庄丽娜，林 杰
（1.日照市建筑设计研究院有限公司，山东 日照；
2.山东鲁勘工程设计有限公司，山东 济南）
近年来，全球气候变化和环境污染问题不断凸显，对环境保护和可持续发展的呼声越来越高。作为建筑师，如何在设计中考虑环境、经济和社会可持续性，成为当前热门话题。绿色建筑设计作为一种新的建筑设计理念和方法，已经得到了广泛的应用和推广[1-2]。绿色建筑是一种在建筑设计中考虑环境、经济和社会可持续性的方法。随着人们对环境保护和可持续发展的意识不断增强，绿色建筑的概念越来越受到人们的重视[3]。绿色建筑设计通过优化建筑的能源利用、材料选择、室内环境质量等方面，使建筑在使用过程中尽可能少地对环境造成负担，同时提高建筑的舒适性和可持续性[4]。
绿色建筑设计需要评估许多个潜在的设计备选方案，以获得最有前景的解决方案，而设计中的变量包括概念设计阶段的许多参数，这些参数对建筑性能有关键影响，因此本文介绍用于解决优化问题的多目标遗传算法。最后以一个案例为例子，说明了多目标遗传算法在绿色建筑设计中的应用。
1.1 节能设计
节能是绿色建筑设计的核心要点之一。建筑能耗占据全球总能耗的近一半，因此减少建筑能耗对于环境和可持续性发展具有重要意义[5]。以下是一些节能策略。
（1）优化建筑朝向和形态，充分利用自然光和自然通风，减少对人工光照和空调的需求；
（2）采用高效的隔热材料和节能设备，如高效节能灯具、节能空调等；
（3）使用可再生能源，如太阳能、风能等，满足建筑的部分能源需求；
（4）采用智能化控制系统，对建筑设备进行精细化管理，减少能源的浪费。
1.2 节水设计
节水是绿色建筑设计的另一个重要要点。全球水资源日益紧缺，因此减少建筑的用水量对于环境和可持续性发展具有重要意义。建筑设计中常用的节水措施如下。
（1）采用节水设备，如节水型马桶、节水型水龙头等；
（2）采用雨水收集系统和灌溉系统，利用雨水进行植物的灌溉和建筑的清洗等；
（3）优化建筑的景观设计，采用低水耗植物，减少浇水量；
（4）采用水回收系统，将污水经过处理后再利用于灌溉等非饮用用途。
1.3 材料选择理念
材料选择是绿色建筑设计中至关重要的一环。合理选择材料不仅可以减少对环境的污染，还可以延长建筑的使用寿命，减少建筑的更新和维护成本[6]。以下是一些材料选择策略。
（1）选择可再生和可降解的材料，如竹木材、生物质材料等；
（2）选择节能、环保、低碳的建筑材料，如低VOC（挥发性有机物）涂料、再生木材等；
（3）选择具有较高环境适应性的材料，如耐久性较强、适应性广的材料。
本优化研究中考虑的影响类别应包括自然资源消耗、全球变暖、酸化和臭氧消耗，而不考虑其他局部和瞬态影响，如生态毒性和光化学烟雾。本文所考虑的排放仅限于三种主要的温室气体和两种主要的酸性气体。火用（exergy）是“当系统从给定状态过渡到与环境平衡时，可以从由所研究的系统和环境组成的组合系统中提取的最大理论功”。与能量不同，由于过程的不可逆性，火用总是会被破坏。火用是一个广泛的属性，一旦指定了环境，其值就由系统的状态决定。
本文将火用纳入建筑生命周期评估问题中，视为评价生命周期环境影响的统一指标。为了便于以下描述，生命周期阶段分为运行前阶段和运行阶段。运营前阶段包括与阶段相关的自然资源开采、建筑材料生产、现场施工和运输。计算累积火用消耗有三种方法：过程分析、累积火用消耗平衡方程、累积能源消耗的扩展。本文中使用的最后一种方法是基于累积能量消耗计算累积火用消耗，因为该累积能量消耗可以从一些可用的生命周期评价工具中方便地获得，因此，累积火用消耗（CExC）可以表示为：
其中，CExCPP表示运行前阶段的累积火用消耗（MJ）；
CExCOP表示运行阶段的累积火用消耗（MJ）；
ENj表示在运行前阶段消耗的材料j 的内能（MJ）；
ONj 表示材料j 的年现场运行能量（MJ）；
ek表示非燃料材料的化学火用k（MJ/kg）；
mk表示非燃料材料的质量k（kg）；
n表示建筑物的预期寿命（年）；
αj表 示材料j的火用和能量含量之间的比率；
ηj表示材料j 的生产和交付的总体效率。
优化模型由变量、约束条件以及目标函数组成。本文的模型专注于建筑围护系统，因为它在确定建筑的环境性能和经济性能方面都很重要，该方法也同样可以应用于大范围的其他建筑系统，如供暖、通风和空调系统。
3.1 变量
