建筑节能并行设计研究.docx

建筑节能能并行设设计研究究摘要：设设计方法法的优劣劣将影响响设计的的效率，建筑节节能并行行设计可可提高建建筑节能能设计的的效率。本文在在分析建筑筑节能设设计信息息模型的的基础上上，提出出建筑节节能并行行设计微微循环模模型，分分析其设设计过程程的分解解与修正正，并提提出适用用于建筑筑节能并并行设计计的回溯溯搜索策策略。 关键词：建筑节节能并并行设计计 搜索索策略 Absttracct FFor thee deesiggn, thee meethood aaffeectss thhe eeffiicieencyy. TThe conncurrrennt ddesiign willl eenhaancee thhe eeffiicieencyy off deesiggninng eenerrgy-effficiienccy bbuilldinngs. Onn thhe bbasiis oof aanallyziing thee innforrmattionn moodell off thhe eenerrgy-effficiienccy bbuilldinng, thiis ppapeer pputss foorwaard thee Miicroo-Deesiggn-CCyclle oof tthe eneergyy-effficcienncy buiildiing, annalyysess itts deccompposiitioon pproccesss annd ccorrrecttionn prroceess, annd eestaabliishees tthe reccurssivee seearcchinng sstraateggy ffor thee cooncuurreent dessignn off thhe eenerrgy-effficiienccy bbuilldinng.Key worrds eneergyy-effficcienncy buiildiing, cooncuurreent dessignn, ssearrchiing strrateegy有关关研究表明明：全球球的能源源消耗中中，455%用于于满足建建筑物的的取暖、制冷和和采光等等要求，5%用用于建筑筑物的建建造过程程。建筑筑设计方方案是否否满足节节能设计计要求在在很大程程度上决决定了其其整个寿寿命周期期内是否否达到建建筑节能能的目的的，通过过设计降降低建筑筑的能耗耗，可减减少全球球的能耗耗，有利利于保持持整个生生态系统统的稳定定。节能能建筑的的设计与与评价密密不可分分，节能能评价是是实现建建筑节能能设计的的必要手手段，节节能建筑筑的设计计要求建建筑设计计人员在在设计阶阶段对所所设计的的建筑进进行建筑筑能耗分分析，以以评价建建筑方案案是否节节能。1 建筑筑节能设设计方法法现状目前常用用的建筑筑节能设设计方法法有两种种：按规规定性指指标设计计和按性性能性指指标设计计。按规规定性指指标设计计是指建建筑物体体形特征征和围护护结构热热工性能能等均按按有关建建筑节能能标准进进行设计计。性能能性指标标由建筑筑热环境境质量指指标和能能耗指标标两部分分组成，按性能能性指标标设计是是指在同同时满足足建筑热热环境质质量指标标和能耗耗指标的的前提下下，设计计人员可可自行确确定建筑筑物体形形特征和和围护结结构热工工性能等等的具体体技术参参数。按规规定性指指标设计计使设计计人员摆摆脱了复复杂的计计算分析析，在保保证工程程设计的的合理性性和成功功方面有有重大作作用，但但由于确确定规定定性指标标主要考考虑普遍遍情况，而每一一个工程程都有其其不同于于普遍情情况的特特殊性，因此规规定性指指标对适适用范围围内的一一个具体体工程往往往不是是最佳的的，即按按规定性性指标很很难进行行优化设设计，同同时按规规定性指指标设计计容易阻阻碍新技技术的应应用和压压抑设计计人员的的创造性性。按性性能性指指标设计计使建筑筑节能设设计标准准具有充充分的灵灵活性，为新技技术的采采用和具具体工程程项目的的最优化化创造了了条件。其信息息流如图图1所示示，图中中各个设设计信息息对应于于建筑物物体形特特征设计计、围护护结构热热工性能能等设计计内容。按性性能性指指标设计计需要对对所设计计建筑进进行能耗耗分析，进而评评价所设设计的建建筑是否否节能，建筑能能耗计算算方法和和节能评评价方法法的选择择成为这这种设计计方法的的重要内内容。