《COMPOSITE STRUCTURES》：Balancing Environmental, Social, and economic performance for sustainable industrial building Envelopes: A Multi-Objective optimization approach
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工业建筑外立面多目标优化框架研究，通过NSGA-II算法平衡能源效率、室内舒适度与经济性，采用聚类与TOPSIS方法筛选重庆工厂案例最优解，揭示三目标权衡关系及三种设计范式，为早期设计提供数据支持。
Jiahui Yu | Ting Wang | Sheng Quan | Jinming Zhang | Chaorui Zhao
同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092，中国
摘要
建筑对于实现可持续性和碳中和至关重要。高性能的建筑围护结构设计是可持续建筑的基石，提供了一种有效的被动策略来提高建筑能源效率。然而，工业建筑在全球环境影响中占据重要比例，但却一直被忽视。为了解决这一关键问题，本研究提出了一个基于仿真的多目标优化框架，以协调包括环境影响、社会福祉和经济可行性在内的关键可持续性支柱之间的权衡，并将其应用于重庆的一个代表性工厂。通过对建筑围护结构的关键形式和材料参数等设计变量进行优化，提高了能源效率、室内舒适度和经济效益。本研究使用了NSGA-II算法生成帕累托前沿，然后采用K-means聚类和AHP-TOPSIS方法来选择分析方案。结果揭示了三种不同的设计范式，并为案例研究建筑提出了最终推荐方案。最终推荐的方案在能源使用强度（仅增加了3.59%）和生命周期成本（增加了5.85%）的情况下，实现了接近最大的舒适度得分。本研究提供了一种稳健的、数据驱动的方法，使利益相关者能够在早期设计阶段做出决策，从而为可持续发展做出贡献。
引言
缓解全球能源危机和减少温室气体（GHG）排放是21世纪最紧迫的挑战。由于建筑行业是温室气体排放的主要来源[1]，从初始设计阶段就提高建筑性能是实现可持续性的关键策略。在这方面，工业建筑在节能方面具有巨大潜力。根据国际能源署（IEA）的数据，中国的工业最终能耗在过去二十年里从1260万吨增加到4880万吨，占2023年总最终能耗的48.4%[2]。这一快速的行业增长导致了对工业建筑需求的相应增加。尽管建筑能耗在工业最终能耗中所占比例较小，但其绝对数值仍然很大。因此，提高工业建筑的能源效率是实现可持续性目标的关键领域。
除了能源效率之外，现代工业建筑设计越来越关注室内环境质量（IEQ）。大量研究表明，高IEQ可以提高工作效率和员工福祉[3] [4]。相反，较差的IEQ与员工分心、缺勤率增加以及患病率上升密切相关，这对员工健康和盈利能力都构成风险[5]。
总之，工业建筑不仅需要满足功能需求，还需要满足两个关键要求：一是明确的节能要求，二是隐含的室内舒适性需求。因此，一个同时考虑环境、社会和经济性能的设计过程对于建筑行业的可持续发展至关重要。
高性能的建筑围护结构是满足可持续性需求的最有效被动策略之一。它控制着室内和室外环境之间的热交换，约占建筑总能耗的40%[6] [7]。然而，设计高性能建筑围护结构是一项复杂的任务，因为它需要平衡相互冲突的多个目标[8]。一个目标的改善可能会导致另一个目标的下降。例如，增加透明组件的面积以改善室内自然采光可能会导致更高的冷却和加热负荷[9] [10]。此外，采用高性能组件来节省能源通常需要更大的初始投资。这种复杂性意味着很少存在一个普遍最优的解决方案，使得设计师难以直观地平衡这些相互竞争的因素。
为了解决这些挑战，基于仿真的多目标优化（MOO）已成为建筑围护结构设计中的领先和必要方法。现有文献中通常涉及两个或三个目标。如表1所示，能源性能和经济效益因其可量化性和涉及的关键权衡而被广泛采用。为了确保节能措施不会影响IEQ，一些研究人员[11] [12] [13] [14]整合了热舒适度和视觉舒适度指标。此外，随着全球可持续性目标的提出，对环境影响（如二氧化碳排放[15]）的关注也在增加。
