光热性能目标差异化导向的超高层综合体表皮设计研究*

2022-10-27艾宏波崔百兴孔黎明

工业建筑 2022年7期

艾宏波崔百兴孔黎明

(1.西安建筑科技大学设计研究总院，西安 710000； 2.西安建筑科技大学建筑学院，西安 710000)

0 研究背景

随着我国综合国力的增强，超高层综合体随着城市的快速发展也不断增多，在为城市带来地标性的同时也带来了更多建筑能耗的问题。超高层综合体作为大体量、高高度的致密空间类型，对建筑设备的依赖程度较高，能源消耗较大，因此也具有较大的节能潜力。建筑表皮作为建筑物的围护结构，不仅能表达建筑的精神内涵和文化意义，同时也是建筑与环境交流的主要界面，具有很强的功能性[1]，对建筑节能和室内空间的光热舒适度有着重要影响。因此对于超高层表皮的研究和设计具有很强的现实意义。

在超高层综合体的绿色设计方面已有较多学者进行了研究。李振东等从3方面分析了超高层在绿色设计过程中的重点，并指出了降低建筑照明能耗能有效实现绿色设计[2]。李建梅以具体的超高层综合体为例探讨了其绿色设计措施。指出其设计应做好绿色设计措施，以达到与城市发展目标相融合的目的[3]。邵韦平等通过梳理中信大厦从设计到施工的全过程，多方面系统分析了其技术运用并取得大量技术突破和成果[4]。庄惟敏以超高层建筑为例，提倡高技术的节制，强调在理性框架下运用适宜技术解决工程难题并提升人居环境质量[5]。以上研究都关注了超高层设计中绿色技术的探索运用，但对建筑表皮的绿色设计上关注度较低，没有系统地利用性能优化的理论和方法在方案阶段进行生态设计，也没有回应超高层表皮存在的生态问题。在表皮优化上，韩昀松基于日照及风环境对建筑形态的影响做了详细研究[6]来进行表皮优化；王振飞等以建筑的自然采光为前提，进行了参数化表皮设计的实践[7]；徐松月等则基于风环境进行参数化表皮设计的实践[8]；司秉卉通过对日照的分析来进行表皮设计[9]。除此以外还有针对热环境、光环境、风环境、声环境等目标进行性能驱动的研究[10]。但是在表皮优化设计上，基于多个复合性能目标的优化设计研究还相对较少。

通过大量实践分析，当前超高层综合体表皮存在的问题总结为以下两点：首先，当前超高层的表皮多采用大面积的玻璃幕墙，虽然为其提供了良好的视野，但加剧了能源消耗，也为室内光环境的舒适度带来了挑战；其次，超高层的功能构成日趋复杂，不同功能空间对光热性能需求的差异性也逐渐凸显，同时气候对不同朝向空间的差异化影响也受到了人们的关注。面对上述问题，匀质且大面积玻璃的表皮形式显然已无法适应该需求。

本文通过系统分析当前超高层综合体的空间构成，从性能角度梳理不同空间对于光热性能需求的差异性，并对多种空间的表皮单元进行形态控制和多目标优化试验与分析。最后通过适宜的表皮设计来回应不同类型和朝向的空间对光热性能的差异化需求，构建具有生态特征并符合美观需求的气候适应性高性能表皮。

国王来了，他命令道：“今天，我要列一个算式‘100+20－10÷2’，能完成任务的人都站出来，按顺序站好。”国王看了下，“减号和除号呢？”“刚才加号在笑他们把数字越弄越小，生气了，睡觉去了。”乘号回答道。“什么？把他们叫回来。”

本实验选择台湾凌阳公司生产的TN_9红外探测传感器作为测温模块，外形如图3所示。它是一种集成的红外探测器，内部有温度补偿电路和线性处理电路。其测量距离大约为30m；测量回应时间大约为0.5s。测量距离∶目标直径=1∶1(如图4所示)，即传感器温度感测口到测量目标的距离a与测量目标直径b的比例为1∶1，当然如果测量目标为等温物体，测量目标的直径b也可以大于测量距离a，传感器的视场约为53.2°。传感器尺寸为12mm×13.7mm×35mm，体积较小，分辨率为0.062 5°C；而且它具备SPI接口，可以很方便地向单片机传输数据。