国国内对建建筑节能能评价的的研究相相对缺乏乏，目前前建筑节节能评价价通常采采用比较较建筑能能耗计算算值和相相关节能能标准指指标值的的方法，建筑能能耗计算算值则通通过相应应的能耗耗分析软软件获得得，若评评价结果果表明所所设计的的建筑并并不节能能，则需需要设计计人员凭凭借个人人的设计计经验对对设计方方案进行行反复修修改。国国外已基基本解决决建筑节节能设计计标准灵灵活性和和建筑节节能评价价方法问问题，初初步实现现了建筑筑围护结结构的节节能平衡衡分析，但设计计信息与与评价信信息之间间缺乏沟沟通，尚尚未实现现建筑设设计过程程的动态态评价和和建筑设设计的全全局优化化。可见见，按性性能性指指标进行行建筑节节能设计计存在如如下缺点点：(11)过于于依赖能能耗分析析软件。（2）过于依依赖设计计人员的的设计经经验。实实际上，目前得得到权威威结构确确认的能能耗分析析软件数数量不多多且推广广程度不不大，就就能耗分分析软件件本身而而言，仍仍存在提提高运行行速度、改进人人机界面面等问题题；而设设计人员员的经验验需要长长期积累累。鉴于于现有建建筑节能能设计方方法的局局限性，探索新新的设计计方法成成为必然然，本文文拟采用用并行设设计思想想，提出出建筑节节能并行行设计方方法，实实现设计计过程和和评价过过程的交交叉、并并行及协协调，其其信息流流如图22所示。2 建筑筑节能并并行设计计理论基础础2.1 建筑节节能设计计信息模模型信息息科学是以以信息为为研究对对象、信信息的运运动规律律为研究究内容，把扩展展人的信信息功能能作为研研究目标标的科学学1,2。依据性性质来分分类，信信息可分分为语法法信息、语义信信息和语语用信息息。语法法信息指指事物运运动的状状态和方方式；语语义信息息指事物物运动状状态及状状态改变变方式的的含义；语用信信息指事事物状态态及状态态改变方方式的效效用。设计计是为实实现一定定目标而而寻求和和选择满满意的备备选方案案的活动动，它反反映出设设计对象象的状态态，因此此建筑节节能设计计可看成成一种语语法信息息，节能能设计的的过程就就是信息息的运动动过程，信息运运动规律律可应用用于设计计过程中中。信息息科学研研究的信信息运动动规律包包括信息息产生、信息提提取、信信息再生生、信息息施效等等四类，其一般般模型如如图3所所示。在建建筑节能能并行设设计中，设计对对象是指指节能设设计的对对象，即即建筑平平台；设设计主体体为设计计人员和和计算机机软、硬硬件系统统；设计计对象本本身所包包含的设设计信息息即为产产生信息息；信息息提取过过程是指指设计主主体从设设计对象象提取试试探性设设计所需需信息的的过程；信息处处理过程程是设计计主体根根据试探探性设计计信息进进行节能能评价的的过程；设计主主体根据据设计目目标和信信息处理理结果产产生决策策信息，这一过过程即为为信息再再生过程程；设计计主体根根据决策策信息进进行确定定性设计计的过程程就是信信息的施施用过程程；作用用于设计计对象的的确定性性设计信信息即为为受用信信息。信信息提取取、信息息处理、信息再再生、信信息施用用由设计计主体完完成。2.2 并行设设计理论论并行行设计属属于设计计理论和和方法学学的范畴畴3,4,55，其其本身也也是设计计理论和和方法学学的研究究对象。并行设设计强调调产品开开发各环环节之间间实现最最大程度度的交叉叉、并行行及协调调，其实实质就是是把传统统的“设设计评价再设设计”的的大循环环转变为为多次的的“设计计评评价再设计计”小循循环，以以便尽可可能早地地发现设设计中存存在的问问题。工工程设计计本质上上是顺序序性、交交互性的的，所谓谓“并行行”并不不是指同同时进行行，而是是指逐步步、交替替地实现现设计、工艺、管理等等活动，在设计计阶段的的每一步步骤都最最大可能能地考虑虑到有关关后续环环节的约约束，由由此，并并行设计计所说的的“并行行化”应应当理解解为通过过对产品品设计对对象和设设计进程程的精心心分解，达到有有效的协协同实施施开发周周期中诸诸多子活活动、子子任务的的目的。从信信息科学学角度看看，设计计过程可可分成分分析、综综合、评评价三个个过程组组成，其其通用模模型如图图4所示示。分析析的作用用是根据据事物的的功能需需求，把把客观世世界简化化为模型型，把问问题分解解到可以以解决的的程度；综合的的作用是是把元素素组合成成一个能能工作的的整体，提供多多个备选选方案；评价的的作用是是检验设设计方案案是否能能实现既既定目标标。