摘要
本研究整合建築設計工作中設計軟體與性能模擬分析軟體（BPS software），發展出適用於前期設計階段（Concept Design stage, CD stage）的評估工具，並提出CD階段的風場、熱舒適性評估方法，以集合住宅設計為例，作多目的綜合評估。此外，為在緊湊的時間壓力下盡可能評估更多的方案，本研究導入了多目的最佳化演算法，在較短的時間內進行多目的最佳化，給出性能表現優異的方案，供作決策。

後半章節選擇一社會住宅作為操作案例進行工具成效驗證，在案例驗證中，本工具於CD階段-「空間量體計畫」，可在3天的時間內評估8640組方案，三項評估指標「全年外殼表面熱輻射密度」、「熱季戶外平均日照小時數」、「冷季戶外平均日照小時數」性能分別提升12%、 23.9%及24.8%；延續上一階段決策的成果，於CD階段-「量體造型調整」導入CFD模擬，生成風場與熱舒適相關評估指標，可在1天的時間內評估640組方案，三項評估指標「通風潛力」、「舒適行人風場面積比」、「PET舒適區間面積比」性能分別提升13%、94.1%及5.6%，成效良好。

第一章　研究背景與文獻回顧
1-1研究背景
（1）永續環境與建築設計議題
根據國際能源總署統計，建築使用約佔全球能源消耗32%，故於建築領域施行設計調整，達到節能、永續環境相當重要。除能源消耗需被考量外，健康舒適的生活需求亦受到重視，在進行設計時需考量空氣品質、熱舒適性等因素，以設計出兼具節能永續及舒適健康的建築環境。

（2）現行風場、熱舒適性指標用於建築設計前期評估之缺陷
多篇文獻指出，建築設計流程中重要的設計決策多發生在前期設計階段（CD stage），對建築生週期成本（Life-Cycle Costing）有最顯著的影響。在微氣候因子中，風環境與熱環境直接關係建築舒適性並且連帶影響建築耗能，若在CD階段便納入考量，對日後建築使用的效益能有很大的提升。

然而，目前要在CD階段進行風和熱舒適評估仍面臨挑戰。自然通風是公認減少建築耗能最有效的被動式策略之一（Etheridge, 2011），目前有諸多評估標準，但這些評估指標需在建築空間規劃完成後才能使用，在CD階段難以應用實行（Wang & Malkawi, 2019），熱舒適性評估亦有相似問題。

（3）建築性能模擬軟體（BPS software）使用於實務設計所面臨挑戰
現雖有各式專業BPS軟體輔助建築設計，但當前建築設計流程中，CD階段使用BPS軟體輔助設計決策並不易施行，主因為建模耗時和CD階段的設計資訊較為不足（Østergård et al., 2016）。

1-2研究目的
本研究欲改善物理環境模擬分析不易用於實務CD階段的現況，建立一用於設計前期之多目的最佳化工具，並提出合適的風場、熱舒適性評估方法作方案評估使用，期望藉此評估工具讓性能模擬分析可導入複雜多變、但至關重要的CD階段中。


第二章　研究方法
使用Rhino-Grasshopper系統為基礎，將BPS軟體整合入CD階段，並提出評估方法建議，最後導入最佳化演算法工具，進行多目的最佳化。運作流程架構如圖2-1。



2-1分段決策
在設計過程中會將設計工作劃分為不同的階段，以循序漸進深化建築設計。在CD階段中，可以再細分為不同的工作項目，每一階段的決策確定後，會變為下一工作階段的條件限制（boundary condition），不同階段考量不同設計要項，即為分段決策(Hierarchical Decision）。在進行性能模擬工作時，會因應設計流程進行分段模擬。

CD階段的風場&熱舒適性模擬評估可拆分為兩階段（圖2-2、2-3），第一階段「空間量體計畫」會生成不同量體造型方案，樣態繁多、彼此差異巨大，使用微氣候中影響環境最為顯著的氣象因子-太陽熱輻射作為分析項目（Mackey et al., 2017），對方案進行篩選。

第二階段「量體造型調整」會依循第一階段的方案進一步發展深化。於此階段使用數值流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）進行風場模擬，搭配氣象資料與熱輻射模擬，生成風場、熱舒適評估指標進行方案評估。





