一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法

本发明属于绿色建筑，具体涉及一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法。

背景技术：

1、建筑包裹式腔层是以整体包裹式的空间布局方式，通过多层围护结构及二者之间的连续热缓冲空间来控制建筑内外热量传递的腔层。其特征是腔层空间连续贯通，整体包裹内部功能空间，在各个朝向根据调控功能不同具有不同的腔层深度，可改善建筑内部空间的舒适性和能源使用效率。

2、当前的建筑设计方法常将不同朝向的包裹式腔层分别作单项设计，现有技术常以性能目标为导向，将参数化建模、性能模拟工具与优化算法整合，对包裹式腔层设计因子展开优化搜索，提高了设计的效率与科学性。

3、然而，当综合考虑不同朝向的包裹式腔层时，若仍作单项设计则工作效率较低且难以得到整体的最优解，其原因是缺乏描述建筑包裹式腔层形式特征的参数化建模方法及优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，以建筑包裹式腔层的形式因子为优化设计因子，以建筑室内有效采光照度百分比、能源使用强度和室内热不舒适时间百分比为优化目标，利用改进强度帕累托进化算法(spea-2)和超体积估计算法(hype)生成帕累托最优解集，为基于环境性能的腔层设计决策提供依据。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建筑包裹式腔层的形式因子的参数化建模；所述建筑包裹式腔层是在东、南、西、北四个方向包裹建筑使用空间的腔层空间，其中，南向腔层外界面、南向腔层内界面、北向腔层外界面和北向腔层内界面设有开窗，具体包括以下子步骤：

5、1.1：定义描述建筑包裹式腔层形式特征的设计因子；

6、1.2：根据设计因子构建建筑包裹式腔层的参数化模型；

7、步骤1.1中，所述描述建筑包裹式腔层形式特征的设计因子包括：腔层平面西南侧控制点p1由建筑平面西南侧端点在x轴负方向移动的距离、腔层平面西南侧控制点p1由建筑平面西南侧端点在y轴负方向移动的距离、腔层平面东南侧控制点p2由建筑平面东南侧端点在x轴正方向移动的距离、腔层平面东南侧控制点p2由建筑平面东南侧端点在y轴负方向移动的距离、腔层平面东北侧控制点p3由建筑平面东北侧端点在x轴正方向移动的距离、腔层平面东北侧控制点p3由建筑平面东北侧端点在y轴正方向移动的距离、腔层平面西北侧控制点p4由建筑平面西北侧端点在x轴负方向移动的距离、腔层平面西北侧控制点p4由建筑平面西北侧端点在y轴正方向移动的距离、南向腔层外界面窗墙比、南向腔层内界面窗墙比、北向腔层外界面窗墙比和北向腔层内界面窗墙比，基于已定义的建筑包裹式腔层设计因子，在参数化设计平台内建立建筑包裹式腔层的参数化物理模型；

8、步骤2：建立建筑包裹式腔层的多目标优化设计模型；

9、步骤3：综合帕累托最优解集及排序结果做出设计决策。

10、步骤2包括以下子步骤：

11、2.1：根据优化目标建立建筑包裹式腔层的建筑性能模型；

12、2.2：基于建筑性能模拟的分析结果建立多目标优化设计模型。

13、所述步骤2.1中，需优先定义优化目标，以建筑使用空间的室内有效采光照度百分比为优化目标一、以建筑使用空间的室内能源使用强度为优化目标二、以建筑使用空间的室内全年热不舒适时间百分比为优化目标三。

14、步骤1中，所述参数化设计平台为rhino-grasshopper平台。

15、步骤2.1中，在rhino-grasshopper平台内利用ladybug tools插件调用radiance模拟引擎计算建筑使用空间的室内有效采光照度百分比，调用energyplus模拟引擎计算建筑使用空间的室内能源使用强度和建筑使用空间的室内全年热不舒适时间百分比；

16、步骤2.2中，在rhino-grasshopper平台内利用octopus插件，基于改进强度帕累托进化算法和超体积估计算法建立多目标优化设计模型，所有设计变量都作为genes导入到octopus的输入端，三项优化目标作为输出端。

17、根据以下适应度函数对所有方案进行排序，从中提取最优解，同时综合比较三种单项性能的最优解，以做出最终设计决策，

18、y＝(udii-udimin)c1-(euii-euimin)c2-(tdpi-tdpmin)c3

19、

20、其中，y值是三项性能指标的综合评价值，优化过程可自动寻优，通过调整设计因子，获得最大的性能评价值；

21、udi是指有效采光照度百分比；

22、udimax和udimin是指所有解中有效采光照度百分比的最大值和最小值；

23、eui是指能源使用强度；

24、euimax和euimin是指所有解中能源使用强度的最大值和最小值；

25、tdp是指热不舒适时间百分比；

26、tdpmax和tdpmin是指所有解中热不舒适时间百分比的最大值和最小值。

27、本发明的优点在于：

28、第一.提出了描述建筑包裹式腔层形式特征的设计因子，以此建立的参数化物理模型有助于设计师方便地获得不同形式的腔层设计方案。参数化物理模型能够方便地对接建筑性能模拟平台，通过对设计因子的调整，计算相应的优化目标值。

29、第二.本发明提出了以建筑使用空间的室内有效采光照度百分比、能源使用强度和全年热不舒适时间百分比为导向的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，用于支持环境性能驱动的建筑包裹式腔层设计，有助于推进建筑领域的低碳节能。

30、第三.本发明在应用中可根据实际的建筑包裹式腔层形式调整步骤1.1中的控制点数量，具有广泛的适用性，有助于建筑师在设计时做出科学有效的设计决策。

31、第四.本发明对不同朝向的建筑包裹式腔层进行整体单次优化设计，具有较高的设计效率与科学性，能够得到建筑包裹式腔层的最优解。

技术特征：

1.一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：

3.根据权利要求2所述的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，所述步骤2.1中，需优先定义优化目标，以建筑使用空间的室内有效采光照度百分比为优化目标一、以建筑使用空间的室内能源使用强度为优化目标二、以建筑使用空间的室内全年热不舒适时间百分比为优化目标三。

4.根据权利要求1所述的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤1中，所述参数化设计平台为rhino-grasshopper平台。

5.根据权利要求4所述的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，步骤2.1中，在rhino-grasshopper平台内利用ladybug tools插件调用radiance模拟引擎计算建筑使用空间的室内有效采光照度百分比，调用energyplus模拟引擎计算建筑使用空间的室内能源使用强度和建筑使用空间的室内全年热不舒适时间百分比；

6.根据权利要求5所述的建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，其特征在于，根据以下适应度函数对所有方案进行排序，从中提取最优解，同时综合比较三种单项性能的最优解，以做出最终设计决策，y＝(udii-udimin)c1-(euii-euimin)c2-(tdpi-tdpmin)c3

技术总结
本发明公开了一种建筑包裹式腔层的多目标优化设计方法，以建筑包裹式腔层的形式因子为优化设计因子，以建筑室内有效采光照度百分比、能源使用强度和室内热不舒适时间百分比为优化目标，利用改进强度帕累托进化算法和超体积估计算法生成帕累托最优解集，为基于环境性能的腔层设计决策提供依据。本发明对不同朝向的建筑包裹式腔层进行整体单次优化设计，具有较高的设计效率与科学性，能够得到建筑包裹式腔层的最优解。

技术研发人员：张彤,仲文洲,吴浩然,戴金贝,邹立君
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21