分析析和评价价都需要要接受评评价产生生的反馈馈信息，设计者者反复回回到设计计过程的的起点，完善和和改进设设计方案案，直到到满足设设计的需需求。设计计过程从从总体上上来说是是顺序性性的，但但设计过过程可分分成多个个阶段，各阶段段包括若若干子任任务，每每个子任任务分别别工作于于设计对对象的不不同方面面。设计计过程中中不一定定要等所所有子任任务完成成后才开开始后续续设计活活动，如如果有与与之相适适应的描描述设计计对象的的方式，使得提提前进行行的下游游环节子子任务仍仍然有他他们所需需的完整整信息，那就完完全有可可能把子子任务按按其处理理对象重重新组成成一些彼彼此相对对独立的的工作循循环，并并使这些些工作循循环在一一定程度度上并行行进行。文献33开发发的微循循环模型型可以实实现上述述设计的的并行要要求，其其基本思思想是把把工程设设计过程程分解成成一系列列的设计计微循环环过程，如图55所示。在每个个微循环环中，根根据已知知的信息息内容可可以同时时进行从从概念设设计到详详细设计计中的一一些或全全部的活活动环节节。微循循环模型型是一种种宏观上上并行、微观上上顺序的的机制。将设计计对象分分解成子子对象，宏观上上并行的的机制使使得设计计人员可可以同时时工作于于设计对对象的不不同方面面，从而而缩短了了整个设设计周期期；而微微观上顺顺序的机机制使得得从概念念设计到到详细设设计的各各个具体体活动环环节仍然然有完整整的信息息而得以以继续进进行。3 建筑筑节能并并行设计计过程3.1 建筑节节能并行行设计过过程分解解建筑筑节能并并行设计计的设计计分解应应根据建建筑节能能设计的的一般规规律来进进行。综综合考虑虑建筑节节能评价价的177个分项项指标6，将建筑筑节能并并行设计计过程分分解成如如下四个个步骤：建筑所所在地选选择。采采暖度日日数、空空调度日日数、采采暖期太太阳总辐辐射量、空调期期太阳总总辐射量量等4个个室外气气象特征征固化于于建筑所所在地，在建筑筑节能并并行设计计中，当当建筑所所在地确确定后，这4个个参数即即为常量量，无需需进行节节能评价价。体型特特征设计计。体型型特征设设计的内内容包括括：极限限体型系系数设计计、体型型完善系系数设计计、建筑筑朝向设设计等。为方便便用户输输入，建建筑节能能并行设设计软件件实现时时可将33个体型型特征的的输入转转换为输输入建筑筑长度、宽度、层高、层数和和朝向。窗墙比比设计。窗墙比比设计是是指建筑筑前向、后向、左向、右向窗窗墙比的的设计。建筑节节能并行行设计软软件实现现时可将将前向、后向、左向、右向窗窗墙比的的输入分分别转化化为窗户户宽度、高度和和窗户数数量的输输入。构件类类型设计计。构件件类型设设计的内内容包括括：屋面面传热系系数、热热惰性设设计，外外墙传热热系数、热惰性性设计，窗户传传热系数数、吸收收系数设设计。在设设计分解解基础上上，建立立并行设设计微循循环模型型如图66所示。3.2 建筑节节能并行行设计过过程修正正在建建筑节能能并行设设计中，“设计计评评价再设计计”大循循环被分分解成多多个“设设计评价再设设计”小小循环，各个小小循环的的设计通通常不能能一次性性完成，而是需需要根据据节能评评价结果果修正设设计，因因此建筑筑节能并并行设计计过程是是试探性性的、循循环的过过程。小循循环中，窗墙比比设计修修正和构构件类型型设计修修正相对对复杂。为提高高建筑节节能并行行设计效效率，窗窗墙比设设计修正正应解决决东向、南向、西向、北向窗窗墙比设设计修正正的次序序问题；构构件类型型设计修修正应解解决外窗窗、外墙墙、屋面面设计修修正的次次序问题题。本文文根据建建筑节能能综合指指标随窗窗墙比、构件类类型的变变化率大大小，分分别对窗窗墙比设设计和构构件类型型设计的的修正顺顺序进行行排序。分析变化化率采用用的建筑筑模型主主要参数数如下：建筑面面积100×100m2，层高高2.88m，外外墙传热热系数为为1.554W/( mm2K)，屋面面传热系系数为00.933 W/( mm2K)，窗户户传热系系数为33.1 W/( m22K)，窗墙墙比为00.355，通风风次数为为1次/h。能能耗分析析工具采采用DeeST软软件。建筑筑节能综综合指标标耗电量量随窗墙墙比的变变化如图图799所示。建筑全全年耗电电量随窗窗墙比的的变化率率从大到到小依次次为西向向、东向向、北向向、南向向；耗热热量随窗窗墙比的的变化以以南向最最为明显显；耗冷冷量随窗窗墙比的的变化南南、北向向相差不不大。