摘要：設(shè)計方法的優(yōu)劣將影響設(shè)計的效率，建筑節(jié)能并行設(shè)計可提高建筑節(jié)能設(shè)計的效率。本文在分析建筑節(jié)能設(shè)計信息模型的基礎(chǔ)上，提出建筑節(jié)能并行設(shè)計微循環(huán)模型，分析其設(shè)計過程的分解與修正，并提出適用于建筑節(jié)能并行設(shè)計的回溯搜索策略。

　　關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能　并行設(shè)計 搜索策略

　　Abstract For the design， the method affects the efficiency. The concurrent design will enhance the efficiency of designing energy-efficiency buildings. On the basis of analyzing the information model of the energy-efficiency building， this paper puts forward the Micro-Design-Cycle of the energy-efficiency building， analyses it‘s decomposition process and correction process， and establishes the recursive searching strategy for the concurrent design of the energy-efficiency building.

　　Key words energy-efficiency building， concurrent design， searching strategy

　　有關(guān)研究表明：全球的能源消耗中，45%用于滿足建筑物的取暖、制冷和采光等要求，5%用于建筑物的建造過程。建筑設(shè)計方案是否滿足節(jié)能設(shè)計要求在很大程度上決定了其整個壽命周期內(nèi)是否達(dá)到建筑節(jié)能的目的，通過設(shè)計降低建筑的能耗，可減少全球的能耗，有利于保持整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。節(jié)能建筑的設(shè)計與評價密不可分，節(jié)能評價是實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計的必要手段，節(jié)能建筑的設(shè)計要求建筑設(shè)計人員在設(shè)計階段對所設(shè)計的建筑進(jìn)行建筑能耗分析，以評價建筑方案是否節(jié)能。

　　1、建筑節(jié)能設(shè)計方法現(xiàn)狀

　　目前常用的建筑節(jié)能設(shè)計方法有兩種：按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計和按性能性指標(biāo)設(shè)計。按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計是指建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等均按有關(guān)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。性能性指標(biāo)由建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)兩部分組成，按性能性指標(biāo)設(shè)計是指在同時滿足建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)的前提下，設(shè)計人員可自行確定建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等的具體技術(shù)參數(shù)。

　　按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計使設(shè)計人員擺脫了復(fù)雜的計算分析，在保證工程設(shè)計的合理性和成功方面有重大作用，但由于確定規(guī)定性指標(biāo)主要考慮普遍情況，而每一個工程都有其不同于普遍情況的特殊性，因此規(guī)定性指標(biāo)對適用范圍內(nèi)的一個具體工程往往不是最佳的，即按規(guī)定性指標(biāo)很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計容易阻礙新技術(shù)的應(yīng)用和壓抑設(shè)計人員的創(chuàng)造性。按性能性指標(biāo)設(shè)計使建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)具有充分的靈活性，為新技術(shù)的采用和具體工程項目的最優(yōu)化創(chuàng)造了條件。其信息流如圖1所示，圖中各個設(shè)計信息對應(yīng)于建筑物體形特征設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等設(shè)計內(nèi)容。

　　按性能性指標(biāo)設(shè)計需要對所設(shè)計建筑進(jìn)行能耗分析，進(jìn)而評價所設(shè)計的建筑是否節(jié)能，建筑能耗計算方法和節(jié)能評價方法的選擇成為這種設(shè)計方法的重要內(nèi)容。國內(nèi)對建筑節(jié)能評價的研究相對缺乏，目前建筑節(jié)能評價通常采用比較建筑能耗計算值和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的方法，建筑能耗計算值則通過相應(yīng)的能耗分析軟件獲得，若評價結(jié)果表明所設(shè)計的建筑并不節(jié)能，則需要設(shè)計人員憑借個人的設(shè)計經(jīng)驗對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)修改。國外已基本解決建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)靈活性和建筑節(jié)能評價方法問題，初步實現(xiàn)了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能平衡分析，但設(shè)計信息與評價信息之間缺乏溝通，尚未實現(xiàn)建筑設(shè)計過程的動態(tài)評價和建筑設(shè)計的全局優(yōu)化。

