基于Ecotect－GRA模型的建筑方案综合优选

沈 琳，李希胜，高蓓超

(1.南京林业大学 研究生院，江苏 南京210037;2.南京林业大学 土木工程学院，江苏南京210037)

提高建筑决策设计的质量，在建筑决策设计阶段进行方案优选具有十分重要的意义。据统计，方案决策设计阶段对建筑性能的影响达到50.2%，设计阶段达到48.3%，施工和使用阶段则分别为0.7%和0.8%［1］。前期方案设计决定了建筑的功效以及发生设计变更后的成本变化，项目全寿命期过程中各阶段工作对建筑效果的影响程度以方案前期设计最为显著［2］。

影响建筑产品综合性能的设计因素众多，属于典型的多目标多属性决策问题［3－4］。已有相关学者针对决策设计优化开展了研究，如TSANAS等［5］以采暖负荷和制冷负荷为评价指标，识别高度、朝向变化对评价指标的影响;FAIZI等［6］从热环境、太阳辐射、采光和遮阳4个指标，采用模糊决策对4个预设方案进行优选;TAGLIABUE［7］从亮度、照度和采光系数3个方面，对3个办公室方案进行节能分析;LIN等［8］从能耗的角度，研究了绿色建筑方案设计阶段的参数化设计方法。现有方案优选除了功能指标的单一性之外，对设计因素的选择也基本局限于单因素，如严钧等［9］通过改变遮阳板的位置、更换窗材质、选择不同的外墙，比较对建筑能耗的影响大小;刘金霞等［10］模拟分析了外窗遮阳情况，得到各朝向外窗的遮阳形式以及大小设计范围;杨茜等［11］对相同面宽不同平面形式和不同面宽相同平面形式两种情况进行了自然采光的模拟，得出了建筑平面形态对自然采光的影响规律等。从以往研究来看，建筑方案设计决策主要存在以下不足:①没有从建筑师的角度建立基于集成的决策设计影响因素集;②基于综合的环境性能决策设计指标体系不完善，环境性能分析以单项性能分析为主;③决策评价方法主观性较强。

1 建筑性能模拟及灰色关联度决策

1.1 建筑性能模拟工具

鉴于建筑本身所承载的多目标及其环境控制系统的复杂性，仅凭经验或简单的计算无法准确判断设计方案优劣，运用计算机模拟手段指导设计是提升建筑性能的有效手段。当前常用的建筑性能模拟分析软件很多，常见的性能模拟软件如表1所示［12］。

笔者选用Ecotect进行方案性能模拟的原因为:①其适用于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析(green building studio，GBS;virtual environment，VE软件也可选用)，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，可以与一系列精确分析软件相结合做进一步的分析。依据具体项目所在地的气象资料，实时反馈分析数据［13］，更加准确地完成太阳辐射、热环境、光环境、声环境、建筑投资等综合性能分析;②可与三维建模工具Architect Revit实现数据共享，并可将分析数据直接以Excel的格式导出，便于后期数据处理［14］。

表1 常用的建筑模拟分析软件

1.2 灰色关联度决策方法

灰色关联度分析是一种多因素统计分析方法，用来描述因素间关系的强弱、大小和次序。通过对灰色系统内有限数据序列的分析，寻求系统内部各个因素之间的关系，找出影响目标值的主要因素，进而分析各因素间的关联程度［15］。灰色关联度分析的具体步骤如下:

(1)确定比较数列和参考数列。设评价对象为m个，评价指标为n个，比较数列为:Xi={Xi(k)|k=1，2，…，n}，i=1，2，…，m;参考数列为:Xo={Xo(k)|k=1，2，…，n}。

(2)确定各指标值对应的权重。W={Wk|k=1，2，…，n}，其中Wk为第 k个指标对应权重。

(3)计算灰色关联系数:

式中:ξi(k)为比较数列Xi与参考数列Xo在第k个评价指标上的相对差值;ρ为分辨系数，在实际使用时，应根据序列间的关联程度选择分辨系数，ρ∈［0，1］，一般取 ρ=0.5。

在林业的发展中，造林有着重要的作用，造林质量的高低直接决定了林业发展的水平。因此，在林业的发展中必须加强营林和造林，同时对影响其发展的因素进行给分析，及时采取有效的措施进行解决。现阶段，我国的营造林工作任务比较艰巨，同时随着生态环境的进一步恶化，这给营造林带来一定的难题。相关的工作者应该努力提升造林的质量，不断促进林业经济效能的发挥和生态环境的建设。

(4)计算灰色加权关联度，进行评价分析。灰色加权关联度的计算公式为:

式中，ri为第i个评价对象与理想对象的灰色加权关联度。

根据灰色加权关联度的大小，对各评价对象进行依次排序。

2 建筑方案设计决策模型

2.1 建筑方案设计参数选择

不同设计阶段所考虑的设计因素是不同的，表2［16］列出了建筑方案决策设计阶段基于集成的设计方法所应考虑的设计参数。通过设计参数的变化，形成不同的设计方案。假设选取了S个设计参数，每个参数有Qj个变化，则总的设计方案个数A为:

表2 建筑设计参数的选择

2.2 建筑方案评价指标选择

建筑产品的综合性能十分复杂，决策设计阶段现有的基于整体性能评价体系无法统筹兼顾。基于建筑性能模拟的决策设计阶段指标体系既要体现系统性又不能面面俱到，笔者以Ecotect软件所能提供的模拟分析结果为依据，提取出决策设计阶段评价指标体系，如表3所示。

