生命周期环境影响和成本耦合目标下的参数化建筑设计方法研究

The embodied energy, environmental impacts and initial costs of buildings are increasing with the stricter regulations and standards to reduce building operational energy consumption and environmental emissions. The decisions made in the design process are of crucial importance to reduce the total impacts in building life cycle. The integrated information platform of BIM can assist LCA and LCC in each design stage, yet it is difficult to support the automatic feedback of the results and the simulation and optimization of multiple combinations of the design parameters. Parametric design platform can support the automatic generation and modification of the design parameters according to the performances. Integrated with optimization algorithm, it can largely improve the efficiency and accuracy of the performance optimization..Current performance oriented parametric design optimization methods haven't yet considered the coupling performances of life cycle environmental impacts and costs and its integration in the design process. Taking life cycle environmental impacts and life cycle costs as objectives and operational energy consumption and initial costs as bounds for the objectives, the study aims to develop methods and tools for optimization of design parameters by developing the data connection between parametric design platform, building information model, energy simulation, LCA and LCC, and optimization algorithm modules. Using on the methods and tools, case studies of different types of buildings are to be conducted to find out the key design parameters that are sensitive to the life cycle performances, and set up the optimization process coping with the architectural design stages and levels of development of building information modeling.

随着建筑节能减排标准日益严格，其构件和材料的隐含能耗、环境影响和成本所占比例也显著提高，有必要从生命周期范畴优化其环境及经济效益。设计过程的决策对降低生命周期影响至关重要。BIM的信息整合功能有助于进行LCA和LCC分析，但难以支持计算结果的自动反馈及大量设计参数组合的筛选；参数化设计平台与优化算法结合，能够支持基于性能表现的设计变量自动生成和修改，提高方案寻优的效率和多样性。.已有的基于性能的参数化设计方法研究，未涉及生命周期环境与经济性能的耦合优化及其与建筑设计过程的整合。本项目以生命周期环境影响和成本为优化目标，以使用能耗和初建成本增量为约束条件，开发参数化设计平台、建筑信息模型、能耗模拟、LCA和LCC，以及优化算法模块之间的数据接口，建立兼顾效率与准确性的辅助设计方法和工具。在此基础上进行案例分析，提出设计各阶段的关键参数及其定义方法，建立与方案进度和建模精度匹配的优化流程。

本项目以生命周期环境影响和成本为优化目标，以使用能耗和初建成本增量为约束条件，开发了参数化设计平台、建筑信息模型、能耗模拟、LCA和LCC，以及优化算法模块之间的数据接口，建立了兼顾效率与准确性的辅助设计方法和工具——PBLOT。在此基础上，结合案例进行应用研究，提出设计各阶段的关键参数及其定义方法，建立与方案进度和建模精度匹配的优化流程。此外，以BIM平台为基础，建立了与设计流程精度进展相匹配的应用工具——IBLAT。分析了本土数据库与外来数据库之间的差异造成的计算结果偏差，并对构件的关联关系对其寿命及生命周期性能的影响进行了专项研究。上述研究所建立的方法和结论，能够使绿色建筑设计决策更为全面、科学；所开发的工具，能够对设计决策进行有力辅助，并提高其优化效率。.本研究分析了国内外基于建筑LCA和LCC分析结果对设计参数进行优化的方法和工具，指出已有研究在模型精度的适应性、设计的多样性，以及对我国建筑研究的适用性方面均存在不足，并对影响生命周期性能的动态参数以及由于数据的地域差异造成的结果偏差缺乏系统性讨论。针对上述问题，课题组对参数化LCA/LCC的基本原理和方法、软件交互、程序开发、参数化模型的定义方式，及其与设计过程的结合等方面开展了研究，并结合多项案例进行了应用和验证。.本项目研究成果包括：（1）建立了结合参数化设计平台的建筑生命周期优化设计方法及工具：PBLOT；（２）结合零碳太阳能建筑设计案例，研究该方法在可持续建筑设计及可再生能源利用优化方面的应用，并据此提出能够适合不同设计阶段的应用流程；（３）应用该方法，研究不同类型建筑的参数化模型定义方法与优化流程，以便在性能优化的同时保证设计的多样性；（4）在已经获得的软件著作权基础上，就基于BIM的LCA工具（IBLAT）申请专利并获得申请号。.课题组目前已发表相关学术论文8篇，待录用发表4篇；国际会议论文及发言5次，受邀全国学术会议主题报告3次。研究成果转化为教学及建筑实践成果。例如：本项目负责人牵头建成R-CELLS零碳太阳能建筑，2022年获第三届中国国际太阳能十项全能竞赛冠军；建成夏木塘儿童教学厨房项目，2020年获得国际“密斯凡德罗”基金会“青年学子奖”亚洲第一名等。培养了8名硕士毕业生、6名博士在读，获得两项“天津大学优秀硕士论文”。