街区室外微气候优化设计方法开发与应用

前言 近年来，伴随着人居环境的恶化，绿色建筑的发展受到广泛重视。我国更是将原来的“实用、经济、美观”六字建筑方针，调整为“实用、经济、绿色、美观”八字建筑方针，并在国家的“十三五”规划与“十四五”规划中明确了绿色建筑的发展目标。目前在我国提出的碳达峰、碳中和目标实现过程中，绿色建筑由于其节约资源及保护环境的特点，在建筑行业内将起到非常重要的作用。与传统的建筑设计不同，绿色建筑设计对于建筑的环境性能更加关注，在建筑设计时需要对设计作品的环境性能进行数值模拟与评价，因此，目前对于绿色建筑设计有了“性能目标导向的建筑设计”的提法。街区室外微气候是街区环境性能的构成要素。在街区规划与建筑设计过程中分析建筑对微气候的影响，微气候数值模拟是常用的技术手段。但是在实际应用中，微气候数值模拟的作用还仅停留在环境性能评价手段的层面，无法真正实现以建筑环境性能作为设计目标进行*优化设计。本书提出的街区室外微气候*优化设计方法，在街区室外微气候模拟方法的基础上，采用遗传算法构建*优化设计平台，实现了模拟结果的自动反馈与*优化搜索，为利用计算机技术进行*优化设计提供了一条实现途径。本书中的部分核心章节源于笔者在2004年于东京大学建筑学专业毕业时的博士学位论文。该论文的主要内容属于世界街区室外微气候领域*早开展遗传算法与*优化设计的研究之一。从*初多数人对*优化与遗传算法的不理解，到遗传算法在研究中成为热门工具，再到目前遗传算法与参数化设计结合进行*优化设计在实际工程中的应用，前后也不过十几年的时间。在笔者看来，*优化设计如此快速的发展，既得益于计算机行业的飞速发展及计算能力的迅速提高，也得益于在实际应用中对于提高建筑环境性能的巨大需求。本书是有关街区室外微气候模拟方法与*优化设计的入门类书籍。近年来，将数学中的各种优化算法应用于建筑环境性能优化的研究受到广泛关注，尤其是随着参数化设计平台以及各种开源应用插件的传播与普及，基于参数化平台进行建筑环境性能优化的研究成果大量涌现。基于优化算法与参数化平台的建筑环境*优化工具在研究与工程应用领域都开始被广泛接受。但是，对于优化算法选用与优化设计平台的构建，特别是在多目标优化概念与Pareto解集合的应用上存在许多困境。因此，我们认为很有必要面向科研人员、广大学生，以及国内一线的设计和工程技术人员较为系统地介绍遗传算法与多目标优化的基础知识、*优化平台构建方法、参数化软件平台与相关工具。鉴于此，在本书的内容设置上，我们注重系统性、应用性及可操作性，衷心希望本书能为包括建筑师、工程师在内的建筑行业的从业人员，以及广大学生的工作与学习带来一定的帮助。另外，本书也可以作为研究生在相关课程学习中的教材。本书的部分章节源于笔者的已毕业研究生陈辛红与张倩同学（现任中南建筑设计院建筑师）的硕士学位论文，在此对二位同学表示感谢。本书策划与出版过程得到了华中科技大学出版社的大力支持，在此深表感谢。由于*优化问题与参数化涉及范围广泛，我们的理论与知识水平有限，成书时间较为仓促，书中难免存在缺漏及欠妥之处，敬请广大读者批评指正，以便在本书再版时进一步更新与完善。

本书通过对城市温暖化与城市热岛现象的研究，描述了其形成的原因及缓和策略。首先，利用对流、辐射耦合模拟进行街区室外微气候评价，包括对居住区夏季室外微气候的模拟及模拟精度验证和对建筑表皮绿化的室外微气候调节效果进行分析。然后，基于遗传算法与对流辐射耦合模拟对街区室外微气候优化设计方法进行开发，提出来室外微气候多目标的优化与决策方法。*后，通过对街区室外微气候优化设计的案例进行分析，提出了从单目标优化到多目标优化的街区室外微气候优化方式。

教授、博导，东京大学博。湖北省绿色建筑与节能委员会副主任委员，日本东京大学生产技术研究所海外研究员。主要研究方向为绿色建筑设计、建筑技能设计策略、城市与建筑热环境。主持国家科技支撑计划子课题及*博士点基金等多项，获住建部颁发2013全国绿色建筑创新奖一等奖、2015贵州省规划设计一等奖。发表论文60余篇，SCI检索10余篇。

