论文部分内容阅读
当今世界资源与能源问题日益严峻，建筑高消耗、高污染等弊端尽显，加剧了生态环境的恶化。在这一背景下，发展绿色建筑成为保护生态环境的必要途径。 绿色建筑的研究仍存在诸多问题:一是研究多停留在技术策略、性能分析、评价体系等方面，缺乏对形态、空间等建筑本质问题的研究;二是目标仅为满足规范与标准的硬性要求，缺乏对建筑生态性能的全方位考量;三是多为针对具体问题的片段化研究，缺乏通用的理论体系与实践方法。四是多侧重于方案确定后的后验性评价，较少关注设计过程中对方案生态性能的先验性优化。论文以建筑形态为对象、生态性能为目标、拓扑学理论为基础，对设计过程中绿色建筑的优化方法展开系统研究，作为解决上述问题的有益尝试。 论文将生态学与拓扑学理论相融合，构建了通过节点和关联表达建筑形态本质特征及演化规律的拓扑模型，并将建筑形态按尺度分为宏观的建筑布局、中观的建筑形体和微观的建筑建造三个层级。在此基础上，提出了“模拟——计算——优化”的绿色建筑形态拓扑优化研究方法，并通过实验与实践对该方法进行验证，主要结果如下: (1)绿色建筑布局拓扑优化方面。阐述了建筑群体、绿地和水体等布局要素对城市生态环境的积极作用。解析了布局整体、建筑单体和生态空间三种布局控制变量以及自然环境、人工环境与设计条件三种约束，在此基础上构建了层级化的建筑布局的拓扑模型。提出了包含建筑密度、容积率和绿地率的经济技术指标，包含建筑总体性能和生态空间质量的生态性能指标，并论述了二者的生态意义及计算方法。总结了基于建筑性能、基于生态空间和多目标综合的绿色建筑布局拓扑优化方法及其原理与流程，通过辽东湾体育中心和大连理工大学辽东湾校区的实验与实践对多目标综合算法优化方法进行了验证，结果证明优化后建筑布局的生态性能和环境质量得到了显著的提高。 (2)绿色建筑形体拓扑优化方面。阐述了建筑形体对建筑的空间、环境及建造等生态性能的重要影响。解析了基于建筑逻辑、基于几何构成和基于拓扑结构三种形体控制变量以及自然环境、人工环境与设计条件三类约束，并以此为基础构建了建筑形体的拓扑模型，在提高建筑形体自由度的同时增强了控制度。提出了以空间效率为主的空间适应性，包含日照、温度、风和降水的环境适应性，包含形体系数与窗墙比的形体指标等三类生态目标，并论述了各自的生态意义及计算方法。最后结合实践案例分别阐述了单生态目标主导优化和多生态目标均衡优化两种绿色建筑形体拓扑优化方法，并通过实验对后者进行了验证。实验表明拓扑优化的形体比初始方案日照获取总量提高88.9％，体形系数降低29.2％，结果证明了多生态目标均衡优化方法在提升建筑生态性能方面的显著作用。 (3)绿色建筑建造拓扑优化方面。在解析建造、建造逻辑和建造过程的基础上阐述了建筑建造在节材、节能和保护环境方面的生态诉求。在分析内向复杂化与外向复杂化两种建造拓扑结构演化规律基础上构建了建造逻辑的拓扑模型。提出了基于模数与轴线的逻辑控制度，包含阶数均值、维度均值和标准差的几何复杂度，包含绿色材料性能指标和材料损耗率的材料利用指标三个建造优化生态目标，并分别论述了各自的生态意义与计算方法。最后总结了几何优化法、力学优化法以及多目标算法优化三种绿色建筑建造拓扑优化方法的基本原理与流程，通过辽东湾体育中心网球馆和辽东湾石油科技馆工程实践对多目标算法优化法进行了检验，结果证明优化后的建筑建造充分实现了节材、节能和保护环境的生态目标。 论文融合了生态学与拓扑学理论与方法，从建筑形态角度切入，构建了绿色建筑优化的理论体系，对我国绿色建筑研究的发展有着重要的意义。