基于G1序-物元可拓模型的重庆庭院式农宅绿色舒适度评价

张森林, 鲍安红, 胡嫚, 敖宁玉

(西南大学工程技术学院, 重庆 400715)

2019年,住房和城乡建设部发布《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2019)[1],和原《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2014)相比,新版绿色建筑评价标准更加突出坚持民生导向,以人为本,对建筑带给人的舒适度、健康性层面提出了新的高要求[2],但当前绿色建筑评分规则与庭院式农宅存在适应性不足的问题[3]。

近年来,重庆加快推进农房和村庄现代化,全面改善农村居民生活居住条件,2022年与四川联合开展“巴蜀美丽庭院示范片”建设,通过调研重庆渝西片区6个区县74户庭院式农宅,发现重庆庭院式农宅舒适度整体不高,需采取措施提升其室内外的舒适度。

国内外的研究学者对舒适度的研究主要集中在利用温度、湿度、风速等因素进行研究。例如,Cheng等[4]、Ng等[5]从风冷指数、风力指数、热舒适度研究室外舒适度,提出室外热舒适性由气温、风速、湿度、行为、着装、太阳辐射等因素共同影响,通过进一步研究后,表示社会以及行为因素也会影响室外热舒适度;胡兴等[6]从气候条件、生理调节、社会习惯和行为模式等4个方面分析室外热舒适度影响因素;邓粒子等[7]基于温湿指数、风寒指数和着衣指数建立了气候综合舒适指数。

部分学者从建筑与建筑环境方面探究了建筑对舒适度的影响。通过使用紊流模型进行研究,邹惠芬等[8]发现农村住宅依赖于火炕或火墙供暖无法满足居民的舒适性要求,并以此评价室内热舒适性;吕小勇[9]从室内温湿度、通风情况、建筑围护结构、窗墙比、绿色能源利用以及绿色意识等方面评价严寒地区村庄室内热湿环境;张杰等[10]针对内蒙古中西部居住建筑进行研究,得到了农牧民冬季室内可接受温度范围和期望温度;彭旭路[11]以上海黄金城道步行街为例,研究夏季街道热舒适的微气候因素;胡海辉等[12]以哈尔滨公园的植物群落为研究对象,来探究植物群落微气候与人体舒适性的关系。

针对农村居住建筑室内舒适性的研究已经比较成熟,但往往是涉及单个或某几个因素进行分析,缺少系统的指标体系,而室外舒适性研究还处于发展阶段,大多数研究者针对城市室外舒适性研究,对农村室外舒适性少有研究。

基于此,现针对庭院式农宅,从建筑及建筑环境角度,研究重庆地区庭院式农宅绿色舒适度评价指标,以期为后续庭院式农宅舒适度设计及改造研究打下基础。

1 绿色舒适度评价指标的选取

1.1 评价指标的选取

通过查阅舒适度评价、绿色农房评价等相关文献,以及《重庆市绿色建筑评价标准》(DBJ 50T-066—2020)、《民用建筑室内热湿环境评价标准》、《绿色农房建设导则》等国家、地区文件,筛选出与舒适度相关的建筑与建筑环境指标。通过实地调研重庆市永川区、江津区、荣昌区、潼南区等地的多个村落,调研重庆庭院式农宅建造情况、用能现状、主观舒适度,并访问当地村民,询问建筑及建筑环境影响其舒适度的因素。

根据上述两种方法建立了初步的评价指标池,通过与绿色建筑、农业建筑领域的专家、建筑工程师等多次沟通,确定重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标。将重庆庭院式农宅绿色舒适度评价分为1个一级指标,3个二级指标(包括建筑设计、建筑室内环境、场地生态与室外物理环境),以及18个三级指标,具体内容如表1所示。

表1 重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标

1.2 评价标准简要说明

1.2.1 建筑设计指标简要说明

(1)建设选址:①应位于安全区域;②应保护场地原有的地形地貌;③具备一定的交通便利性;④不应存在危害物质。

(2)建筑布局:①居住空间具有一定的灵活性;②空间划分合理;③有利于夏季通风、屋面隔热和遮阳,保证室内获得良好的日照和采光;④对其他民居不会产生光线或自然风的遮挡。

(3)建筑朝向:宜采用当地最佳朝向。

(4)建筑材料:应使用绿色低碳建材,使用率应达到20%。

(5)遮阳措施:采用适宜建筑遮阳技术,改善室内热舒适,遮阳面积占外窗透明部分比例应达到25%。

(6)无障碍设计:①室内外无障碍设计符合相关规范和标准;②室内外出入口、场地出入口和村庄道路之间应设有连贯的无障碍步行系统;③楼梯和坡道须设置防滑措施;④道路交通组织应便于人、机等通过,不同方位道路互相连接,同时减少占用土地面积。

