图1 基地总平面图

  

图2 初始建筑组团形态

  

图3 太阳辐射得热量计算网格划分

1 概述

太阳辐射是影响建筑能耗、热舒适与自然采光性能的重要环境因素。在寒冷地区，太阳辐射质量和时数有助于提升使用者舒适度[1]。近年来，如何利用太阳辐射降低能耗，改善室内物理环境品质已引起广泛关注[2、3]。建筑形态作为建筑室内外环境热交换界面，决定着建筑太阳辐射利用水平[4]。因此，太阳辐射利用导向下的寒地建筑组团形态优化对于提高寒地建筑能效，改善室内物理环境具有重要意义。

随着行业的发展，行业也存在着从业人员短缺供需矛盾尖锐、好家政员难寻消费者不满意、消费成本提升刚需雇主远离、企业经营成本提升盈利点低等问题。

近年来，国内外多位学者基于多目标进化算法，应用参数化模拟工具展开了太阳辐射利用性能导向下的建筑形态与空间优化设计研究。李彤针对冬夏两季太阳辐射利用问题，以获得冬夏两季太阳辐射差值最小为设计目标，应用参数化模拟工具，展开了建筑形态优化设计研究[5]；Fokai des针对雅典夏季和伦敦冬季气候特征，应用参数化工具展开冬夏两季太阳辐射得热量导向下的建筑围护结构优化设计研究[6]；Vermeulen以巴黎冬至日、春分日和夏至日直接太阳辐射得热量和全年太阳辐射得热总量最大为目标展开了城市布局结构优化设计研究[7]；Gabriele以提高市区太阳辐射可达性和太阳辐射利用潜力为目标，结合Trondheim城市规划实践，对城市建筑朝向、高度和间距进行了优化[8]。

既有研究表明优化算法与参数化工具应用可有效改善建筑太阳辐射利用效果，也揭示了高密度城市环境中建筑组团阴影遮挡可能显著影响建筑太阳辐射利用性能。本文旨在立足寒地气候特征，结合实践项目，应用多目标进化算法展开寒地太阳辐射利用导向下的建筑组团形态优化设计探索，为寒地建筑太阳辐射利用性能优化设计提供参考。

2 优化设计过程

研究结合寒地某高校宿舍楼设计项目展开。项目基地位于哈尔滨双城区，南北两侧临校区主干道，东西两侧临校区次干道，地势相对平坦，周边无高大建筑遮挡。基地东西向长度为252m，南北向长度为64m（图1）。项目总建筑面积2.3万m2，上下浮动5%，层数为5层，宿舍区总人数2200人，每间宿舍容纳4人。项目要求宿舍楼应呈合院式布局并采用退台设计方式营造丰富的室内外空间层次，优化设计初始建筑组团形态如图2所示。

2.1 优化设计目标构建

研究以建筑组团采暖季太阳辐射得热量最大、制冷季太阳辐射得热量最小、屋面太阳辐射可利用面积百分比最大为优化目标。本实践中采暖季太阳辐射得热量为宿舍楼组团单位外表面积在10月20日至次年的4月20日内累积获得的太阳辐射得热量；制冷季太阳辐射得热量为宿舍楼组团单位外表面积在4月21日至10月19日内累积获得的太阳辐射得热量；屋面太阳辐射可利用面积百分比以全年为计算周期，参考太阳能光伏利用需要，以年均800 kWh/m2为临界值[9]，定义年均太阳辐射得热量高于800 kWh/m2屋面面积占屋面总面积的百分比为屋面太阳辐射可利用面积百分比。研究基于哈尔滨地区CSWD气候数据库，采用grasshopper插件ladybug计算太阳辐射得热量，计算网格为2m×2m（图3）。