2-2性能模擬軟體之選用
與本研究關連之性能模擬面向包含基礎環境分析、太陽光環境分析及風環境分析，選擇合適的性能模擬分析軟體（表2-1）。並使用Wallacei插件進行最佳化演算。



2-3最佳化評估指標
（1）第一階段評估指標
以日照作為評估的氣象因子，包含外殼表面熱輻射及戶外日照模擬評估。

a.日照建築外殼表面熱輻射評估
評估建築外殼的全年表面熱輻射。太陽熱輻射會藉由熱傳透將熱傳入室內，在台灣的氣候條件下，會連帶影響建築耗能（需開空調排熱），故此目標值越低越佳。

b.戶外日照模擬評估
評估戶外日照小時數，依欲分析的時間段去設立條件,如熱季日照總小時數越短越佳；涼季日照總小時數越長越佳。

（2）第二階段最佳化評估指標
依循第一階段決策，此時量體方案已決定，並進一步深化，適合導入較精細、耗時的風場模擬，搭配其他氣象資訊生成風場與熱舒適性的評估指標。

a.室內通風潛力評估
使用建築物正反兩側風壓差作為評估方式，通風量與室內外風壓差平方成正比，風壓差越大，則通風量越大，通風潛力越高。



b.戶外行人風場舒適度評估
評估戶外空間落於舒適風速區間的面積比。將評估範圍劃分為數小塊，每塊取一代表風速，計算代表風速落於舒適風速區間的面積比例，比例越高代表舒適面積範圍越大，方案越佳。

舒適風速區間的設定參考香港空氣流通評估方法可行性研究（香港中文大學建築系，2005），風速過低會形成滯風，風速達到0.5m/s即已足夠驅散汙染物，使用風速0.5m/s作為舒適風速下限；舒適風速上限設定為蒲風等級2級風（3.3m/s）。



c.戶外熱舒適性評估
使用生理等效溫度PET作為熱舒適評估指標，並引用Lin & Matzarakis（2008）研究，將舒適PET範圍設定為26~30°C（台灣民眾的熱舒適感受）。由於相同位置的不同時段氣象資料(溫度、溼度、熱輻射等)數值不同，使熱舒適情況不同，故需將時間變化一同考量，使用舒適時間-面積比來進行評估，將評估範圍劃分為數小塊，每塊單個時段取一代表PET，計算代表PET落於舒適PET區間的時間-面積比，比例越高，代表舒適時間-面積越高，設計方案越佳。



第三章　案例操作
3-1案例選定
選擇一社會住宅作為操作案例，以規劃報告書所提供之相關資訊作為案例求條件，進行後續設計規劃。需求如表3-1。
表3-1 新榮和段社會住宅空間機能需求（臺中市政府住宅發展工程處，2020）



（1）設計概念
專案的設計概念是建築工作中設計端重要的工作內容，非模擬端工作項目，故並非本研究重點。本研究參考現實集合住宅案例，直接選定設計之建築樣態及配置類型，將研究重點著重在如何將建築師的設計想法參數化，並利用本評估工具來協助設計方案發展。

a.集合住宅型式選擇
以單邊走廊型式住宅作為設計操作類型，以達兩側開窗，通風效益最大化；居住單元採用模矩化型式，可按房型調整所需單元數（圖3-1）
 


b.設計概念
採合院式配置，圍塑中庭活動空間，使用常見的透過外界自然環境影響建築造型之手法進行設計（圖3-2）。



3-2第一階段最佳化
（1）設計方案生成
方案變化方式為：(a)平面配置變化；(b)樓高變化，生成90 x 96共8640種方案，進行最佳化演算。





（2）模擬設定
使用日照光環境評估，並依TMY3資料將季節依熱季和涼季進行區分。以全年建築外殼表面熱輻射最小化、熱季戶外日照小時數最小化、涼季戶外日照小時數最大化，三項作為評估指標進行方案評估。
使用Wallacei進行多目的最佳化演算，本階段一代模擬40個方案、模擬20代，共模擬800次。最佳化演算完成後，進行結果分析，使用k-平均演算法來進行方案分類並可視化，輔助方案分析解讀（圖3-6）。
 