(7)防水防潮措施:①卫生间和浴室地面应涂抹防水涂层,墙面和顶棚应使用防潮材料;②防水材料、外墙材料以及基底材料应相容,黏结可靠,且性能稳定,以达到防水、防渗的要求。

建筑设计下3级指标评分标准如表2所示。

表2 建筑设计指标评分标准

1.2.2 建筑室内环境指标简要说明

(1)室内空气质量:①避免厨房、卫生间等区域的空气扩散到其他空间;②设计规范的排污系统,卫生间应装置排气扇,厨房应配置抽油烟机;③房间中应无明显异味。

(2)室内噪声、隔声性能、室内灯光照明:应符合现行国家标准的规定。

(3)采光照度值比例:庭院式农宅室内主要空间至少60%面积区域,其采光照度值不低于300 lx的小时数平均不少于4 h/d。

(4)通风开口面积比例:庭院式农宅外窗应有利于室内空气流通,通风开口面积与房间地板面积的比例达到8%。

(5)围护结构热工性能:应进行围护结构节能设计,保证具有良好的保温隔热性能。

室内建筑环境下3级指标评分标准如表3所示。

表3 室内建筑环境指标评分标准

1.2.3 场地生态与室外物理环境指标简要说明

(1)庭院布局:①庭院设计需具有一定的统一性;②庭院空间保持均衡,各空间利用有效;③庭院地面平整,环境整洁卫生;④临近道路的农宅,应采取措施降低噪声影响。

(2)绿化美化:利用自然要素和人工条件进行庭院绿化美化,绿地率不低于5%。

(3)噪声分区:应符合现行国家标准的规定。

(4)典型风速和风向:场地内的风环境应有利于建筑的自然通风以及室外行走和活动的舒适性。

场地生态与室外物理环境下3级指标评分标准如表4所示。

表4 场地生态与室外物理环境指标评分标准

2 舒适度评价体系的构建

2.1 基于G1法的权重的确定

G1法又称秩序关系分析法,是对AHP法的改进,与AHP法相比,不仅能充分体现专家的经验和知识特点,而且具有计算量少、无需一致性检验等优点[13]。其步骤如下。

步骤1确定指标序关系。

步骤2确定相邻指标相对重要程度。

假设专家关于指标Xk-1与Xk的重要程度之比的理性判断为zk。

zk的赋值可参考表5。

表5 zk赋值参考表

步骤3确定权重系数Wm。

若专家给出理性赋值zk,则

(1)

根据10位绿色建筑和农业建筑领域的高校、企业专家的问卷调查,得出重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标权重,如表6所示。

表6 重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标权重

2.2 基于物元可拓模型的评价方法

物元可拓分析[14]可以将庭院式农宅绿色舒适度评价指标中不相容的指标转化为相容指标,使问题得到合理解决。

传统物元可拓模型通常使用最大隶属度准则确定评价等级。采用贴近度准则代替最大隶属度准则,避免最大隶属度准则确定评价等级时近似处理的缺陷,提高模型评判的可靠性[15]。

步骤1确定经典域及节域。

根据所构建的重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标体系,将舒适度等级划分为j个,影响舒适度的指标有n个,即c1,c2,…,cn,其评分取值区间为Vij∈(aij,bij),确定经典域矩阵Rj表示为

(2)

式(2)中:R为重庆庭院式农宅绿色舒适度;P为反映重庆庭院式农宅绿色舒适度的n个指标;C为评价指标;V为取值区间[15];anj和bnj分别为Vij的下限值和上限值。

节域物元矩阵是由待评价对象全体评价等级、评价指标以及对应的评价指标的取值范围组成,记作Rp[16]。根据重庆庭院式农宅绿色舒适度评价指标Ci全体等级的取值范围Vpi,确定节域物元矩阵为

(3)

式(3)中:apn和bpn分别为Vpi的下限值和上限值。

步骤2确定待评价物元。

以影响重庆庭院式农宅绿色舒适度的作用参数用物元表示,确定待评物元为R0,表达式为

(4)

式(4)中:P0为重庆庭院式农宅绿色舒适度的评价等级;Vj为影响重庆庭院式农宅绿色舒适度指标的评分。

步骤3等级贴近度计算。

采用贴近度准则进行舒适度等级评价,公式为

(5)

(6)

式中:Kj(N)为贴近度;Dj为距离;Ti为权重。

步骤4等级评判。

若满足式(7),则称待评物元N属于等级j。

Kj0(N)=maxKj(N),j=1,2,…,m

(7)

