本文是一篇建筑论文，本研究旨在探明呼和浩特地区高层办公建筑空间形态与建筑能耗之间的影响规律及其应用方法，从而提高局地建筑节能设计综合效力，强化多因素权衡能力，提升节能设计决策精度。
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1建筑运行能耗日益增大
自20世纪70年代以来的两次石油危机之后，能源成本急剧上升，能源的消耗及短缺问题成为了人类面临的重要议题之一[1]。而建筑、工业和交通作为城市能源消耗的三大主要领域，是人们向更加节能的社会模式进行转变的工作重点。建筑领域约占全球能源消耗的35%，并且这一比例在发达地区更加显著。例如：在美国，建筑行业占总能源消费的39%；在欧洲，建筑行业占总能源消费的40%，并呈现逐步增长的势头[2]。
在我国，随着城镇化率从2001年的37.7%增长到2019年的60.6%，大量的城镇建筑拔地而起，使建筑行业被提高到了前所未有的高度。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》与《中国建筑业统计年鉴2021》，2015-2019年之间，我国年均建筑竣工面积保持在37亿平米左右，建筑面积总量约达到了644亿平米，能源消耗量达到了全社会总能耗的33%[3]。其中，公共建筑占建筑面积总量的21%，约为136亿平米。近年来，随着公共建筑规模的增长与平均能耗强度的增长，公共建筑的能耗在2019年达到了3.42亿tce，超越了城镇住宅与农村住宅的总耗能量，成为中国建筑能耗中比例最大的一部分[4]。
建筑的全生命周期能耗包括材料准备阶段的能耗、筑建造阶段的能耗、建筑使用阶段的能耗、建筑拆除阶段的能耗、废弃建材处置阶段的能耗和建筑回收利用节约能耗。其中，运行能耗也称为狭义建筑能耗[5]，是建筑全生命周期能耗中占比最大，且容易控制的一项。此外，随着我国逐渐进入城镇化新阶段，建设速度放缓，建筑的运行能耗在全生命周期能耗中的占比将持续增大。
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1.2研究目的与意义
1.2.1研究目的
研究的总目标是在揭示高层办公建筑空间形态与能耗之间的影响规律基础上，总结出与该规律相应的建筑空间形态节能设计方法。该总目标可分为以下几个阶段性目标：
（1）建立以空间形态为核心的呼和浩特地区高层办公建筑能耗模拟典型模型
了解特定气候、特定地区下的建筑空间形态特征是激发局地建筑节能设计潜力的必要前提。呼和浩特为地处内蒙古高原的严寒C类地区代表性城市，冬季严寒漫长，年温差大、日温差大，太阳辐射资源丰富。地域性建筑设计通过多年的发展，对本地气候有着独有的回应方式，建成了诸多能够体现气候设计的实践案例。
（2）挖掘建筑空间形态设计因素对建筑能耗的影响规律
深入挖掘建筑空间形态能耗影响规律，是进一步提升建筑节能设计水平的核心内容。建筑空间形态对建筑自然采光性能、保温隔热性能具有直接影响。现阶段的建筑设计过程普遍存在对建筑形态节能设计的关注度不足的问题。因此，需要总结建筑空间形态能耗影响规律，搭建理论与实践之间的桥梁。
（3）验证建筑空间形态能耗影响规律的正确性
确保建筑空间形态节能设计规律的正确性与实用性是从规律转向实践的必要手段。研究结合案例实践对高层办公建筑空间形态能耗影响规律与建筑场地环境因素进行综合考虑，达到提升建筑空间形态节能设计多因素权衡能力的目的。
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第二章高层办公建筑空间形态节能设计相关理论与现状特征研究
2.1高层办公建筑空间形态节能设计基础理论研究
总结高层办公建筑空间形态节能设计研究相关理论是针对呼和浩特地区高层办公建筑的形态设计因素进行节能优化的必要前提。本节分别从呼和浩特地区气候特征、高层办公建筑能耗特征、高层办公建筑空间形态能耗影响因素分析、能耗模拟工具筛选四个方面对高层办公建筑空间形态节能设计研究相关理论展开分析。
2.1.1呼和浩特地区气候特征分析
2.1.1.1呼和浩特地区光气候特征
《建筑采光设计标准》GB 50033-2013依据室外天然光年平均总照度值划分了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ种光气候区，如图2-1所示。其中，Ⅰ光气候区天然光年平均总照度≥45klx；Ⅱ光气候区处于40 klx至45 klx之间；Ⅲ光气候区处于35 klx至40 klx之间；Ⅳ光气候区处于30 klx至35 klx之间；Ⅴ光气候区为小于30 klx。呼和浩特市属于光气候Ⅱ区，相比于哈尔滨、北京、海拉尔、沈阳等气候寒冷地区，呼和浩特地区年平均总照度值是最高的一个地区。
研究对CSWD气象数据进行数据挖掘，了解呼和浩特地区气候特征。该气象数据由中国气象局国家气象信息中心气象资料室和清华大学合作编制，包含全国270个台站的设计用室外气象参数和典型年逐时气象数据。其获取方法为进入Designbuilder官网的Weather部分或直接从Designbuilder应用程序中下载，下载格式可以为epw。在CSWD气象数据中，呼和浩特市典型年气候数据为2002年的气候数据。各城市典型气象年年太阳辐射总量对比结果如图2-2所示。
建筑论文参考
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2.2高层办公建筑调研概况