离散变量和连续变量用于定义建筑设计方案。例如某些变量（如窗户类型）只能是具有可用窗户类型列表的离散类型。其中方向变量可以假设为0°和90°之间的任何值，也可以从预设列表中选择一个，如0°、15°或30°。在这项研究中，建筑物被限制为具有已知总建筑面积的矩形。图1 说明了一些变量的定义，变量具体定义如下。
图1 方向和纵横比的定义
（1）建筑方向（OR），以度（°）为单位，顺时针方向为正。
（2）建筑平面图的纵横比（AR）a/b，其中a 和b的定义如图1 所示。
（3）窗户类型定义了窗户构造（WIT）。
（4）每个建筑立面的窗墙比（WR）。
（5）墙类型（WAT）通过一系列图层进行定义。砌体空心墙，例如，它由包层、空腔、隔热层、防潮层、砌体结构和饰面的层序列组成。
（6）每层墙（WL）都定义了所选的实际材质。例如，墙壁类型的绝缘层可以是76.2 mm 的玻璃纤维毡或101.6 mm 的矿棉毡。
（7）屋顶类型（RT）定义了具有一系列图层的屋顶配置。例如，紧凑型传统屋顶类型由屋顶膜、隔热层、结构和饰面组成，从外到内依次排列。
（8）屋顶的每一层（RL）都定义选定的实际材质。
3.2 约束
在该优化模型中考虑了两种类型的约束（连续变量或者离散变量）。例如，如果WR 被设置为连续变量，并且下限值和上限值分别为0.2 和0.8，则相应的约束为0.2≤WR≤0.8。选择约束为离散变量提供了一组预定义的备选方案，例如，WT 可以限制为三种可用的窗类型之一：双层透明玻璃、三层透明玻璃和具有低辐射率涂层的双层玻璃。
3.3 目标函数
由于本研究的目的是帮助设计师实现具有成本效益的绿色建筑设计，因此选择生命周期成本（LCC）和生命周期环境影响（LCEI）作为使用优化模型最小化的两个目标函数。设X 表示变量向量，计算LCC 和LCEI 的通用表达式为
其中，IC 为建筑围护结构的初始施工成本，包括外墙、窗户、屋顶和地板（美元）；
OC 为生命周期运营成本，包括需求成本和能源消耗成本（美元）；
EE 为运营前阶段造成的环境影响（MJ）；
OE 为运营阶段造成的环境影响（MJ）；
A batExPP为运行前阶段的减排（火用）消耗（MJ）；
A batExOP为由于运行阶段（MJ）引起的减少（火用）消耗。
本文以某栋单层办公楼的设计为例进行了研究。该建筑的地上总面积为1 000 m2，预期寿命为40 年。楼板类型为梁系统上的开腹式钢托梁，顶部为混凝土，地面至屋顶高度为3.6 m。该建筑选用的窗户类型为低双层玻璃，空气空间为12.7 mm。墙类型是钢框架墙，由粘土砖覆层、空气空间、空气屏障、护套、带空腔隔热的钢钉、蒸汽屏障和饰面组成。只考虑了一种紧凑的传统屋顶系统，由压舱物、屋顶膜、隔热层、结构和饰面组成。砌体空心墙和屋顶采用两种刚性隔热材料：发泡聚苯乙烯（EPS）和挤塑聚苯乙烯（XPS）。钢框架墙采用两种类型的保温毡：玻璃纤维毡和岩棉毡。
对于结构化多目标遗传算法的实现，指定了以下参数：交叉概率=0.9，突变概率=0.02，最大生成数=200，种群规模=40，外部种群容量=30，从外部种群引入到原始种群的每一代是10，假设水力发电占主导地位。由于对于大多数实际问题很难获得实际的全局Pareto 前沿，因此从收敛良好的外部种群中的个体绘制的曲线可以被视为具有合理精度的Pareto 前沿。从图2 中可以看出，帕累托前沿由三个孤立的区域组成，在图2 中分别表示为区域A、B 和C。帕累托区域A 中的解决方案成本较低但环境影响较大，区域C 中的解决方法成本较低，但成本较大，区域B 中的解决方案对这两个标准都具有中间值。
图2 优化空间内的初始、最终和外部搜索结果的分布
针对以上不同的帕累托区域研究每个标准的详细组成部分，初始成本占比很大。这是由于几个原因造成的：首先电价较低；
其次，照明不包括在运营成本中，因为它被视为一个常数，因此不会影响最佳解决方案；
第三，地板和屋顶的结构构件具有较高的施工成本。
绿色建筑设计是当前建筑领域的热点和趋势，具有重要的环境保护和可持续发展意义。在追求可持续社会的过程中，改善建筑的环境性能具有至关重要的作用。本文提出的多目标优化模型可用于在给定条件下定位最优或接近最优的绿色建筑设计。案例研究表明，帕累托解由具有不同最优解的离散区域组成。对于所有帕累托解，一些变量的最佳值因不同的帕累托解或帕累托区域而异。本研究未来将采用考虑采光的多目标优化设计。
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