　　可見，按性能性指標(biāo)進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計存在如下缺點：（1）過于依賴能耗分析軟件。（2）過于依賴設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗。實際上，目前得到權(quán)威結(jié)構(gòu)確認(rèn)的能耗分析軟件數(shù)量不多且推廣程度不大，就能耗分析軟件本身而言，仍存在提高運行速度、改進(jìn)人機(jī)界面等問題；而設(shè)計人員的經(jīng)驗需要長期積累。鑒于現(xiàn)有建筑節(jié)能設(shè)計方法的局限性，探索新的設(shè)計方法成為必然，本文擬采用并行設(shè)計思想，提出建筑節(jié)能并行設(shè)計方法，實現(xiàn)設(shè)計過程和評價過程的交叉、并行及協(xié)調(diào)。

　　2、建筑節(jié)能并行設(shè)計理論基礎(chǔ)

　　2.1 建筑節(jié)能設(shè)計信息模型

　　信息科學(xué)是以信息為研究對象、信息的運動規(guī)律為研究內(nèi)容，把擴(kuò)展人的信息功能作為研究目標(biāo)的科學(xué)[1，2].依據(jù)性質(zhì)來分類，信息可分為語法信息、語義信息和語用信息。語法信息指事物運動的狀態(tài)和方式；語義信息指事物運動狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的含義；語用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的效用。

　　設(shè)計是為實現(xiàn)一定目標(biāo)而尋求和選擇滿意的備選方案的活動，它反映出設(shè)計對象的狀態(tài)，因此建筑節(jié)能設(shè)計可看成一種語法信息，節(jié)能設(shè)計的過程就是信息的運動過程，信息運動規(guī)律可應(yīng)用于設(shè)計過程中。信息科學(xué)研究的信息運動規(guī)律包括信息產(chǎn)生、信息提取、信息再生、信息施效等四類。

　　在建筑節(jié)能并行設(shè)計中，設(shè)計對象是指節(jié)能設(shè)計的對象，即建筑平臺；設(shè)計主體為設(shè)計人員和計算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)；設(shè)計對象本身所包含的設(shè)計信息即為產(chǎn)生信息；信息提取過程是指設(shè)計主體從設(shè)計對象提取試探性設(shè)計所需信息的過程；信息處理過程是設(shè)計主體根據(jù)試探性設(shè)計信息進(jìn)行節(jié)能評價的過程；設(shè)計主體根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和信息處理結(jié)果產(chǎn)生決策信息，這一過程即為信息再生過程；設(shè)計主體根據(jù)決策信息進(jìn)行確定性設(shè)計的過程就是信息的施用過程；作用于設(shè)計對象的確定性設(shè)計信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設(shè)計主體完成。

　　2.2 并行設(shè)計理論

　　并行設(shè)計屬于設(shè)計理論和方法學(xué)的范疇[3，4，5]，其本身也是設(shè)計理論和方法學(xué)的研究對象。并行設(shè)計強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調(diào)，其實質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計——評價——再設(shè)計”的大循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚摹霸O(shè)計——評價——再設(shè)計”小循環(huán)，以便盡可能早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。工程設(shè)計本質(zhì)上是順序性、交互性的，所謂“并行”并不是指同時進(jìn)行，而是指逐步、交替地實現(xiàn)設(shè)計、工藝、管理等活動，在設(shè)計階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關(guān)后續(xù)環(huán)節(jié)的約束，由此，并行設(shè)計所說的“并行化”應(yīng)當(dāng)理解為通過對產(chǎn)品設(shè)計對象和設(shè)計進(jìn)程的精心分解，達(dá)到有效的協(xié)同實施開發(fā)周期中諸多子活動、子任務(wù)的目的。

　　從信息科學(xué)角度看，設(shè)計過程可分成分析、綜合、評價三個過程組成，其通用模型如圖4所示。分析的作用是根據(jù)事物的功能需求，把客觀世界簡化為模型，把問題分解到可以解決的程度；綜合的作用是把元素組合成一個能工作的整體，提供多個備選方案；評價的作用是檢驗設(shè)計方案是否能實現(xiàn)既定目標(biāo)。分析和評價都需要接受評價產(chǎn)生的反饋信息，設(shè)計者反復(fù)回到設(shè)計過程的起點，完善和改進(jìn)設(shè)計方案，直到滿足設(shè)計的需求。