对对于住宅宅建筑，东向、西向山山墙通常常不开窗窗或者所所开窗属属于厨房房等不控控温房间间，窗墙墙比设计计修正优优先修改改南向窗窗墙比，然后是是北向窗窗墙比，接着是是西向、东向窗窗墙比。建筑筑节能综综合指标标随外墙墙和屋面面传热系系数的变变化如图图1012所所示，耗耗热量指指标随外外墙传热热系数的的变化率率较大；全年耗耗电量、耗冷量量指标随随外墙传传热系数数和屋面面传热系系数的变变化率基基本一致致。考虑虑窗户是是建筑围围护结构构中热工工性能最最薄弱的的环节，其传热热系数通通常远大大于外墙墙和屋面面的传热热系数，构件类类型设计计修正时时应优先先修改窗窗户的类类型，其其次修改改外墙类类型，最最后修改改屋面类类型。4 建筑筑节能并并行设计计过程搜搜索策略略yjjy1微循环环微循环环由于于对建筑筑节能并并行设计计过程进进行了分分解，小小循环中中建筑节节能评价价存在评评价信息息不完全全7的情况况，本文文采用缺缺省参数数代替不不完全信信息。设设计过程程中，试试探性设设计方案案由实际际设计输输入参数数和缺省省参数组组成。由由于缺省省参数的的选取具具有随机机性，若若没有有有效的搜搜索策略略，将会会产生试试探性设设计方案案组合爆爆炸，从从而降低低建筑节节能并行行设计的的效率。常用用的搜索索策略有有盲目搜搜索和启启发式搜搜索两类类，盲目目搜索包包括回溯溯搜索、广度优优先搜索索、深度度优先搜搜索等。盲目搜搜索按预预定控制制策略进进行搜索索，搜索索过程中中获得的的中间信信息不用用来改变变控制策策略；启启发式搜搜索需要要有与问问题本身身有关的的信息。因此，盲目搜搜索不涉涉及语义义、语用用层次的的信息，适合于于语法层层次信息息的搜索索，而启启发式搜搜索则适适合于语语义、语语用层次次的信息息的搜索索。回溯溯搜索策策略是一一种试探探性的搜搜索策略略，其基基本思路路是：先先选择一一个规则则，然后后应用这个个规则；如果它它不能求求得解答答或离解解答越来来越远就就舍弃这这个规则则而另选选一个规规则，经经过若干干次回溯溯，终究究可以得得到解答答。衡量量搜索策策略性能能的准则则通常有有三个：完备性性。即只只要问题题有解，在搜索索策略的的控制下下就一定定能找到到解。尽量避避免无用用搜索。即增强强搜索的的目的性性，尽量量避免产产生及考考察无用用的选项项。控制开开销小。即要求求搜索策策略实现现简单，选择及及调度可可用知识识的开销销尽可能能小。本文文拟采用用回溯搜搜索策略略。为提提高回溯溯搜索的的效率，在分析析建筑节节能评价价特点的的基础上上，提出出以两个个极端情情况作为为回溯搜搜索的规规则，从从而大大大减少规规则的数数量，如如图133所示。所谓极极端情况况，就是是最不利利情况和和最有利利情况。最不（有）利利情况是是指选取取最不（有）利利于节能能的评价价指标，如：选选取墙体体类型的的缺省参参数时，传热系系数最大大（小）的选择择项即为为最不（有）利利情况。采用极极端情况况作为规规则的回回溯搜索索策略完完全符合合衡量搜搜索策略略性能的的三个准准则，可可以避免免节能评评价指标标组合爆爆炸，提提高建筑筑节能并并行设计计的效率率。图113的建建筑节能能并行设设计过程程描述如如下：设计人人员输入入第i步步设计的的设计参参数；按最不不利情况况选取缺缺省参数数，节能能评价程程序对此此时的试试探性方方案进行行评价；若试探探性方案案达到用用户要求求的节能能率，则则后续的的设计参参数可由由设计人人员自行行输入，无需再再进行节节能评价价；若试探探性方案案的节能能率达不不到用户户要求，则缺省省参数按按最有利利情况重重新选取取，节能能评价程程序对此此时的试试探性方方案重新新评价；若此时时的节能能率达到到要求，则进行行第i+1步设设计，如如此循环环，直至至设计结结束；若此时时的节能能率达不不到要求求，则需需设计人人员修正正第i步步设计参参数，重重复上述述过程。若修正正设计参参数后仍仍无法达达到要求求的节能能率，则则必须调调整节能能率大小小。5 结语语（11） 对对建筑设设计过程程进行分分解，提提出建筑筑节能并并行设计计微循环环模型，实现节节能设计计与节能能评价的的并行。（22） 通通过比较较建筑节节能综合合指标随随窗墙比比、构件件类型的的变化率率大小，指出窗窗墙比设设计和建建筑构件件设计时时的修正正次序。（33） 采采用以极极端情况况为规则则的回溯溯搜索策策略，可可避免试试探性设设计过程程设计方方案组合合爆炸，有利于于提高设设计效率率。