BIPV/T建筑美学特征的多层级主观感知相关性评估方法及其应用

《ENERGY AND BUILDINGS》：A multilevel subjective perception relevance evaluation method for BIPV/T architectural aesthetic features and its application

　　

## 摘要

建筑光伏/光热一体化（BIPV/T）技术已成为减少建筑化石能源消耗的重要途径。与此同时，光伏/光热组件与建筑表皮整合所产生的建筑美学品质及其量化评估，已成为影响BIPV/T技术更广泛应用的关键问题。针对这一本质上具有不确定性和主观性的评估问题，本研究首先分析了建筑师"设计意图→建筑形态"的创意过程，以及评估群体的"建筑形态→推断设计意图"的认知过程。基于这一双向翻译机制，围绕建筑形态、建筑表皮、色彩与质感三个核心维度，建立了三级建筑美学评估指标体系。其次，引入主观感知相关性（Subjective Perception Relevance, SPR）概念，以表征建筑设计创作与后续美学评估之间的内在关系。开发了相应的多等级BIPV/T美学指标主观评分方法，并建立了SPR-AHP模型及多级评估方法。第三，对六个具有代表性的BIPV/T建筑案例进行了问卷调查和多等级评估，以验证所提方法的有效性。最后，将所提方法应用于某大型综合医院屋顶BIPV/T方案的优化。通过"原型方案评估—美学问题诊断—方案调整—结果再评估"的过程，利用三级指标的贡献结构识别原始方案中的美学问题，包括屋顶整体构图不足、组件连续性及分布节奏方面的缺陷。基于这些诊断结果，提出了设计调整建议以改善BIPV/T建筑的美学表现。优化后，综合美学评分从2.842提升至3.256。本研究为应对BIPV/T建筑美学评估中固有的不确定性和主观性，提供了一套多级评估指标体系、评估计算模型和评估方法，为光伏/光热组件与建筑形态、建筑表皮及色彩质感的整合设计提供了量化评估和决策支持依据。

## 引言

建筑约占全球终端能源消耗的30%[1]。因此，可再生能源的开发与利用已成为减少建筑领域能源使用和碳排放的重要措施，太阳能是最为广泛可再生的资源之一，也是最容易整合到建筑设计中的能源形式。1970年代石油危机之后，欧美研究者开始探索太阳能组件在建筑围护结构中的应用。建筑光伏一体化（BIPV）的概念于1990年代初提出[2]。2000年代以来，太阳能组件与建筑围护结构越来越多地被设计、建造和实施为一体化系统[3]，BIPV系统的美学适应性和建筑整合性也日益受到关注[4]。早在1976年，宾夕法尼亚大学的Martin Wolf便提出了光伏/光热（PVT）技术[5]，即在光伏组件背后安装冷却液通道，移除多余热量并将其回收为有用的热能，从而同时提高光伏发电效率。随着BIPV技术的成熟，研究者随后开始研究PVT系统与建筑围护结构的整合[6]。2005年，康考迪亚大学的Athienitis研究团队开发并实验测试了一种基于空气的建筑光伏/光热一体化（BIPVT）幕墙原型[7]，标志着该领域的重要早期里程碑。此后，BIPV/T这一术语涵盖了BIPV和BIPVT两种概念，在国际研究界被越来越多的采用。2010年以来，随着可持续、绿色及零能建筑关注度不断提升，与热泵供暖制冷技术相结合的BIPV/T系统逐渐向工程应用推进，成为将建筑从能源消费者转变为能源生产系统的重要途径。