1 光热性能目标差异性解析

1.1 超高层综合体空间构成特征和研究对象选择

表1 超高层综合体空间组合类型Table 1 Space combination types of super high-rise complex

超高层建筑更高的高度和更大的面积使得单一的建筑功能不足以支撑自身的发展需求。同时城市发展也让城市空间的功能呈现出复合型特征，而常选址于城市中心地段的超高层建筑也往往成为融合商业、酒店、公寓、办公等多项功能为一体、具有功能复合型特征的建筑类型(表1)。它以多种功能竖向叠加综合开发的方式为主，突出超高尺度的塔楼对城市的标志意义[11]。

1.2.2光热性能目标选择与标准

本文以西安市超高层综合体塔楼为例，通过对西安已建成的15栋200 m以上超高层功能统计，塔楼部分主要包含办公、酒店和公寓等功能。故本研究假定塔楼空间包括办公、酒店和公寓三种功能，将塔楼表皮作为研究的对象。在塔楼形式的选择上以能对不同朝向的气候条件进行直观回应的标准层为正方形的塔楼为例，以西安的气象参数作为模拟的气候数据，设定其标准层边长42 m×42 m、高200 m，以此为基础进行不同类型空间表皮单元和表皮雏形的设计探索。

1.2 光热性能需求的差异性特征及标准

本文应用基于Rhino&Grasshopper 以及Ladybug& Honeybee平台的模拟程序，通过该平台调用光性能模拟引擎Daysim和Radiance，以及热性能模拟引擎Energyplus和Radiation Analysis来进行模拟分析。这几项模拟引擎其精度和适用性均在国际国内反复验证，具有很强的可靠性，可以很好地表达模拟结果。同时通过调研西安已建成的15栋200 m以上的超高层，并结合相关规范，得出光模拟反射系数设定值。程序设定将分别对以上核心引擎进行参数设置。Daysim相关参数设置如表5所示[18]。表皮单元采用铝板和玻璃组合的方式，通过调整表皮参数来影响室内的PMV，穿衣指数依据季节进行差异化设置来提高试验的准确性，如表6所示。Ladybug&Honeybee平台提供多种建筑运行数据供选择，模拟中对不同空间的建筑运行数据进行对应输入确保其合理性，如图4～6所示。

我国相关标准对汽化器出口温度均有严格要求，如： GB 16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》规定：低温液体汽化器出口应设有温度过低报警联锁装置，汽化器出口的气体温度不低于-10℃；GB 27550—2011《气瓶充装站安全技术条件》要求“汽化器的出口温度低于-30℃”；GB/T 14194—2017《压缩气体气瓶充装规定》要求“汽化器气体出口至充装管道的温度不得低于-30℃”。

经过对办公、客房以及公寓空间单元的多目标优化得到支配解和非支配解，其中非支配解是多目标优化中得到的可供选择的结果，该结果是在各项性能相互约束下形成的相对最优的解，并可以至少满足一个性能目标相对最优。通过对优化结果中非支配解的分布进行解析，进而分析各空间单元在光热性能综合权衡下可能形成的表皮单元模型形态可行解，为表皮设计提供参考。

治安法官作为英国的历史遗产，一直没有中断，幸存久远，运行良好，并发展嬗变为现代英国治安法官。因为治安法官在英国历史上每个关键时期显示了治安法官群体特有的气质和品质，审时度势，勇于自我革新，顺应统治者和形势的需要，就连资产阶级革命也没有将其摧毁打碎，反而为资产阶级所利用，治安法官最终幸存下来。因此，现代英国治安法官积淀了深厚的历史文化底蕴，带有极易察觉的历史痕迹，再现了英格兰法律发展历史连贯性。

光热性能目标的选取是模拟试验的重要环节，根据国内现行规范和大量参考研究，从超高层综合体室内光热性能的需求出发，对光热性能目标进行科学选取。在光性能目标选择上，采光系数(DF)和全天然采光百分比(DA)是最常用的自然采光评价目标。这两个目标中，DA可以有效地反映不同朝向的建筑室内自然采光的利用程度和视觉舒适度，弥补DF的不足。故本文选择DA作为光性能评价目标，试验的优化表现在DA的增加。