　　設(shè)計過程從總體上來說是順序性的，但設(shè)計過程可分成多個階段，各階段包括若干子任務(wù)，每個子任務(wù)分別工作于設(shè)計對象的不同方面。設(shè)計過程中不一定要等所有子任務(wù)完成后才開始后續(xù)設(shè)計活動，如果有與之相適應(yīng)的描述設(shè)計對象的方式，使得提前進(jìn)行的下游環(huán)節(jié)子任務(wù)仍然有他們所需的完整信息，那就完全有可能把子任務(wù)按其處理對象重新組成一些彼此相對獨立的工作循環(huán)，并使這些工作循環(huán)在一定程度上并行進(jìn)行。

　　文獻(xiàn)[3]開發(fā)的微循環(huán)模型可以實現(xiàn)上述設(shè)計的并行要求，其基本思想是把工程設(shè)計過程分解成一系列的設(shè)計微循環(huán)過程。在每個微循環(huán)中，根據(jù)已知的信息內(nèi)容可以同時進(jìn)行從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計中的一些或全部的活動環(huán)節(jié)。微循環(huán)模型是一種宏觀上并行、微觀上順序的機(jī)制。將設(shè)計對象分解成子對象，宏觀上并行的機(jī)制使得設(shè)計人員可以同時工作于設(shè)計對象的不同方面，從而縮短了整個設(shè)計周期；而微觀上順序的機(jī)制使得從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計的各個具體活動環(huán)節(jié)仍然有完整的信息而得以繼續(xù)進(jìn)行。

　　3、建筑節(jié)能并行設(shè)計過程

　　3.1 建筑節(jié)能并行設(shè)計過程分解

　　建筑節(jié)能并行設(shè)計的設(shè)計分解應(yīng)根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計的一般規(guī)律來進(jìn)行。綜合考慮建筑節(jié)能評價的17個分項指標(biāo)[6]，將建筑節(jié)能并行設(shè)計過程分解成如下四個步驟：

　�、� 建筑所在地選擇。采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)、采暖期太陽總輻射量、空調(diào)期太陽總輻射量等4個室外氣象特征固化于建筑所在地，在建筑節(jié)能并行設(shè)計中，當(dāng)建筑所在地確定后，這4個參數(shù)即為常量，無需進(jìn)行節(jié)能評價。

　　② 體型特征設(shè)計。體型特征設(shè)計的內(nèi)容包括：極限體型系數(shù)設(shè)計、體型完善系數(shù)設(shè)計、建筑朝向設(shè)計等。為方便用戶輸入，建筑節(jié)能并行設(shè)計軟件實現(xiàn)時可將3個體型特征的輸入轉(zhuǎn)換為輸入建筑長度、寬度、層高、層數(shù)和朝向。

　�、� 窗墻比設(shè)計。窗墻比設(shè)計是指建筑前向、后向、左向、右向窗墻比的設(shè)計。建筑節(jié)能并行設(shè)計軟件實現(xiàn)時可將前向、后向、左向、右向窗墻比的輸入分別轉(zhuǎn)化為窗戶寬度、高度和窗戶數(shù)量的輸入。

　　④ 構(gòu)件類型設(shè)計。構(gòu)件類型設(shè)計的內(nèi)容包括：屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱惰性設(shè)計，外墻傳熱系數(shù)、熱惰性設(shè)計，窗戶傳熱系數(shù)、吸收系數(shù)設(shè)計。

　　3.2 建筑節(jié)能并行設(shè)計過程修正

　　在建筑節(jié)能并行設(shè)計中，“設(shè)計——評價——再設(shè)計”大循環(huán)被分解成多個“設(shè)計——評價——再設(shè)計”小循環(huán)，各個小循環(huán)的設(shè)計通常不能一次性完成，而是需要根據(jù)節(jié)能評價結(jié)果修正設(shè)計，因此建筑節(jié)能并行設(shè)計過程是試探性的、循環(huán)的過程。

　　小循環(huán)中，窗墻比設(shè)計修正和構(gòu)件類型設(shè)計修正相對復(fù)雜。為提高建筑節(jié)能并行設(shè)計效率，窗墻比設(shè)計修正應(yīng)解決東向、南向、西向、北向窗墻比設(shè)計修正的次序問題；構(gòu)件類型設(shè)計修正應(yīng)解決外窗、外墻、屋面設(shè)計修正的次序問題。本文根據(jù)建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，分別對窗墻比設(shè)計和構(gòu)件類型設(shè)計的修正順序進(jìn)行排序。分析變化率采用的建筑模型主要參數(shù)如下：建筑面積10×10m²，層高2.8m，外墻傳熱系數(shù)為1.54W/（ m².K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.93 W/（ m².K），窗戶傳熱系數(shù)為3.1 W/（ m².K），窗墻比為0.35，通風(fēng)次數(shù)為1次/h.能耗分析工具采用DeST軟件。