2.2 优化设计参量选择

兴趣是最好的老师，也是学习的原动力。概率统计来源于实际生活，其本身也是一门极具有趣味性的科学，有着大量的充满趣味性的，贴近我们的实际生活的例子，如果教师在授课过程中多多的讲解这样的例子，必然能提高学生们学习的兴趣，增加他们的求知欲。例如在讲授随机变量的期望时我们可以引入如下例子：有一个摆地摊的人拿了8个白的，8个黑的围棋子，放入一个袋子里。说：“凡愿摸彩者，须交 5元钱的手续费，然后一次从袋中摸出5个棋子。摊主按照地面铺着的一张”模子中彩表“给彩”。如下表：

为保证建筑组团形态优化结果符合构造要求，研究将设定优化设计参量值域范围。同时，为保证解空间规模的合理性，避免解空间过大，研究也将设定各优化设计参量步长。为保证建筑内部空间适用性，以宿舍开间宽度z为优化步长，以a和b分别表示3、4层相对上一层在X轴向增加的宿舍开间个数，那么3F和4F退台宽度分别为a＊z和b＊z（图5）。为保证建筑总面积不变，研究在X轴向开间变化的同时将Y轴方向退台宽度约束为（4-a）＊z和（4-b）＊z，a和b值域为0～4，步长为1。研究以图5（d）中AA1线段长度与开间的比值d表示5层顶点偏移量，其优化设计步长为1，值域为0～17。同时，根据《宿舍建筑设计规范》（JGJ 36-2016），单层床宿舍建筑净高不低于2.6m，双层床宿舍净高不低于3.4m，考虑宿舍空间使用灵活性，将层高值域设定为3.3～4.5m，步长0.3m；根据空间布置经济舒适原则将宿舍开间值域设定为3.3～4.5m，步长0.3m。建筑组团形态优化设计参量值域约束条件如表1。

根据设计要求，宿舍楼组团初始形态为三栋内院式建筑。各建筑单体平面为规则矩形，中心位置布置矩形内院，宿舍围绕内院均匀布置，交通、卫生间等辅助功能用房沿内院一侧集中布置。宿舍楼采用退台设计手法，考虑到建筑面积与服务人数要求，建筑首层及二层不进行退台设计，自三层逐层退台。同时，为避免优化设计方案突破总建筑面积要求，单体宿舍楼建筑面积限定为7654m2，首层建筑面积为2187m2。建筑退台尺度、开间与层高设计参量不仅影响建筑可接受太阳辐射得热量的外表面积，还影响着建筑太阳辐射遮挡情况，与优化设计目标紧密关联。因此，研究在设计实践中选取3层退台宽度、4层退台宽度、5层顶点偏移量、宿舍开间、建筑层高5项参量作为优化设计参量（图4）。

2.3 优化算法参数设定

在优化目标值域方面，屋面太阳辐射可利用面积百分比分布于64.71%～94.15%之间（图7） ，且多数非支配解呈现出较高的屋面太阳辐射可利用面积百分比；采暖季太阳辐射得热量分布于212.19kWh/m2～259.29kWh/m2之间，制冷季太阳辐射得热量分布于343.28kW h/m2～423.87kWh/m2之间，一定程度上说明多目标优化设计过程对建筑制冷季太阳辐射得热量性能影响相比其对采暖季太阳辐射得热量性能的影响更为显著。同时，屋面太阳辐射可利用面积百分比性能提升与制冷季太阳辐射得热量性能改善呈现制约关系。且采暖季太阳辐射得热量的数值提高也将导致制冷季太阳辐射得热量的增加，故在组团形态设计中需权衡考虑制冷季太阳辐射得热量与采暖季太阳辐射得热量性能要求。

乡镇供电所的发展事关农村经济社会发展，事关农村能源消费革命，而农村出现的新变化新需求，对乡镇供电服务也提出了新要求，打造具有更高服务水平的乡镇供电所势在必行。运用BIM信息模型，推进企业的信息化发展，制定企业的标准化设计，提高乡镇供电所生产营业用房的建设质量、建设效率，建设成为环保型、服务型、创新型、信息化的新一代“全能型”建筑。