对于Radiation Analysis而言，在试验中夏季时段选取每年的6—8月份，冬季选取12月到次年2月份，以此计算对应时段在空间单元开窗面上的日辐射差值。在多目标优化的问题上，Octopus记录了多代运算结果数据，可按具体要求输出。

表2 热舒适感受冷热指数Table 2 Thermal comfort indexes

表3 光热性能目标差异性总结 Table 3 Summary of the difference of light and heat performance targets

面对上述多个性能目标，多数情况下这些目标间均存在相互影响甚至矛盾，如增大外窗面积虽然能够改善室内空间采光效果，但会引起建筑热舒适的劣化，两者呈现负相关关系[16]。面对表皮设计这样多变量、多目标的问题时，建筑师通过人工权衡已无法得出有效结论，而借助计算机进行多目标优化，为建筑师提供了新途径。

2 表皮设计流程与试验平台搭建

2.1 表皮设计流程

在光热性能目标差异化的导向下进行超高层综合体的表皮设计，需要进行参数化建模、性能模拟多目标优化和表皮参数化设计等多个环节。整个流程需要先对其业态组合类型对应的光热性能需求的差异性进行分析，确定优化目标及标准；再通过建立不同空间单元表皮参数化模型来进行多目标优化和模拟试验分析，从而对表皮设计进行指引；最后将表皮设计参数、模型和性能模拟值三者形成逐一对应的映射关系，便于建筑师进行数据和形态之间的比对和选择，并进行表皮雏形的参数化设计形成完整的过程，其流程如图1所示。

2.2 空间单元表皮参数化模型构建

超高层综合体虽然体量大，但其酒店、公寓等功能通常由相同标准层组成。所以在试验模拟中将同样功能、同样朝向的空间归为同类空间单元。在试验中将模拟类型分为办公、客房和公寓空间单元。由于在功能划分上，办公单元通常占据整个标准层，形成一个大空间，因此办公空间以整个标准层为空间单元；酒店客房和公寓则分别以东、西、南、北四个朝向单个房间为空间单元(图2、3)，构建9个空间表皮单元参数化模型。简化之后的模型除开窗面与空气接触，其他面设为绝热体，虽然这些面与相邻房间存在热交换的可能，但其与相邻空间室内热环境差异较小，经初步测试设为绝热体对模拟表皮光热性能指标影响很小，满足方案设计阶段表皮优化模拟所需精度。

试验中选取对室内空间的光热性能有着较大影响的表皮设计参数：表皮开洞率、表皮窗口深度以及表皮网格大小[17]作为表皮模型控制参数，其余参数均设为定值。由于三角形具有工程实践的稳定性，因此选择三角形网格镶嵌来进行表皮构建。以客房南向表皮单元参数化模型为例，根据设计和工程实践情况，表皮设计参数取值范围如表4所示。其余的空间表皮单元参数化模型与上述构建方法类似。

表4 模拟试验中表皮控制参数取值Table 4 Epidermal simulation control parameter values

2.3 光热性能模拟参数设定

1.2.1光热性能需求的差异性特征

表5 模拟试验中围护结构反射比设定Table 5 Reflectance setting of enclosure structure in simulation

本试验以西安所处的寒冷地区(Ⅱ区)的气候条件为例进行热性能目标选取，现行规范提到：寒冷地区应满足冬季保温防寒等要求，夏季部分地区应兼顾防热[14]。经过分析可知，日辐射是对建筑室内热性能影响最大的因素之一，同时室内空间对日辐射的要求在不同季节是具有矛盾性的，夏季和冬季的室内能耗主要为空调制冷和供暖能耗，因此设计上希望夏季减少进入室内的日辐射量从而降低制冷能耗，而冬季则希望增加进入室内的日辐射量，从而减少供暖能耗。本试验以开窗面的日辐射量来代表进入室内的日辐射量，即设计需求希望开窗面夏季的日辐射量RAD夏是越小越好的，而RAD冬则是越大越好，综合考虑下将夏冬季开窗面日辐射得热差值(RAD差值)最小作为优化目标：RAD差值=RAD夏-RAD冬，此时满足“冬暖夏凉”的需求[14]。对于室内热舒适而言，预计平均热感觉目标(PMV)应用最为广泛，其数值通常受到室内的使用状态和穿衣指数等因素影响，因此在模拟运行中应对这些条件做出区分。本试验中将室内空间的供暖制冷设备均设为关闭，即在非人工冷热源的情况下进行模拟，将全年不同季节的穿衣指数也进行差异设置。表2为PMV的冷热感觉量化值，试验选取-0.5