表3 基于Ecotect－GRA的建筑性能评价指标体系

2.3 Ecotect－GRA 评价模型

以表2所列设计参数为设计变量，利用Ecotect对不同设计参数进行性能模拟后可以得到对应评价指标值Xi，在Xi指标数据序列中选出一个最佳值作为最优参考数据序列Xo的各实体xok，待选的建筑设计方案各项指标值作为比较数列Xi的各实体xik，求关联度ri。关联度越大，说明被评价方案与建筑性能最优的方案越相似，即关联度大小顺序就是设计方案的优选次序。具体过程如下:

对于一个由m个设计方案，n个评价指标构成的系统，可有下列矩阵:，选取的参考数列为:

(2)指标值规一化处理。为使各指标之间可以比较，需要对各指标值进行规一化处理。

(3)计算关联系数。将规范化后的数列Xo=(xo1，xo2，…，xon)作为参考数列，Xi=(xi1，xi2，…，xin)(i=1，2，…，m)作为比较数列，利用式(1)计算关联系数 ξik(i=1，2，…，m;k=1，2，…，n)，得到关联系数矩阵:

式中，ξik为第i个设计方案的第k个指标与第k个最佳指标的关联系数。

(4)计算单层次的关联度。考虑到各指标重要程度不同，关联度计算采用加权平均。获得子层各指标相对于父层目标优先权重为:为该层中指标个数，则关联度的计算公式为:

(5)计算多层评价系统的最终关联度。对一个由L层组成的多层评价系统，最终关联度的计算方法为:将第L层各指标的关联系数进行合成，分别得到它们所属的上一层即L－1层各指标的关联度;然后把这一层所得到的关联度作为原始数据，继续合成得到第L－2层各指标的关联度，以此类推，直到求出最高层指标的关联度为止。

(6)建筑设计方案优选。依据关联度ri(i=1，2，…，m)大小进行排序，关联度的大小顺序即为建筑设计方案优选次序。

3 应用实例

3.1 工程概况

本工程为两层框架结构住宅，基础为条形基础，建筑总面积 273.2 m2，层高 3.3 m，室内外高差0.5 m，设计使用年限为50年，屋面防水等级为Ⅱ级，耐用年限15年，建筑耐火等级为Ⅲ级。

3.2 设计参数及方案确定

考虑到建筑朝向、窗材质对建筑能耗有着直接的影响，而窗墙比的大小不仅影响着建筑能耗，还与采光系数大小有着密切联系［17］，本案例选取建筑朝向、窗墙比和窗材质3个设计参数作为研究对象，即S=3。利用Ecotect的Weather Tool工具分析得到最佳朝向为200°，分别偏离最佳朝向左右各10°，形成建筑朝向3个设计参数变化，即Q1=3;在气候区划上，南京属北亚热带湿润气候，“夏热冬冷”是南京显著气候特征。依据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，确定窗墙比如表4所示［18］。窗尺寸设计为1 200×1 500，1 500×1 500，1 800×1 500 这3种，即 Q2=3;窗材质选用单层木框、双层木框和双层铝合金这3种材质，即Q3=3。则总的设计方案组合数A为27个，具体方案组合如表5所示。

表4 不同朝向外窗的窗墙面积比限值

表4 多目标方案的构成

3.3 Ecotect－GRA 模型计算

按表5所列方案组合，选取热环境中的能耗和光环境中的采光系数作为评价指标，利用Ecotect2010进行模拟计算得到不同方案的指标值，结果如图1所示。

从建筑性能的评价角度来说，采光系数大且总能耗低为最优。但随着采光系数的增大，总能耗也在不断增加。图1所示采光系数折线图明显呈现出3段变化相同的折线，这是因为Ecotect中使用CIE全阴天分布计算模型计算采光系数，此时采光系数与建筑朝向无关，即当窗墙比和窗材质相同时，不同的朝向所计算出的采光系数相同。由于本案例的光环境和热环境评价指标均属于室内环境的研究范围，已有学者［19－21］采用不同方法研究相关的权重分配，本例取相应研究结果的均值。此外，由于南京市采暖能耗和制冷能耗时间分配大致相等，因此能耗下的采暖和制冷这两个二级指标权重均取0.5。利用式(2)～式(7)，编写简单的计算机程序对Ecotect－GRA模型进行求解，解出27个设计方案的关联度并排序。

3.4 结果分析

本案例的最佳方案为O3R1M2组合，即朝向为190°，窗规格为1 200×1 500，双层木框窗。优选结果表明，尽管建筑朝向并非Weather Tool中分析所得的最佳朝向，但并不影响最终最优结果的选择。从节能和采光效果综合优化角度分析，案例计算所得结论符合预期。比较本例所有方案，可知使用双层木框窗的方案，较同等级别下使用单层木框窗和双层铝合金窗方案的能耗要低，因此从单因素分析角度应当选择双层木框窗，而实际优选最佳方案同样满足要求。

图1 不同建筑设计方案评价指标值

4 结论

使用Ecotect分析软件，可直观获得模拟建筑方案各项性能指标，为设计方案的前期优选提供依据。对于本例的有限个方案优选，采用Ecotect－GRA法比较适用。但若参数值为连续变量，则会形成无限多个方案，形成所谓的设计NP问题，此时运用Ecotect－GRA难度较大，需要寻求更加合适的优选方法。

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