在BIPV/T系统中，光伏/光热组件成为建筑围护结构的组成部分，在同时发电和产生有用热能的同时改善围护结构的热工性能。这种整合支持了建筑从能源消费者向能源生产者的转变[8][9]，并增强了城市环境中太阳能利用的潜力[10][11][12]。然而，由于BIPV/T建筑围护结构是城市街景的重要组成部分，其视觉和美学品质直接影响建筑师和公众的接受度[13][14]。既往研究表明，建筑立面上光伏组件的可视性是影响BIPV建筑感知美学品质的关键因素[15]，且在屋顶和立面同时安装光伏组件的建筑通常比仅在屋顶安装光伏系统的建筑获得较低的美学评分[16][17]。因此，提高BIPV/T建筑围护结构的视觉美学品质对于增强建筑与城市的协调性[18][19]、促进BIPV/T技术的更广泛整合和规模化应用至关重要。彩色太阳能电池[20][21]、彩色涂层[22][23]及隐藏电池栅线等技术可以缓解传统单色光伏组件呆板单调的外观，同时丰富BIPV/T建筑围护结构的色彩和质感表达。Awuku等人[24]强调，视觉美学是BIPV/T设计中的关键考量因素，应纳入地域文化背景和公众美学偏好，以实现BIPV/T系统、建筑与城市环境之间更好的视觉整合。因此，光伏/光热组件与建筑围护结构整合所产生的建筑美学品质——包括建筑师和其他评估群体的评价——构成了BIPV/T技术更广泛应用中的重要问题。对于城市建筑的大规模部署，应特别注意平衡建筑美学表达与热能和电能生产功能，以支持建筑、能源系统、环境与城市的协调发展。

对BIPV/T建筑美学品质日益增长的关注，相应地产生了对建筑美学特征进行系统评估的需求。IEA-PVPS Task 15报告《BIPV及其功能用户需求编制与分析》指出，BIPV/T项目不仅应评估经济、能源和环境绩效，还应评估视觉品质[25][26]。Munari Probst等人[27]提出了LESO-QSV方法用于评估太阳能系统的建筑整合品质，在系统几何、材料性和系统细节三个层面提供定性评估。Lewis等人[28]开发了光伏建筑一体化设计与性能评估工具（PV-BIDPAT），可实现对BIPV系统环境效益的定量评估。Wilson等人[29]研究了评估BIPV组件外观、眩光、色彩和发电性能的方法。建筑美学也可通过直接视觉观察或问卷调查来捕捉可感知的美学特征进行评估[30]。在此背景下，视觉显著性理论[31]指出，视觉注意力的分布是非均匀的，倾向于优先关注高视觉信息密度或显著美学特征的区域，为使用视觉识别和机器学习技术进行美学评估提供了理论基础。此外，既往研究表明，同一建筑的群体美学偏好表现出可识别的统计规律[32]。在定量评估方法中，层次分析法（AHP）已被应用于建筑美学评估[33]。AHP的一个关键步骤是构建两两比较矩阵[34]。然而，由于这些矩阵必须事先由专家或决策者确定，当无法获得可靠的两两判断时，AHP无法有效实施。因此，在将AHP应用于建筑美学评估时，需特别注意两个问题：美学指标两两重要性矩阵的构建，以及不同等级指标值和权重的严谨确定。这些问题在既往研究中受到的关注有限。尽管在评估BIPV/T建筑美学特征方面已取得相当进展，但许多当前项目仍存在美学评估不足、视觉配置无序、工业化组件拼装碎片化等问题，这些问题可能破坏建筑整体形象和城市景观的连续性。这些问题凸显了对更系统化、以设计为导向的BIPV/T美学评估方法的迫切需求。

当前BIPV/T建筑美学评估研究面临三大局限。首先，现有评估方法往往与建筑师的设计理念、意图和创意过程脱节，更常被用作设计方案定稿后的主观性事后评估。这种末端评估未能建立美学和能源绩效结果反馈至设计前期进行迭代调整和改善的闭环流程。其次，现有评估维度未能充分对应建筑设计的核心美学关注点，如形式构图、质感节奏、尺度和层次。因此，科学构建且全面的BIPV/T建筑美学评估体系以及清晰定义的指标含义仍付之阙如。第三，现有方法往往只是传统AHP的直接套用，极少反映建筑设计意图翻译为建成形态的内在专业逻辑。这一问题在建筑美学评估中大多被忽视，需要对本质上不确定和主观的评估过程进行更严谨的量化处理。

