面向方案阶段的西部太阳能富集区城市住宅多目标优化设计研究

The schematic stage is the key link in architectural optimization design，and has important impact on the building energy consumption and physical environmental performance. The western solar enrichment area has fragile ecological environment，is short of conventional energy, but endures a sharp increase in urban residence energy consumption. This research put forward the Multi-objective optimization design method of urban residence in the western solar enrichment area in schematic stage. Based on the architectural information modeling technology and multi-objective optimization theory; take the solar energy utilization, building energy consumption, daylighting and thermal performance and cost-effectiveness as the optimization objectives to study on the optimal design strategies of urban residence in this area. Firstly, research on the potential interaction between design elements and building performance objectives in the schematic stage based on theoretical analysis and software simulation. Secondly, establish the parameterized information models of the interaction between the design elements and the performance objectives by using the architectural information modeling technology. Finally, propose the multi-objective optimization design strategies for urban residence in the western solar enrichment area based on the multi-objective optimization work platform in the schematic stage. This research not only expands and upgrades the optimization design theory and method of urban residence in the western solar enrichment area, but also provides the theoretical basis for urban residence design in the future.

方案阶段是建筑优化设计的关键环节，对建筑能耗和物理环境性能有重要影响；西部太阳能富集区生态环境脆弱，常规能源匮乏，城市住宅能耗急剧增长。本研究针对西部太阳能富集区城市住宅，提出面向方案阶段的多目标优化设计方法，基于信息建模技术和多目标优化设计理论，以太阳能利用、建筑能耗、光热舒适度及成本效益为目标，研究该地区城市住宅的优化设计策略。首先，以理论分析和软件模拟为基础，展开在建筑方案阶段各设计要素与建筑性能目标之间的互动作用规律研究；其次，应用建筑信息建模技术建立建筑设计要素与各性能目标之间交互作用的参数化信息模型；最后，基于面向建筑方案阶段的多目标优化工作平台，提出西部太阳能富集区城市住宅多目标优化设计策略。研究对西部太阳能富集区城市住宅优化设计理论及方法进行了拓展和提升，为今后该地区城市住宅设计提供理论依据。

方案阶段是建筑优化设计的关键环节，对建筑能耗和环境性能产生重要影响，30%以上的节能潜力来自于该阶段；西部太阳能富集区生态环境脆弱，常规能源匮乏，城市住宅能耗急剧增长，但太阳能资源富集，合理利用太阳辐射是解决能源问题有效途径之一。本项目通过对该地区典型城市的住区及住宅开展大量调研与测试，立足当地的地域、资源和气候特征，在住区布局模式对太阳能利用潜力的影响、住宅建筑设计要素与性能目标作用规律和基于多目标优化的城市住宅优化设计策略等方面进行了深入研究。.研究综合运用数据统计分析、数值模拟技术、敏感性分析及多目标优化技术等手段，建立了西部太阳能富集地区典型城市住区及住宅设计要素基础数据信息集，提取了典型住区布局模式和典型住宅模型作为后续研究的基础；探索了典型住区布局模式对太阳辐射的作用规律，为住区布局的确定提供理论依据；明确了住宅形体设计要素与建筑表面日照辐射的关联性，住宅界面设计要素与室内太阳热辐射得热、建筑能耗和热舒适的交互作用规律，并提出了对应不同性能目标的各要素敏感性程度排序；搭建了面向多目标多要素的住宅参数化信息模型及优化平台，以建筑耗热量、室内太阳辐射得热、热舒适时间百分比为优化目标，对不同典型住宅模型分别进行迭代寻优运算，得出各工况下南向房间窗墙比、北向房间窗墙比、外窗传热系数、外窗太阳得热系数等设计要素的参数最佳值，并提出以太阳能利用为核心的住宅优化设计策略。.项目研究能够对西部太阳能富集区城市住宅设计理论及方法进行拓展和提升，提出的设计方法与策略可为该地区以太阳能利用为核心的城市住宅优化设计提供依据，以有效减少城镇化进程中住宅建筑对不可再生能源的过度需求和对生态环境的破坏，对我国住宅建筑节能、双碳目标实现及建设生态文明建设具有重要的理论和现实意义。