2.3 评价等级的划分

将重庆庭院式农宅绿色舒适度等级划分为4个等级,如表7所示。

表7 重庆庭院式农宅绿色舒适度等级划分

3 实例分析

3.1 模型的建立

选取对象为重庆永川区庭院式农宅,该农宅属于调研中的典型农宅,也是区级的最美庭院,现场实拍图如图1所示。

图1 建筑实拍图

根据图纸及现场测量情况,利用Auto CAD 2021绘制建筑平面布局如图2所示,利用Revit 2018进行建筑三维模型构建,三维模型图如图3所示。

图2 建筑平面布局图

图3 建筑三维模型图

3.2 性能分析

使用Ecotect软件进行建筑环境分析,Ecotect可以对建筑进行光环境、热环境、声环境、风环境等方面的模拟。

将Revit 2018中的模型通过gbXML格式导出,导入到Ecotect中,简化导入的模型,并导入重庆市气象资料,载入Ecotect的子工具Weather Tool,可以查看重庆市全年的气象环境资料[17]。由于用户主要在建筑一层活动与休息,选择一层进行建筑环境分析。

3.2.1 建筑朝向分析

通过Weather Tool[18]分析最佳朝向如图4所示,黄色箭头指向为重庆市建筑最佳朝向,为北偏南170°,红色箭头为最差朝向,为北偏东80°。该农宅呈东西走向,正门朝向为北偏西216°。

图4 最佳朝向对比图

3.2.2 光环境分析

通过载入重庆气象数据,Ecotect可以自动计算室外天然光的临界照度值。为了确保室内外的采光环境稳定,选用CIE全阴天环境作为设计天空。在进行采光分析时,根据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[19]选取距地面750 mm的平面作为参考平面。另外,还需在软件中检查模型表面法线方向,设置材料的光学物理参数以及合适的网格参数,以确保整个建筑被网格覆盖[20]。

由图5可知,农宅一层的客厅和楼梯处光线较弱,采光系数范围为0.3%～40.3%,室内天然光照度为10～1 410 lx,房间采光较差,需要增加人工照明。

图5 天然光照度分析图

3.2.3 风环境分析

利用Weather Tool[17],可以得到重庆地区的风环境数据,在自然通风策略下,可以提高4月和5月的室内舒适度,如图6所示。为了进行风速分析,将分析网格设置在1.5 m处,并借助第三方插件Big Winair,运算夏季风速并将其导入模型,可得夏季风速图,如图7所示,可知大门处风速较小,南侧及西侧风速较大。

图7 夏季风速图

3.2.4 围护结构热工性能分析

按照农宅实际使用情况设置参数[21],可以得到该农宅全年被动组分得失热分布情况,如图8所示。

对于建筑得热,通过围护结构得热占比17.8%,通过通风得热占比29%;对于建筑失热,通过围护结构失热占比34.4%,通过通风失热占比56.1%。表明该农宅通风情况良好,围护结构隔热效果较好。

3.3 理论基础评价

通过现场测量与性能模拟,定性指标邀请专家进行打分,评分结果见表8,得到G1序-物元可拓模型的评价结果。

表8 重庆某庭院式农宅评分表

二级评价指标权重Ti(x)和待评物元与经典域间的距离Dj(vi)(表9),一级指标的贴近度及舒适度等级(表10)。

表9 二级评价指标权重和距离

进而求该庭院式农宅与各舒适度等级的贴近度,如表11所示。

表11 该庭院式农宅与各舒适度等级的贴近度

选择在评价方法中常用的模糊综合评价法对其进行评价比较,结果如表12所示。

表12 重庆农村某居住建筑绿色舒适度评价结果

3.4 舒适度验证

于五月一天中午(温度28 ℃,体感温度32 ℃)对该农宅五人(其中常住人口两人)进行主观舒适度问卷调查[22],得到结果如表13所示,室内室外人体整体舒适度比较舒适。

表13 舒适度主观调查结果

4 讨论与结论

通过实地调研,发现重庆地区自建庭院式农宅通常不注重庭院的舒适性设计,庭院往往只用作晾晒农作物等,而在“巴蜀美丽庭院示范片”政策引导下,地方政府更多关注庭院式农宅的美观性以及村落农宅整体的和谐性,对农宅室内外的舒适性少有考量,在生活水平快速提高的当下,这将极大增加农村地区的能耗使用。

针对重庆地区庭院式农宅,从建筑及建筑环境这个较新的角度,系统性地选取舒适度评价指标,通过G1序-物元可拓模型建立评价体系,并进行实例验证分析,通过主观舒适度问卷调查验证了评价体系的合理性,从建筑设计、建筑室内环境、场地生态与室外物理环境等方面为庭院式农宅的设计与改造提供了优化方向,体系完善,具有广泛适用性,可以为成渝地区双城经济圈“巴蜀美丽庭院示范片”以及村民自建庭院式农宅提供建造及改造方向,引领重庆地区庭院式农宅舒适性建设。

由于实证案例较少,在后续的研究中,需要对多个案例进行分析,并进行现场试验,通过舒适性指数进一步研究评价体系的可靠性。