3 优化设计结果

优化得出的非支配解集对三项优化目标呈现不同侧重。研究分别选择三项优化目标数值最优与最劣的、屋面太阳辐射可利用面积百分比与制冷季太阳辐射得热量两项目标相对较优的、屋面太阳辐射可利用面积百分比与采暖季太阳辐射得热量两项目标相对较优的及三项优化目标均相对较优的7项非支配解进行设计参量比较（图8），其相应的优化设计目标和设计参量如表3 所示。

  

图4 优化设计参量示意图

  

图5 单体宿舍各层平面示意图

 

表1 寒地建筑组团形态设计参量值域约束条件

  

参量名称 值域约束 步长 单位宿舍开间 3.3～4.5 0.3 m建筑层高 3.3～4.5 0.3 m 3层退台宽度 0～4 1 个4层退台宽度 0～4 1 个5层顶点偏移量 0～17 1 个

 

表2 设计实践中遗传算法控制参数设定

  

种群规模 100 精英保留 0.500 交叉率 0.800变异率 0.500 变异概率 0.100 保存间隔 0

  

图6 设计实践得出的非支配解集临近点网格曲面

研究应用多目标进化算法驱动建筑组团太阳辐射利用性能优化设计过程。既有研究表明，多目标优化算法可对多性能目标进行权衡，实现建筑性能协同优化[10、11]。多目标进化算法将根据建筑组团采暖季太阳辐射得热量、制冷季太阳辐射得热量和屋面太阳辐射可利用面积百分比3项优化目标计算结果，对建筑组团形态设计参数进行选择、交叉和变异重构，迭代生成建筑组团形态。优化算法采用精英保留策略，具体参数设定如表2。

  

图7 屋面太阳辐射可利用面积百分比与制冷季太阳辐射得热量制约关系图

  

图8 比较分析的优化方案对应的非支配解分布

 

表3 比较分析的优化方案对应的目标和参量

  

屋面太阳辐射可利用面积百分比屋面太阳辐射可利用面积（m2）采暖季太阳辐射得热量（kWh/m2）制冷季太阳辐射得热量（kWh/m2）设计参量楼号 开间(m) 层高(m) 3F退台宽度（个）4F退台宽度（个）5层顶点偏移量（个）A 3.6 4.5 3 1 15 B 4.5 4.2 4 4 16 C 4.5 4.2 3 2 13Ⅱ 67.57% 4433.27 212.19 343.28Ⅰ 64.71% 4245.62 218.32 349.01 A 4.5 4.5 3 0 2 B 4.5 4.2 3 4 16 C 4.5 4.2 2 2 8 A 3.6 4.5 3 0 14 B 4.5 4.2 4 2 10 C 4.5 4.2 2 3 13Ⅳ 94.15% 6177.18 241.43 390.58Ⅲ 92.68% 6080.73 229.26 368.29 A 4.2 4.5 0 0 14 B 4.2 3.9 4 4 17 C 4.5 3.3 4 4 12 A 4.2 3.3 0 4 14 B 4.2 3.3 4 4 17 C 4.5 3.3 0 4 14Ⅵ 92.11% 6043.34 259.29 423.87Ⅴ 92.49% 6068.27 257.86 421.07 A 3.6 3.3 4 4 8 B 4.2 3.3 4 4 17 C 4.5 3.3 3 4 14Ⅶ 93.81% 6154.87 235.16 380.83 A 4.5 3.6 3 3 10 B 4.2 4.2 4 4 17 C 4.5 4.2 1 0 4

经100代计算，多目标优化设计过程得出150项非支配解。非支配解集临近点网格呈内凹曲面状分布（图6），在下部区域数量较多，说明在屋面太阳辐射可利用面积百分比值域较高的范围内有相对较多的建筑组团形态非支配解。

