善系数设计、建筑朝向设计等。为以便顾客输入，建筑节能并行设计软件实现时可将3个体型特性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、右向窗墙比输入分别转化为窗户宽度、高度和窗户数量输入。④构件类型设计。构件类型设计内容涉及：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、吸取系数设计。在设计分解基本上，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”大循环被分解成各种“设计——评价——再设计”小循环，各个小循环设计普通不能一次性完毕，而是需要依照节能评价成果修正设计，因而建筑节能并行设计过程是试探性、循环过程。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顺序问题；构件类型设计修正应解决外窗、外墙、屋面设计修正顺序问题。本文依照建筑节能综合指标随窗墙比、构件类型变化率大小，分别对窗墙比设计和构件类型设计修正顺序进行排序。分析变化率采用建筑模型重要参数如下：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0.93W/(m2．K)，窗户传热系数为3.1W/(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变化如图7～9所示。建筑全年耗电量随窗墙比变化率从大到小依次为西向、东向、北向、南向；耗热量随窗墙比变化以南向最为明显；耗冷量随窗墙比变化南、北向相差不大。对于住宅建筑，东向、西向山墙普通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变化如图10～12所示，耗热量指标随外墙传热系数变化率较大；全年耗电量、耗冷量指标随外墙传热系数和屋面传热系数变化率基本一致。考虑窗户是建筑围护构造中热工性能最薄弱环节，其传热系数普通远不不大于外墙和屋面传热系数，构件类型设计修正时应优先修改窗户类型，另一方面修改外墙类型，最后修改屋面类型。4建筑节能并行设计过程搜索方略[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]状况，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构成。由于缺省参数选用品有随机性，若没有有效搜索方略，将会产生试探性设计方案组合爆炸，从而减少建筑节能并行设计效率。惯用搜索方略有盲目搜索和启发式搜索两类，盲目搜索涉及回溯搜索、广度优先搜索、深度优先搜索等。盲目搜索按预定控制方略进行搜索，搜索过程中获得中间信息不用来变化控制方略；启发式搜索需要有与问题自身关于信息。因而，盲目搜索不涉及语义、语用层次信息，适合于语法层次信息搜索，而启发式搜索则适合于语义、语用层次信息搜索。回溯搜索方略是一种试探性搜索方略，其基本思路是：先选取一种规则，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种规则，通过若干次回溯，终归可以得到解答。衡量搜索方略性能准则普通有三个：①完备性。即只要问题有解，在搜索方略控制下就一定能找到解。②尽量避免无用搜索。即增强搜索目性，尽量避免产生及考察无用选项。③控制开销小。即规定搜索方略实现简朴，选取及调度可用知识开销尽量小。本文拟采用回溯搜索方略。为提高回溯搜索效率，在分析建筑节能评价特点基本上，提出以两个极端状况作为回溯搜索规则，从而大大减少规则数量，如图13所示。所谓极端状况，就是最不利状况和最有利状况。最不（有）利状况是指选用最不（有）利于节能评价指标，如：选用墙体类型缺省参数时，传热系数最大（小）选取项即为最不（有）利状况。采用极端状况作为规则回溯搜索方略完全符合衡量搜索方略性能三个准则，可以避免节能评价指标组合爆炸，提高建筑节能并行设计效率。图13建筑节能并行设计过程描述如下：①设计人员输入第i步设计设计参数；②按最不利状况选用缺省参数，节能评价程序对此时试探性方案进行评价；③若试探性方案达到顾客规定节能率，则后续设计参数可由设计人员自行输入，无需再进行节能评价；④若试探性方案节能率达不到顾客规定，则缺省参数按最有利状况重新选用