摘要：設計方法的優(yōu)劣將影響設計的效率，建筑節能并行設計可提高建筑節能設計的效率。本文在分析建筑節能設計信息模型的基礎上，提出建筑節能并行設計微循環(huán)模型，分析其設計過(guò)程的分解與修正，并提出適用于建筑節能并行設計的回溯搜索策略。

　　關(guān)鍵詞：建筑節能　并行設計 搜索策略

　　Abstract For the design， the method affects the efficiency. The concurrent design will enhance the efficiency of designing energy-efficiency buildings. On the basis of analyzing the information model of the energy-efficiency building， this paper puts forward the Micro-Design-Cycle of the energy-efficiency building， analyses it‘s decomposition process and correction process， and establishes the recursive searching strategy for the concurrent design of the energy-efficiency building.

　　Key words energy-efficiency building， concurrent design， searching strategy

　　有關(guān)研究表明：全球的能源消耗中，45%用于滿(mǎn)足建筑物的取暖、制冷和采光等要求，5%用于建筑物的建造過(guò)程。建筑設計方案是否滿(mǎn)足節能設計要求在很大程度上決定了其整個(gè)壽命周期內是否達到建筑節能的目的，通過(guò)設計降低建筑的能耗，可減少全球的能耗，有利于保持整個(gè)生態(tài)系統的穩定。節能建筑的設計與評價(jià)密不可分，節能評價(jià)是實(shí)現建筑節能設計的必要手段，節能建筑的設計要求建筑設計人員在設計階段對所設計的建筑進(jìn)行建筑能耗分析，以評價(jià)建筑方案是否節能。

　　1、建筑節能設計方法現狀

　　目前常用的建筑節能設計方法有兩種：按規定性指標設計和按性能性指標設計。按規定性指標設計是指建筑物體形特征和圍護結構熱工性能等均按有關(guān)建筑節能標準進(jìn)行設計。性能性指標由建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標和能耗指標兩部分組成，按性能性指標設計是指在同時(shí)滿(mǎn)足建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標和能耗指標的前提下，設計人員可自行確定建筑物體形特征和圍護結構熱工性能等的具體技術(shù)參數。

　　按規定性指標設計使設計人員擺脫了復雜的計算分析，在保證工程設計的合理性和成功方面有重大作用，但由于確定規定性指標主要考慮普遍情況，而每一個(gè)工程都有其不同于普遍情況的特殊性，因此規定性指標對適用范圍內的一個(gè)具體工程往往不是最佳的，即按規定性指標很難進(jìn)行優(yōu)化設計，同時(shí)按規定性指標設計容易阻礙新技術(shù)的應用和壓抑設計人員的創(chuàng )造性。按性能性指標設計使建筑節能設計標準具有充分的靈活性，為新技術(shù)的采用和具體工程項目的最優(yōu)化創(chuàng )造了條件。其信息流如圖1所示，圖中各個(gè)設計信息對應于建筑物體形特征設計、圍護結構熱工性能等設計內容。

　　按性能性指標設計需要對所設計建筑進(jìn)行能耗分析，進(jìn)而評價(jià)所設計的建筑是否節能，建筑能耗計算方法和節能評價(jià)方法的選擇成為這種設計方法的重要內容。國內對建筑節能評價(jià)的研究相對缺乏，目前建筑節能評價(jià)通常采用比較建筑能耗計算值和相關(guān)節能標準指標值的方法，建筑能耗計算值則通過(guò)相應的能耗分析軟件獲得，若評價(jià)結果表明所設計的建筑并不節能，則需要設計人員憑借個(gè)人的設計經(jīng)驗對設計方案進(jìn)行反復修改。國外已基本解決建筑節能設計標準靈活性和建筑節能評價(jià)方法問(wèn)題，初步實(shí)現了建筑圍護結構的節能平衡分析，但設計信息與評價(jià)信息之間缺乏溝通，尚未實(shí)現建筑設計過(guò)程的動(dòng)態(tài)評價(jià)和建筑設計的全局優(yōu)化。