当前，人类社会正全面进入信息时代，以教育信息化带动教育现代化已成为教育创新与变革的重大战略抉择。教育部《教育信息化十年发展规划（2011～2020）》指出：“实现教育信息化手段是要充分利用和发挥现代信息优势途径，方法则是信息技术与教育的深度融合”“职业教育信息化是培养高素质劳动者和技能型人才的重要支撑，是教育信息化需要着重加强的薄弱环节”，所以，如何将现代信息技术更好地、更广泛地应用于职业教育，值得我们共同研究和探讨。

表6 穿衣指数设置Table 6 Dressing index setting

3 多目标优化试验结果分析

对于超高层综合体塔楼中的办公、客房、公寓三种主要类型的空间而言，不同空间的人员使用时间和频率、设备运行和空间划分方式均有较大差异性。如办公人员的工作时间多集中在白天，而对于客房和公寓而言，其人员使用时间多集中在晚上，不同的使用情况必然会对室内的热性能产生影响；而对于自然采光而言，我国现行规范对不同建筑空间的采光标准都有明确要求：办公空间的自然采光照度标准值为450 lx[12]，客房的标准值为300 lx[12]，而公寓空间的照度达到150 lx时就可以满足室内需求[13]，这体现了不同空间在照度需求标准上明显的差异性。同时，建筑所处的气候环境作用在不同朝向的空间上会在日照和日辐射等方面产生较大差异，这也是其重要的差异性特征之一。而塔楼的表皮形态需要对该差异性特征进行有效回应才可以实现绿色生态的高性能要求，这对表皮设计也提出了较大挑战。

本节多目标优化试验结果分析以南向客房单元试验为例，试验共进行20代模拟运算，耗时40 h左右，单次模拟平均耗时2 min。经多次优化计算，选取第20代结果为分析对象，得出非支配解的分布如图7所示，图中三维坐标轴分别代表RAD差值、DA和PMV，通过数据转换满足三个目标在该解空间评价上的统一，每个点代表一个非支配解。从图8的分布来看，在该空间单元其他条件不变，以表皮网格大小、开洞率和窗口深度为变量时，PMV与DA、RAD差值呈现负相关趋势，RAD差值与DA呈现正相关趋势。该设计过程希望DA和PMV保持在较高水平，而RAD差值保持在较低水平。从该代解集的二维坐标分布(图8b)中可以看到不同性能值域在该代的分布范围。其中DA的值域跨度为15.15%，PMV的值域跨度为7.04%，RAD差值的值域跨度为359.27 kW·h。综上可以看出，在光热性能上，PMV的值域跨度最小，DA和RAD差值值域跨度均大于PMV。在建筑形态方案的选择上，表皮形态控制参数在同样区间变化时，性能值域跨度范围越大，即表皮形态参数的变化对其产生的影响较强。因此对光热性能而言，受表皮形态控参数影响最大的是DA和RAD差值，在解的选择中需重点关注这两项目标。

提出了基于磁开关的近方波LC-Marx发生器技术路线，该路线的主要优势在于结构简单，实现了所有开关的固态化，免去了专门的触发系统，基于同一套磁芯控制系统以保证各级导通放电的同步性。发生器基于多倍频电压脉冲叠加的原理，实现了近似方波脉冲的输出。设计了具备10 GW方波脉冲输出能力的Marx发生器电路结构。结果表明，输出脉冲能够满足要求。下一步工作主要是完善所提出的近似方波脉冲Marx发生器的理论分析，进行结构设计与场分布模拟研究，为实际装置的构建奠定基础。