在设计变量方面，文献全面探讨了不透明和透明组件。对于透明组件，窗墙比（WWR）和玻璃性能（例如U值、SHGC）被认为是最具影响力的参数。对于不透明组件，绝缘厚度和材料性能是标准变量，因为它们决定了热性能。此外，外部遮阳[12] [13] [15]和集成光伏系统[6] [16]也被研究用于进一步提高能源效率。
在建筑类型方面，大多数研究集中在民用建筑上，包括住宅[11] [15] [16] [17] [18]、办公[6] [12] [19]和教育[13]建筑。然而，工业建筑很少被讨论，系统评价也证实了这一点[8] [20]。现有研究主要针对特定设施。例如，Menconi等人[21]研究了牲畜住房的能源性能优化。Zhou等人[22]评估了清洁工厂的建筑参数，以平衡能源消耗和热性能。此外，Islam等人[23]优化了一个假设的工业建筑的几何变量，重点关注自然采光、能源和热措施。
基于这项结构化的综述，发现了两个研究空白。首先，尽管工业建筑具有显著的可持续性潜力，但其在研究中的代表性仍然不足。虽然有一些研究针对特定设施，但针对一般工厂的研究有限。一般工厂具有庞大的空间体积和由生产过程驱动的独特环境要求，导致其能源和舒适性能与民用建筑不同。其次，大多数研究集中在两个目标之间的权衡上，而没有充分探索能源、经济和舒适性之间的三重平衡。
为了填补上述空白，本研究开发了一个针对工业建筑围护结构的MOO框架，整合了性能仿真、进化优化和多标准决策（MCDM）。具体目标包括：（1）研究九个围护结构参数的耦合效应并确定其最佳组合；（2）通过结合六个目标函数来探索能源、舒适性和经济性能之间的三重权衡；（3）将该框架应用于一个代表性工厂来制定设计策略。
本研究的主要贡献有三个方面：
- 1.
填补工业研究空白。本研究将MOO的应用扩展到工业领域，并量化了三个目标之间的复杂相互作用，从而更深入地理解了大规模设施中的权衡。
- 2.
确保工程相关性。通过根据标准和实际施工实践选择设计变量，本研究确保优化结果适用于实际项目。
- 3.
提供决策支持。通过混合分析方法确定的独特设计策略，本研究为早期设计阶段的决策提供了全面可靠的科学支持。
材料与方法
该框架包括四个阶段的过程（图1）。该方法通过链接Rhinoceros-Grasshopper与Ladybug Tools和Wallacei X优化插件的工具链来执行，性能仿真由EnergyPlus和Radiance引擎驱动。过程包括：（1）为案例研究建筑建立仿真模型；（2）定义优化设计变量和目标；（3）进行多目标优化以生成帕累托最优解；（4）
多目标优化过程的结果
虽然最初设定的生成次数为100次，但由于观察到收敛，优化过程在第50代（2500次评估）时结束。如图4(a)所示，几乎所有目标的极值在第50代之前就达到了稳定平台。累积超体积（CHV）分析（图4b）进一步确认了解决方案集的代表性和稳健性。将仿真扩展到第61代后，CHV略有增加
三个目标之间的权衡
优化结果揭示了复杂的权衡策略，既包括目标之间的权衡，也包括目标内部的权衡。第一个权衡是能源或经济目标与舒适性目标之间的权衡。这一点在第3.2节中发现的负相关性和第3.3节中的统计分析中得到了强烈证明。
负相关性表明，更高的IEQ需要更多的能源消耗和更高的成本。中位数的上升趋势（图7）揭示了这一主导趋势。
结论与局限性
本研究提出了一个基于仿真的多目标优化框架，用于确定实现可持续性的工业建筑围护结构的最优设计，并将其应用于炎热夏季和寒冷冬季气候区的案例研究。基于工程实用性，优化了九个设计变量，以平衡环境、社会和经济性能。通过对帕累托前沿的多方面分析，选择了具有代表性的解决方案并进行了比较分析。
作者贡献声明
Jiahui Yu：写作 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。
Ting Wang：监督、项目管理、概念化。
Sheng Quan：验证、资源管理、调查。
Jinming Zhang：资源管理、调查。
Chaorui Zhao：写作 – 审稿与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