　　可見(jiàn)，按性能性指標進(jìn)行建筑節能設計存在如下缺點(diǎn)：（1）過(guò)于依賴(lài)能耗分析軟件。（2）過(guò)于依賴(lài)設計人員的設計經(jīng)驗。實(shí)際上，目前得到權威結構確認的能耗分析軟件數量不多且推廣程度不大，就能耗分析軟件本身而言，仍存在提高運行速度、改進(jìn)人機界面等問(wèn)題；而設計人員的經(jīng)驗需要長(cháng)期積累。鑒于現有建筑節能設計方法的局限性，探索新的設計方法成為必然，本文擬采用并行設計思想，提出建筑節能并行設計方法，實(shí)現設計過(guò)程和評價(jià)過(guò)程的交叉、并行及協(xié)調。

　　2、建筑節能并行設計理論基礎

　　2.1 建筑節能設計信息模型

　　信息科學(xué)是以信息為研究對象、信息的運動(dòng)規律為研究?jì)热�，把擴展人的信息功能作為研究目標的科學(xué)[1，2].依據性質(zhì)來(lái)分類(lèi)，信息可分為語(yǔ)法信息、語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息。語(yǔ)法信息指事物運動(dòng)的狀態(tài)和方式；語(yǔ)義信息指事物運動(dòng)狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的含義；語(yǔ)用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的效用。

　　設計是為實(shí)現一定目標而尋求和選擇滿(mǎn)意的備選方案的活動(dòng)，它反映出設計對象的狀態(tài)，因此建筑節能設計可看成一種語(yǔ)法信息，節能設計的過(guò)程就是信息的運動(dòng)過(guò)程，信息運動(dòng)規律可應用于設計過(guò)程中。信息科學(xué)研究的信息運動(dòng)規律包括信息產(chǎn)生、信息提取、信息再生、信息施效等四類(lèi)。

　　在建筑節能并行設計中，設計對象是指節能設計的對象，即建筑平臺；設計主體為設計人員和計算機軟、硬件系統；設計對象本身所包含的設計信息即為產(chǎn)生信息；信息提取過(guò)程是指設計主體從設計對象提取試探性設計所需信息的過(guò)程；信息處理過(guò)程是設計主體根據試探性設計信息進(jìn)行節能評價(jià)的過(guò)程；設計主體根據設計目標和信息處理結果產(chǎn)生決策信息，這一過(guò)程即為信息再生過(guò)程；設計主體根據決策信息進(jìn)行確定性設計的過(guò)程就是信息的施用過(guò)程；作用于設計對象的確定性設計信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設計主體完成。

　　2.2 并行設計理論

　　并行設計屬于設計理論和方法學(xué)的范疇[3，4，5]，其本身也是設計理論和方法學(xué)的研究對象。并行設計強調產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各環(huán)節之間實(shí)現最大程度的交叉、并行及協(xié)調，其實(shí)質(zhì)就是把傳統的“設計——評價(jià)——再設計”的大循環(huán)轉變?yōu)槎啻蔚摹霸O計——評價(jià)——再設計”小循環(huán)，以便盡可能早地發(fā)現設計中存在的問(wèn)題。工程設計本質(zhì)上是順序性、交互性的，所謂“并行”并不是指同時(shí)進(jìn)行，而是指逐步、交替地實(shí)現設計、工藝、管理等活動(dòng)，在設計階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關(guān)后續環(huán)節的約束，由此，并行設計所說(shuō)的“并行化”應當理解為通過(guò)對產(chǎn)品設計對象和設計進(jìn)程的精心分解，達到有效的協(xié)同實(shí)施開(kāi)發(fā)周期中諸多子活動(dòng)、子任務(wù)的目的。

　　從信息科學(xué)角度看，設計過(guò)程可分成分析、綜合、評價(jià)三個(gè)過(guò)程組成，其通用模型如圖4所示。分析的作用是根據事物的功能需求，把客觀(guān)世界簡(jiǎn)化為模型，把問(wèn)題分解到可以解決的程度；綜合的作用是把元素組合成一個(gè)能工作的整體，提供多個(gè)備選方案；評價(jià)的作用是檢驗設計方案是否能實(shí)現既定目標。分析和評價(jià)都需要接受評價(jià)產(chǎn)生的反饋信息，設計者反復回到設計過(guò)程的起點(diǎn)，完善和改進(jìn)設計方案，直到滿(mǎn)足設計的需求。