2.2.1调研目的
1.了解呼和浩特地区高层办公建筑的基本特征。建筑空间节能设计在不同热工气候分区、不同光气候分区下的表现方式不同，对气候条件的响应不足将导致建筑运行能耗的增加。因此，掌握特定地区既有实践案例的基本特征是开展建筑空间形态节能设计的必要前提。
2.选出15例处于呼和浩特地区的高层办公建筑，掌握其空间形态设计因素的取值现状。建筑空间形态设计包含三种变量：内部空间设计因素、外部形态设计因素、交互界面设计因素。在本文中，内部空间设计因素由空间的功能、方位等分类变量组成；外部形态设计因素与交互界面设计因素由朝向、平面形状、平面体量、平面长宽比、层高、层数与窗墙比、窗台高度等连续变量组成。在通过实地测量获得上述设计因素相应取值之后，运用SPSS数据处理工具对其进行归纳整理，以确定每个因素的取值区间与分布特征。
3.依据调研数据的分析结果，建立浩特地区高层办公建筑能耗模拟典型模型。能耗模拟典型模型是指能够反映某一地区、某一类型建筑典型特征的因素取值组合，其主要作用是控制研究范围以外对能耗具有显著影响的其他参数，以此建立主要研究参数取值与建筑能耗的直接对应关系。
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第三章 呼和浩特地区高层办公建筑能耗模拟典型模型构建 ............ 41
3.1 空间形态设计因素设置................................... 41
3.1.1 内部空间设计因素设置 .................................. 41
3.1.2 外部形态设计因素设置 ................... 42
第四章 高层办公建筑空间形态单一要素能耗影响规律分析 ............ 57
4.1 单因素试验设计方案分析 ....................... 57
4.1.1 单因素试验方法选择 ............................ 57
4.1.2 变量筛选 ...................................................... 59
第五章 高层办公建筑空间形态复合要素能耗影响规律分析 ............ 77
5.1 多变量试验方法设计 ........................... 77
5.1.1 多变量试验方法选择 ............................ 77
5.1.2 变量筛选 ......................................... 79
第六章高层办公建筑空间形态能耗影响规律应用研究
6.1金川区科技园一号写字楼项目概况
选取金川区科技园一号写字楼项目为呼和浩特地区高层办公建筑空间形态优化设计对象。原因如下：
（1）避免所选项目受限于当年建造条件与设计风格影响。金川区科技园一号写字楼项目开工时间为2016年年初，属于近年新建建筑，代表了目前高层办公建筑建造水平与设计风格；
（2）建筑内部使用功能纯粹。金川区科技园一号写字楼为政府投资建设的高层办公建筑，供呼和浩特人力资源服务产业园使用，包括裙房在内的所有区域功能均为办公功能，不存在住宿、商业等其他功能，为研究扫清了障碍；
（3）在一定程度上，金川区科技园一号写字楼项目能够反映呼和浩特地区高层办公建筑的典型空间形态。该项目在会议区位置、辅助区位置、平面形状、均与本文通过现场实测所获得能耗模拟典型模型一致，并且层高、层数、窗台高度也与典型模型几乎一致。
（4）金川区科技园一号写字楼项目的建筑空间形态存在明显的上升空间。朝向与长宽比取值组合、平面体量大小、平面形状、窗墙比等对总能耗具有较大影响的因素取值与本研究所获得的最佳节能取值存在较大差异。所以，该项目节能性能拥有通过空间形态优化设计获得显著提升的可能性。
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结论与展望
研究主要结论如下：
（1）提出了基于自然采光模拟结果的建筑照明能耗模拟方法
基于自然采光模拟结果的建筑照明能耗模拟方法结合了Radiance自然采光模拟平台与EnergyPlus能耗模拟平台，主要通过在室内自然采光区与人工采光区中分别设置一处光敏元件，并通过光敏元件来控制灯具开启比例，计算照明能耗。此种照明能耗模拟方法能够精准地量化建筑本体的空间形态设计对建筑自然采光性能的影响，进而获得更加精确的建筑照明能耗。并且，在本文第五章中，两种不同工况下的方差分析结果均显示R2=1，表明模型对数据的拟合程度为100%，进一步证明了此种照明能耗模拟方法在建筑空间形态节能设计研究中的合理性与精确性。
（2）提出了高层办公建筑空间形态单一、复合要素能耗影响规律
通过控制变量试验方法与全年动态能耗模拟法，获得了单个因素变化情况下，各个空间形态设计因素对建筑总能耗的影响程度，并了解了能耗值波动的内在原因。通过正交试验设计法、方差分析法、极差分析法与全年动态能耗模拟法，获得了多个因素同时变化的情况下，各个空间形态设计因素及其交互作用对建筑总能耗的影响程度及其最佳取值。结果表明，平面体量、窗墙比对建筑总能耗的影响最大，影响率分别达到37.91%-53.68%与27.63%-43.63%，其次为平面形状、层高、朝向、平面长宽比×朝向交互作用、会议区位置、窗台高度。其中，平面体量取值与建筑总能耗为负相关，窗墙比则为正相关。
参考文献（略）