在选取的7组非支配解中，Ⅰ组、Ⅱ组倾向于制冷季太阳辐射得热量较低，Ⅴ组、Ⅵ组倾向于采暖季太阳辐射得热量较高，Ⅲ组、Ⅳ组倾向于屋面太阳辐射可利用面积百分比较高，Ⅶ组相对均衡。通过Ⅰ组与Ⅲ组数据比较，在建筑的开间和层高保持不变的情况下，建筑退台宽度和5层顶点偏移量改变可产生27.97%的屋面太阳辐射可利用面积百分比差值和10.94kWh/m2的采暖季太阳辐射得热量差值，以及19.28kWh/m2的制冷季太阳辐射得热量差值。由此可见，在建筑开间和层高不变的情况下，改变建筑退台宽度及第5层平面顶点偏移量，对建筑组团屋面太阳辐射可利用面积百分比产生的影响较大，对采暖、制冷两季太阳辐射得热量的影响较小。通过Ⅳ数据及其组团形态（10）可知，当3层及4层退台仅沿一个轴（X轴或者Y轴）方向展开时，屋面太阳辐射可利用面积百分比获得非支配解中最大值，即在该条件下建筑各层退台之间的自遮挡情况最小，可有效提高屋面太阳辐射利用潜力。通过采用近方形基底平面形态的Ⅶ组非支配解（12）与采用扁平形基底平面形态的Ⅵ组非支配解（图11）对比可知，Ⅶ组近方形基底平面的组团形态虽然会降低24.13kWh/m2的采暖季太阳辐射得热量但可增加1.7%的屋面太阳辐射可利用面积百分比，并降低43.04kWh/m2的制冷季太阳辐射得热量，更好的权衡了三项性能目标之间的关系。研究通过四组可视化宿舍建筑组团形态（图9～12）表明新的优化设计方法在改善建筑组团太阳辐射利用性能的同时也可形成多元化的建筑组团形态方案，为设计决策制定提供更多选择。

  

图9 Ⅰ组建筑组团形态

  

图10 Ⅳ组建筑组团形态

  

图11 Ⅵ组建筑组团形态

  

图12 Ⅶ组建筑组团形态

结论

（3）非支配解形态比较表明寒地建筑组团形态优化设计方法计算得出的非支配解呈现多元化的造型特征，说明该方法在改善建筑组团太阳辐射利用性能的同时，也能为建筑组团形态创作提供灵活选择。

（2）非支配解参数分析表明建筑退台宽度及建筑5层顶点偏移量调整对屋面太阳辐射可利用面积百分比影响较大，对采暖、制冷两季太阳辐射得热量影响较小。

（1）优化得出的150项非支配解值域分布表明寒地建筑组团形态优化设计能够探索得出具有较优建筑太阳辐射利用性能的寒地建筑组团形态设计方案，说明该方法能够有效提升寒地建筑太阳辐射利用性能；

建筑设计是基于复合影响因素寻求多性能权衡优化方案的过程。研究立足寒地气候特征，结合实际项目，以建筑组团形态采暖、制冷两季太阳辐射得热量及屋面太阳辐射可利用面积百分比为优化目标，展开了建筑组团形态优化设计实践，得出150项非支配解，结论包括：

图、表来源

综上所述，隧道开挖支护施工本就存在一定的难度，在复杂地质环境中施工时难度再次增大，加之区域内地下水过于丰富，对工程提出了更多挑战。文章围绕隧洞洞室开挖施工技术进行研究，提出了具体的可行方法，从而提升了工程质量，确保施工在安全条件下进行，对于复杂软岩地层施工具有积极意义。

当代大学生亦需要补“钙”，大学生的成长成才离不开思政工作者对理想信念的指引与诠释。思政工作者在新环境下应尽量避免使用传统的“大满灌”“一言堂”等老旧的话语模式，应主动占领网络媒体新阵地，占领主流文化传播平台，多层次、全方位、重深度地宣传励志教育话语。高校思政工作者一是要善于从大量的事实中科学分析概括，得出让学生信服的合乎规律的结论；二是要通过创新宣传教育话语方式、丰富宣传教育手段、更新话语体系等，来增强大学生思想信念的引导力；三是可以通过身边的先进典型，摆事实、讲道理，通过启发式的话语模式来增强人物形象的渲染力度，让先进典型扎根于大学生心中，内化于心、外化于行。

图1 ：图中的基地总平面图由黑龙江工商学院校方提供；

文中其余图、表均由作者绘制。

参考文献

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