　　設計過(guò)程從總體上來(lái)說(shuō)是順序性的，但設計過(guò)程可分成多個(gè)階段，各階段包括若干子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)分別工作于設計對象的不同方面。設計過(guò)程中不一定要等所有子任務(wù)完成后才開(kāi)始后續設計活動(dòng)，如果有與之相適應的描述設計對象的方式，使得提前進(jìn)行的下游環(huán)節子任務(wù)仍然有他們所需的完整信息，那就完全有可能把子任務(wù)按其處理對象重新組成一些彼此相對獨立的工作循環(huán)，并使這些工作循環(huán)在一定程度上并行進(jìn)行。

　　文獻[3]開(kāi)發(fā)的微循環(huán)模型可以實(shí)現上述設計的并行要求，其基本思想是把工程設計過(guò)程分解成一系列的設計微循環(huán)過(guò)程。在每個(gè)微循環(huán)中，根據已知的信息內容可以同時(shí)進(jìn)行從概念設計到詳細設計中的一些或全部的活動(dòng)環(huán)節。微循環(huán)模型是一種宏觀(guān)上并行、微觀(guān)上順序的機制。將設計對象分解成子對象，宏觀(guān)上并行的機制使得設計人員可以同時(shí)工作于設計對象的不同方面，從而縮短了整個(gè)設計周期；而微觀(guān)上順序的機制使得從概念設計到詳細設計的各個(gè)具體活動(dòng)環(huán)節仍然有完整的信息而得以繼續進(jìn)行。

　　3、建筑節能并行設計過(guò)程

　　3.1 建筑節能并行設計過(guò)程分解

　　建筑節能并行設計的設計分解應根據建筑節能設計的一般規律來(lái)進(jìn)行。綜合考慮建筑節能評價(jià)的17個(gè)分項指標[6]，將建筑節能并行設計過(guò)程分解成如下四個(gè)步驟：

　�、� 建筑所在地選擇。采暖度日數、空調度日數、采暖期太陽(yáng)總輻射量、空調期太陽(yáng)總輻射量等4個(gè)室外氣象特征固化于建筑所在地，在建筑節能并行設計中，當建筑所在地確定后，這4個(gè)參數即為常量，無(wú)需進(jìn)行節能評價(jià)。

　�、� 體型特征設計。體型特征設計的內容包括：極限體型系數設計、體型完善系數設計、建筑朝向設計等。為方便用戶(hù)輸入，建筑節能并行設計軟件實(shí)現時(shí)可將3個(gè)體型特征的輸入轉換為輸入建筑長(cháng)度、寬度、層高、層數和朝向。

　�、� 窗墻比設計。窗墻比設計是指建筑前向、后向、左向、右向窗墻比的設計。建筑節能并行設計軟件實(shí)現時(shí)可將前向、后向、左向、右向窗墻比的輸入分別轉化為窗戶(hù)寬度、高度和窗戶(hù)數量的輸入。

　�、� 構件類(lèi)型設計。構件類(lèi)型設計的內容包括：屋面傳熱系數、熱惰性設計，外墻傳熱系數、熱惰性設計，窗戶(hù)傳熱系數、吸收系數設計。

　　3.2 建筑節能并行設計過(guò)程修正

　　在建筑節能并行設計中，“設計——評價(jià)——再設計”大循環(huán)被分解成多個(gè)“設計——評價(jià)——再設計”小循環(huán)，各個(gè)小循環(huán)的設計通常不能一次性完成，而是需要根據節能評價(jià)結果修正設計，因此建筑節能并行設計過(guò)程是試探性的、循環(huán)的過(guò)程。

　　小循環(huán)中，窗墻比設計修正和構件類(lèi)型設計修正相對復雜。為提高建筑節能并行設計效率，窗墻比設計修正應解決東向、南向、西向、北向窗墻比設計修正的次序問(wèn)題；構件類(lèi)型設計修正應解決外窗、外墻、屋面設計修正的次序問(wèn)題。本文根據建筑節能綜合指標隨窗墻比、構件類(lèi)型的變化率大小，分別對窗墻比設計和構件類(lèi)型設計的修正順序進(jìn)行排序。分析變化率采用的建筑模型主要參數如下：建筑面積10×10m²，層高2.8m，外墻傳熱系數為1.54W/（ m².K），屋面傳熱系數為0.93 W/（ m².K），窗戶(hù)傳熱系數為3.1 W/（ m².K），窗墻比為0.35，通風(fēng)次數為1次/h.能耗分析工具采用DeST軟件。