这些局限揭示了三个关键研究问题。第一，如何解读建筑师"设计意图→建筑形态"的创意过程以及评估者"建筑形态→推断设计意图"的反向认知过程。第二，如何构建适用于建筑师、专业人员及其他评估群体进行主观评估的BIPV/T建筑美学指标体系。第三，如何开发一种能够同时表征这一双向翻译过程和主观美学判断特征的评估方法。解决这些问题对于建立科学合理的BIPV/T建筑美学评估方法至关重要，该方法能够支持光伏/光热组件与建筑围护结构的整合设计，改善BIPV/T建筑与城市街景之间的视觉统一性和平衡性。

针对上述问题，本研究首先分析了建筑师"设计意图→建筑形态"的创意过程以及评估群体"建筑形态→推断设计意图"的认知过程，从而为BIPV/T建筑美学评估建立了专业理论基础。其次，从宏观的建筑形态表达、中观的建筑表皮组织到微观的色彩与质感表达，在三个感知尺度上开发了三级美学评估指标体系。该体系围绕建筑形态、建筑表皮和色彩与质感三个核心维度构建。第三，引入主观感知相关性（SPR）概念，以表征这一双向翻译过程中建筑形态与主观美学感知之间的关系，并开发了相应的多级主观评分方法。第四，建立了主观感知相关性—层次分析法（SPR-AHP）评估模型，对建筑形态被认知解读和评估的主观过程进行量化。最后，通过对代表性BIPV/T建筑案例的问卷调查和多等级评估对所提方法进行了验证。本研究为应对BIPV/T美学主观评估中固有的不确定性提供了一套多级指标体系、定量模型和评估程序，同时为BIPV/T工程应用中面向设计的美学诊断、决策和迭代优化提供了依据。

## 章节摘要

### "意图"与"形态"之间的双向翻译：建筑设计创作与美学评估

#### （1）建筑设计中"设计意图→建筑形态"翻译过程分析

建筑设计始于建筑师的设计理念和意图，这些为后续方案发展、详细设计及最终实现提供基础，同时也作为建筑美学评估的重要参照。因此，明确设计意图翻译的专业逻辑、影响因素和基本过程……

### 主观感知相关性—层次分析法评估框架的开发

如上所述，建筑美学评估一般可分为两种方法：主观整体评估和基于模型的定量评估。前者指专家或其他评估群体对建筑进行的直观综合性主观判断，后者指使用预定义评估模型和计算程序进行的定量评估。对于同一建筑，使用这两种方法所得到的结果……

### 建筑案例与样本数据获取

#### （1）建筑案例概述

案例1是一座传统住宅建筑，如图8(a)所示。光伏组件通过独立安装结构和可移动导轨固定在屋顶上，倾斜角度根据当地气候条件进行优化。

这种配置代表了一种附加式集成方法，主要以发电效率为导向。案例2为北京国际园林博览会的中国馆，如图8(b)所示。SPR–AHP方法在建筑方案优化中的应用：为检验所提出的评估方法在建筑设计过程中的适用性，选取德州一家大型综合医院的屋顶BIPV/T系统作为工程示范项目，并建立了"原型方案评估–美学问题诊断–方案优化–结果再评估"的应用工作流程。首先，对传统布局方案进行了问卷调查，并确定了SPR权重及加权贡献值……结论：针对当前BIPV/T建筑美学评估中存在的局限性，包括指标体系不完善、传统固定权重方法无法反映不同建筑案例之间的形式差异、以及主观评估结果难以转化为可量化的设计指导等问题，本研究探讨了建筑创作与美学评估中意图与形式之间的双向转化关系。建立了一种多层次的BIPV/T建筑美学评估体系……CRediT作者贡献声明：彭如琛：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法，调研，概念化。张力：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢：作者感谢中国国家自然科学基金主任基金"奈曼地区高产低碳果蔬温室PV/T热泵环境营造技术"项目（编号M2542011）的资助。作者衷心感谢夏津县公共医疗中心太阳能PVT热泵土壤跨季节储能低碳能源技术服务项目（SDLS-2024012）的支持。作者彭如琛|张力