章 绪论

节 研究背景

第二节 本书的构成

第二章 基于对流辐射耦合模拟的街区室外微气候评价方法

节 概述

第二节 街区室外微气候模拟与评价方法

第三节 居住区夏季室外微气候的模拟及精度验证

第四节 建筑表皮绿化的室外微气候调节效果分析

第五节 本章总结

第三章 基于遗传算法与对流辐射耦合模拟的室外微气候化设计方法

节 概述

第二节 街区室外微气候优化设计方法

第三节 基于遗传算法的化设计

第四节 本章总结

第四章 多目标化与决策

节 概述

第二节 多目标化与多目标解的概念

第三节决策问题

第四节 本章总结

第五章 街区室外微气候优化设计案例：从单目标优化到多目标优化

节 概述

第二节 树木的配置与街区室外微气候优化

第三节 建筑群的布局与街区室外微气候优化

第四节 架空层的布局与街区室外微气候优化

第五节 多目标优化视角下的树木配置问题

第六节 本章总结

第六章 江风渗透能力与街道轮廓形态优化

节 概述

第二节 基于Grasshopper的参数化优化设计平台

第三节 滨江居住街区街道轮廓形态分析

第四节 试验设计

第五节 提升江风渗透能力的街道轮廓形态优化设计

第六节 本章总结

第七章 基于机器学习的居住区风环境优化

节 概述

第二节 基于参数化的居住区风环境优化设计模型构建

第三节 多目标优化结果与分析

第四节 机器学习方法与住宅区风环境预测

第五节 本章总结 

本书通过对城市温暖化与城市热岛现象的研究，描述了其形成的原因及缓和策略。首先，利用对流、辐射耦合模拟进行街区室外微气候评价，包括对居住区夏季室外微气候的模拟及模拟精度验证和对建筑表皮绿化的室外微气候调节效果进行分析。然后，基于遗传算法与对流辐射耦合模拟对街区室外微气候优化设计方法进行开发，提出来室外微气候多目标的优化与决策方法。*后，通过对街区室外微气候优化设计的案例进行分析，提出了从单目标优化到多目标优化的街区室外微气候优化方式。

教授、博导，东京大学博。湖北省绿色建筑与节能委员会副主任委员，日本东京大学生产技术研究所海外研究员。主要研究方向为绿色建筑设计、建筑技能设计策略、城市与建筑热环境。主持国家科技支撑计划子课题及*博士点基金等多项，获住建部颁发2013全国绿色建筑创新奖一等奖、2015贵州省规划设计一等奖。发表论文60余篇，SCI检索10余篇。

本章主要构建江风渗透模拟优化平台，通过设定街道两侧每个街廓建筑对应的建筑面宽、底层架空，以及退让街道建筑界面控制线距离等3个方面的设计变量，以目标区域江风渗透能力为化目标，对不同街廓建筑设计参数组合形式下的街廓形态进行单目标优化设计。根据优化结果选取较为优秀的解集合中位于街道不同区域的街廓建筑设计变量的取值分布，统计每组优秀解集合街道两侧街廓建筑各设计变量的平均值分布。同时，针对获得的优秀解集合，统计对应街道中能用以描述街道轮廓形态的5个量化指标——界面密度、空间通透率、近线率、整段街廓建筑界面相对偏离度以及整段街廓建筑界面相对贴线率的取值分布，以此为基础总结利于江风向街道中渗透的街道轮廓形态的共性特征。

①街道两侧的街廓建筑设计参数平均取值较为集中，街廓建筑平均面宽更加偏向于中等偏大的取值。有利于江风渗透的街道轮廓建筑可适当设置部分底层架空的形式，但总体不宜过多，其中位于街道迎风位置的街廓建筑更倾向于选择底层架空的形式。当街廓建筑有底层架空时，由平均架空高度分布得出，底层偏向于较大的架空高度。街廓建筑整体有一定程度的退让街道界面控制线，但整体取值倾向于中等大小，除个别街廓建筑偶有较大距离的退让，说明街道建筑界面相对宽度，即由街道两侧街廓建筑限定的街道宽度并非越大越有利于江风渗透。

②处于街道不同区域的街廓建筑对应设计参数较优秀取值较为分散，其取值范围不同，难以获取较为统一的优秀取值范围。如街道迎风位置的街廓建筑倾向于更大的面宽及底层架空的情形；位于街道中间区域的街廓建筑面宽取值大小较为中等，底层趋向于不架空的形式，退让距离较为适中；位于街道尾端街廓建筑可适当设置底层架空，趋向于较大或较小的退让距离。因此在进行实际项目的深入设计时还需结合实际情况进行相应的取舍。

③利于江风渗透的街道轮廓形态量化指标分布较为集中。界面密度趋向于较大的取值，说明街道空间围合度较高的街道轮廓形态更有利于江风向街道内部渗透；空间通透率、近线率、整段街廓建筑界面相对偏离度取值较为适中；整段街廓建筑界面相对贴线率的取值也相对适中，但略偏向于取值范围中较小的取值，说明街道街廓建筑可适当在街道界面控制线基础上作退让，增加由街廓建筑限定的街道宽度。