　　建筑節能綜合指標耗電量隨窗墻比的變化。建筑全年耗電量隨窗墻比的變化率從大到小依次為西向、東向、北向、南向；耗熱量隨窗墻比的變化以南向最為明顯；耗冷量隨窗墻比的變化南、北向相差不大。對于住宅建筑，東向、西向山墻通常不開(kāi)窗或者所開(kāi)窗屬于廚房等不控溫房間，窗墻比設計修正優(yōu)先修改南向窗墻比，然后是北向窗墻比，接著(zhù)是西向、東向窗墻比。

　　建筑節能綜合指標隨外墻和屋面傳熱系數的變化，耗熱量指標隨外墻傳熱系數的變化率較大；全年耗電量、耗冷量指標隨外墻傳熱系數和屋面傳熱系數的變化率基本一致�？紤]窗戶(hù)是建筑圍護結構中熱工性能最薄弱的環(huán)節，其傳熱系數通常遠大于外墻和屋面的傳熱系數，構件類(lèi)型設計修正時(shí)應優(yōu)先修改窗戶(hù)的類(lèi)型，其次修改外墻類(lèi)型，最后修改屋面類(lèi)型。

　　4、建筑節能并行設計過(guò)程搜索策略[1]微循環(huán)微循環(huán)

　　由于對建筑節能并行設計過(guò)程進(jìn)行了分解，小循環(huán)中建筑節能評價(jià)存在評價(jià)信息不完全[7]的情況，本文采用缺省參數代替不完全信息。設計過(guò)程中，試探性設計方案由實(shí)際設計輸入參數和缺省參數組成。由于缺省參數的選取具有隨機性，若沒(méi)有有效的搜索策略，將會(huì )產(chǎn)生試探性設計方案組合爆炸，從而降低建筑節能并行設計的效率。

　　常用的搜索策略有盲目搜索和啟發(fā)式搜索兩類(lèi)，盲目搜索包括回溯搜索、廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索等。盲目搜索按預定控制策略進(jìn)行搜索，搜索過(guò)程中獲得的中間信息不用來(lái)改變控制策略；啟發(fā)式搜索需要有與問(wèn)題本身有關(guān)的信息。因此，盲目搜索不涉及語(yǔ)義、語(yǔ)用層次的信息，適合于語(yǔ)法層次信息的搜索，而啟發(fā)式搜索則適合于語(yǔ)義、語(yǔ)用層次的信息的搜索�；厮菟阉鞑呗允且环N試探性的搜索策略，其基本思路是：先選擇一個(gè)規則，然后應用這個(gè)規則；如果它不能求得解答或離解答越來(lái)越遠就舍棄這個(gè)規則而另選一個(gè)規則，經(jīng)過(guò)若干次回溯，終究可以得到解答。

　　衡量搜索策略性能的準則通常有三個(gè)：

　�、� 完備性。即只要問(wèn)題有解，在搜索策略的控制下就一定能找到解。

　�、� 盡量避免無(wú)用搜索。即增強搜索的目的性，盡量避免產(chǎn)生及考察無(wú)用的選項。

　�、� 控制開(kāi)銷(xiāo)小。即要求搜索策略實(shí)現簡(jiǎn)單，選擇及調度可用知識的開(kāi)銷(xiāo)盡可能小。

　　本文擬采用回溯搜索策略。為提高回溯搜索的效率，在分析建筑節能評價(jià)特點(diǎn)的基礎上，提出以?xún)蓚�(gè)極端情況作為回溯搜索的規則，從而大大減少規則的數量。所謂極端情況，就是最不利情況和最有利情況。最不（有）利情況是指選取最不（有）利于節能的評價(jià)指標，如：選取墻體類(lèi)型的缺省參數時(shí)，傳熱系數最大（�。┑倪x擇項即為最不（有）利情況。采用極端情況作為規則的回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能的三個(gè)準則，可以避免節能評價(jià)指標組合爆炸，提高建筑節能并行設計的效率。

　　5、結語(yǔ)

　�。�1） 對建筑設計過(guò)程進(jìn)行分解，提出建筑節能并行設計微循環(huán)模型，實(shí)現節能設計與節能評價(jià)的并行。

　�。�2） 通過(guò)比較建筑節能綜合指標隨窗墻比、構件類(lèi)型的變化率大小，指出窗墻比設計和建筑構件設計時(shí)的修正次序。

　�。�3） 采用以極端情況為規則的回溯搜索策略，可避免試探性設計過(guò)程設計方案組合爆炸，有利于提高設計效率。

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