绿色住区参数化优化设计方法——以湿热地区为例

The outdoor environment in hot and humid city of our country is much severer, and the urban heat island effect is strengthening continuously, which not only leads to a series of problem, such as high energy consumption, haze pollution and harming health, but also restrict the social economic sustainable development. Residential group is an important part of city; it is also the area closely related to people’s daily life. So by planning and construction of green residential group to improve the outdoor environment quality, it should be an essential work to mitigate the urban heat island effect and overcome the problems mentioned above..Centering on outdoor environment of residential group in hot and humid zone and green residential planning, this research project aims at the problem of the existing design methods to the multi-object optimization, introduces a parametric design methodology. Through the site measurement and the numerical simulation, a rapid calculation method of outdoor environment is developed, which apply to residential areas in hot and humid zone. Ultimately, the parametric design platform is established for green residential design at the early design stage. The research will greatly strengthen the integration and interaction between the design and technological evaluation at the early phase, and improve the outdoor environment performance and quality. It also can effectively promote the design and construction of green residential group in hot and humid zone in China, and provide reference for other relevant studies in other parts of our country.

我国湿热地区城市的室外环境形式严峻，热岛效应逐年增强，由此产生了严重的高能耗、雾霾污染和危害居民健康等一系列问题，已经危及到经济社会的可持续发展。住区是城市的重要组成部分,也是与人们生活息息相关的区域。因此通过绿色住区的设计和实践，改善住区室外环境的质量，是降低城市热岛强度，解决上述问题的必要工作。.本课题围绕湿热地区住区室外环境和绿色住区设计，针对现有设计方法无法实现多目标寻优的问题，引入参数化设计方法，并拟通过现场实测和数值模拟等方法，提出并建立适用于我国湿热地区的住区室外环境快速计算方法，从而搭建面向方案初期的绿色住区参数化设计平台。本项目的研究工作，将在方案初期极大程度的提高方案设计与技术评价的融合和交互，提升设计方案在住区室外环境方面的性能和质量，有力促进我国湿热地区绿色住区的设计与建设，并能够为我国其他地区的相关工作提供借鉴。

本课题以城市住区室外热环境优化为出发点，基于参数化设计和多目标寻优算法，开展城市住区的绿色优化设计研究。本课题研究主要包括以下四部分：①绿色住区优化设计理论及方法研究；②城市住区热岛及计算模型研究；③住区建筑迎背风面的风压差计算研究；④绿色住区参数化优化设计工具的开发与应用研究。.①研究基于参数化方法的绿色住区优化设计理论。通过梳理城市住区设计过程和绿色住区评价体系，以方案设计阶段为目标，提出城市住区优化设计方法，确定优化目标及其性能评价指标。基于参数化软件Rhinoceros& Grasshopper，研究方案的生成规则与方法，检验了SPEA2和HpyE进化算法插件Octopus的多目标优化性能。.②研究住区热岛及改进绿色CTTC模型。通过湿热地区夏季住区室外热环境测试，从住区热岛强度计算问题出发，明确住区热岛强度的定义，为合理指导住区热岛强度的计算与设计提供科学依据。提出并验证基于改进绿色CTTC模型的住区热岛强度计算方法，通过实测获得改进绿色CTTC模型的关键参数：树木的太阳辐射遮挡率和对流换热率，为定量计算住区平均气温与热岛强度提供技术支持。.③行列式住区建筑迎背风面的风压差计算方法研究。基于行列式住区案例的统计调研，建立典型行列式布局的数值模型，并通过数值模拟方法计算建筑迎背风面的表面风压差，采用多元线性回归的方法确定住区建筑风压差的参数化经验计算公式，为定量预测和评价住区的室外风环境性能提供技术支持。计算公式仅需较少步骤，输入少量规划布局与设计参数，便可快速预测住区各建筑的风压差，可用于南方地区常见行列式住区板式建筑的风压差预测。.④城市住区的参数化设计优化平台开发与应用。针对目前优化设计工具的不足，基于优化设计方法和方案性能计算的研究（上述①~③的研究内容），提出了一种基于遮挡角和反三角函数的城市天空遮挡简化算法，编制开发了面向方案设计阶段的绿色住区优化设计平台。该平台基于参数化设计软件Rhinoceros& Grasshopper，采用Python脚本语言、可视化编程技术并结合SPEA2与HpyE进化算法编制开发。该平台能同时针对技术经济指标和环境性能指标进行定量计算、评估与优化，可获得满足多目标优化的总平面布局最优解集，为住区规划设计提供合理、科学的决策支持。经检验，软件平台的计算精度和可靠性满足工程设计的需要。