根据客房空间的使用率可知，其使用率高的时段均为晚上，说明白天对自然光的需求并不高。同时根据实践和文献了解到DA达到50%时即可认为该空间自然采光良好，所以客房的DA可以略低于50%。故在选解的过程中选定当DA300达到40%左右的时候，室内的自然采光即可满足使用，即把光性能目标DA300=40%作为限定条件，再进行PMV和RAD差值的分析选择。需注意的是，本文展开的形态非支配解的选择过程是要结合建筑师审美的主观性和具体设计需求在解集中进行选择的，选择的方式是多样的，解集中非支配解间的差别仅在于每个解对不同性能的回应程度不同。图9为非支配解点的选择在解空间中的分布，其中红色虚线为DA300=40%的位置线，在该线附近选取图中所示A点～E点5个解，其对应的表皮控制参数值、性能值及表皮模型如表7所示。表中数据显示各性能和表皮控制参数间的差异较小，这是所选解在解空间中分布较集中的缘故。A点解的PMV值在5个解中绝对值最大，为26.91%，即该项性能最优；而E点解的数据中DA300=41.60%，其值最大即该项性能最优，同时RAD差值为-362.55 kW·h，为5个解中最小则该项性能也为最优，B、C、D点解的性能值均达不到5个解的性能最优。故本次多目标优化试验结果选择E点解。

在选取E点解的基础上，引入同样大小的南向客房空间单元作为对照组进行性能模拟对比，该对照组为单层玻璃幕墙表皮，对照组性能模拟结果与E点解的性能模拟值如表8所示。从表中可以看出，对照组的DA为53.55%，大于E点解的41.60%；在PMV性能上，对照组为7.57%，远小于E点的26.34%；在RAD差值上，对照组为-335.39 kW·h，E点为-362.55 kW·h。通过以上对比分析，可以看出：E点解在PMV性能上远优于对照组，RAD差值在数值上小于对照组，则性能优于对照组，仅有DA在性能上E点解劣于对照组，综合来看，E点解的性能较对照组有明显提升。

表7 南向空间单元非支配解选点对应数据Table 7 The corresponding data of the selected points of the southern spatial unit in non-dominated solution

表8 对照组实对比分析Table 8 Comparisons of experimental performance of control group

以上为南向客房空间单元最优解选择的全过程，对其余8个空间单元而言，其最优解的选择过程与以上过程基本一致，但也存在差异性。公寓的居住属性和办公空间的办公属性使得其对于自然采光的需求高于酒店客房空间，故在试验结果分析过程中，公寓和办公空间应分别以DA150=50%和DA450=50%为限定条件进行解的选择；在三个性能中，虽然设计上希望三者性能均达到最优，但实践中存在较大难度，而首先满足一或两项性能的相对最优成为较好选择，对三种功能空间而言，公寓空间更强调热舒适性，因此应在解的选择过程中着重考虑PMV和RAD差值，对于办公空间而言，则更应考虑室内的光舒适性，即DA的性能；此外，在解的选择过程中也应考虑表皮形态。如某个解的性能虽然最优，但该解对应的表皮形态明显不符合建筑审美或构造需求，也应舍弃来寻求其他解。本节将表皮参数、性能值和表皮模型之间建立逐一对应的映射关系，为解的选择提供了基础。根据9次模拟试验的选择结果，整理为表9，便于对9个空间单元的各项数据有清晰的对比，为表皮设计提供参数参考。三种类型的空间单元非支配解选点对应数据如表9所示。

2.写作目的功利化。在调查中我们发现不少同学写作仅仅是为了应付老师或者提高自身成绩，目的功利化能激起一个人的斗志和激情，产生动力。但言为心声，长此以往，写作不再是学生表达心声的需要，他们笔下的文字会变得言之无物，没有感情，写作将会失去表达与交流的意义。

4 结束语

本文从超高层综合体室内光热性能需求的差异性入手，以其表皮为研究对象，结合西安的气候条件搭建了基于Rhino&Grasshopper和Ladybug&Honeybee优化平台，进行了9次超高层综合体空间表皮参数化单元的多目标优化和试验结果分析，进行了适宜的表皮设计参数寻优，为表皮设计提供了参数指导，并通过该参数呼应超高层综合体室内空间对光热性能需求的差异性。研究验证了光热性能目标差异化导向下，超高层综合体表皮设计的科学性和适应性；优化了光热性能导向下的表皮设计流程，可以有效辅助建筑师在方案设计以及表皮设计过程中进行表皮性能优化和决策，为创造高性能的表皮形态奠定技术条件。在未来的研究中可以继续对表皮形式和优化目标进行探索，继续完善此套设计方法。