　　建筑節(jié)能綜合指標(biāo)耗電量隨窗墻比的變化。建筑全年耗電量隨窗墻比的變化率從大到小依次為西向、東向、北向、南向；耗熱量隨窗墻比的變化以南向最為明顯；耗冷量隨窗墻比的變化南、北向相差不大。對于住宅建筑，東向、西向山墻通常不開窗或者所開窗屬于廚房等不控溫房間，窗墻比設(shè)計修正優(yōu)先修改南向窗墻比，然后是北向窗墻比，接著是西向、東向窗墻比。

　　建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化，耗熱量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)的變化率較大；全年耗電量、耗冷量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化率基本一致�？紤]窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)，其傳熱系數(shù)通常遠(yuǎn)大于外墻和屋面的傳熱系數(shù)，構(gòu)件類型設(shè)計修正時應(yīng)優(yōu)先修改窗戶的類型，其次修改外墻類型，最后修改屋面類型。

　　4、建筑節(jié)能并行設(shè)計過程搜索策略[1]微循環(huán)微循環(huán)

　　由于對建筑節(jié)能并行設(shè)計過程進(jìn)行了分解，小循環(huán)中建筑節(jié)能評價存在評價信息不完全[7]的情況，本文采用缺省參數(shù)代替不完全信息。設(shè)計過程中，試探性設(shè)計方案由實際設(shè)計輸入?yún)��?shù)和缺省參數(shù)組成。由于缺省參數(shù)的選取具有隨機(jī)性，若沒有有效的搜索策略，將會產(chǎn)生試探性設(shè)計方案組合爆炸，從而降低建筑節(jié)能并行設(shè)計的效率。

　　常用的搜索策略有盲目搜索和啟發(fā)式搜索兩類，盲目搜索包括回溯搜索、廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索等。盲目搜索按預(yù)定控制策略進(jìn)行搜索，搜索過程中獲得的中間信息不用來改變控制策略；啟發(fā)式搜索需要有與問題本身有關(guān)的信息。因此，盲目搜索不涉及語義、語用層次的信息，適合于語法層次信息的搜索，而啟發(fā)式搜索則適合于語義、語用層次的信息的搜索�；厮菟阉鞑呗允且环N試探性的搜索策略，其基本思路是：先選擇一個規(guī)則，然后應(yīng)用這個規(guī)則；如果它不能求得解答或離解答越來越遠(yuǎn)就舍棄這個規(guī)則而另選一個規(guī)則，經(jīng)過若干次回溯，終究可以得到解答。

　　衡量搜索策略性能的準(zhǔn)則通常有三個：

　　① 完備性。即只要問題有解，在搜索策略的控制下就一定能找到解。

　　② 盡量避免無用搜索。即增強(qiáng)搜索的目的性，盡量避免產(chǎn)生及考察無用的選項。

　　③ 控制開銷小。即要求搜索策略實現(xiàn)簡單，選擇及調(diào)度可用知識的開銷盡可能小。

　　本文擬采用回溯搜索策略。為提高回溯搜索的效率，在分析建筑節(jié)能評價特點的基礎(chǔ)上，提出以兩個極端情況作為回溯搜索的規(guī)則，從而大大減少規(guī)則的數(shù)量。所謂極端情況，就是最不利情況和最有利情況。最不（有）利情況是指選取最不（有）利于節(jié)能的評價指標(biāo)，如：選取墻體類型的缺省參數(shù)時，傳熱系數(shù)最大（小）的選擇項即為最不（有）利情況。采用極端情況作為規(guī)則的回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能的三個準(zhǔn)則，可以避免節(jié)能評價指標(biāo)組合爆炸，提高建筑節(jié)能并行設(shè)計的效率。

　　5、結(jié)語

　　（1） 對建筑設(shè)計過程進(jìn)行分解，提出建筑節(jié)能并行設(shè)計微循環(huán)模型，實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計與節(jié)能評價的并行。

　　（2） 通過比較建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，指出窗墻比設(shè)計和建筑構(gòu)件設(shè)計時的修正次序。

　　（3） 采用以極端情況為規(guī)則的回溯搜索策略，可避免試探性設(shè)計過程設(shè)計方案組合爆炸，有利于提高設(shè)計效率。

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