3-3第二階段最佳化
（1）設計方案生成
接續第一階段決議的量體方案，進行導風開口設計，流程可劃分為以下階段：(1)量體切分單元化；(2)導風口設計；(3)基地風場預模擬；及後續導風開口方案設計。以第一階段方案「Gen19 / Ind16」(圖3-6）為例進行說明。
將量體依模矩化居住單元進行劃分，劃分所剩畸零空間轉為戶外開放空間（圖3-7）。為增進通風，使居住單元通風潛力更佳、戶外活動空間達到舒適風速及熱舒適範圍，可在建築物量體上適度挖空、進行開口導風。
 


由於挖空位置有無限種可能性，需有其他資訊作為參照。本研究透過基地風場之預模擬，了解不同高度位置的風場狀況，作為後續挖空單元位置的配置依據。最後設定總方案數為5×4×8×2×2=640，共640種方案，進行第二階段最佳化演算。
 

 


（2）各評估指標之計算方式
a.通風潛力評估
透過風壓差進行評估，使用單元走廊側與陽台側風壓的差值作為風壓差，單位：Pa，數值越高則單元通風潛力越高。為作整棟建築的綜合評估，將所有單元風壓差加總平均，以平均值作為評估數值。

b.戶外行人風場舒適度
以戶外活動空間落於舒適風速區間（0.5~3.3m/s）的面積比作為評估方式。將基地劃分網格，以離地高1.2m處風速模擬數值作為行人風場，計算各方案戶外空間落於舒適風速區間之面積比，比例越高則方案舒適度越佳（圖3-10）。
 


c.戶外熱舒適性
以全年戶外活動時段中，活動空間落於舒適PET區間（26~30°C）之面積比作為評估方式。與行人風場評估相同，將基地劃分網格，並計算各網格之PET數值，比例越高則方案舒適性越佳。

PET的計算涵蓋多項氣象因子：溫度、濕度、風速、天空覆蓋率、太陽熱輻射，會受到模擬位置、模擬時段之影響：

‧ 模擬位置影響

在同一時間點下，風速及太陽熱輻射會受空間位置不同而有變動，此2氣象因子需透過額外環境模擬獲得，給予各網格點相應數值，其餘氣象因子則直接由TMY3資料取得（表3-2），計算出各格點PET數值，及舒適面積比。



‧ 模擬時段影響

全年各時段氣象因子會有不同的數值，進而生成不同的PET數值，換言之，單個模擬點全年8760小時會有8760筆PET數值，本研究在計算上，採用選取代表時間進行評估來處理此問題。選擇每月21號作為月份代表日，並設定涼季（12-3月）下午13-16時、熱季（5-10月）7-10 & 15-18時為戶外活動時段，共48小時作為代表時間，單個模擬點會有48筆PET數值（圖3-11）。

綜合上述2點，基地劃分網格後，約有1000個格點，每個格點有48筆資料，總共約有 1000×48=48000 筆PET資料，計算此48000筆資料有多少比例落在舒適區間中，可得全年舒適PET面積比。
 


（3）最佳化設定
使用Wallacei進行多目的最佳化演算，本階段一代模擬30個方案、模擬3代，共模擬90次（CFD模擬較為耗時，模擬代數減少雖可能使結果較為發散，但已是在時間壓力下，權衡後較佳的設定方式）。最佳化演算完成後，進行結果分析、解讀。
 



 
第四章　結果討論與結論
4-1第一階段結果分析
檢視模擬成果得知，三項評估指標數值皆有顯著提升，在800次模擬結果中：(a)「全年熱輻射」數值分佈在417.52 ~ 467.57(kWh/m^2.yr)，進步幅度約為12%；(b)「熱季日照」數值分佈在841.7 ~ 1042.54(hr/m^2)，進步幅度約為23.9%；(c)「涼季日照」數值分佈在283.77 ~ 354.11(hr/m^2)，進步輻度約為24.8%。

除了可找到性能優異的方案外，也幫助建築師發現傳統設計方式可能會忽略的設計可能性。如Gen19 / Ind21，除在涼季日照有良好表現，方案在平面、樓高設計上都有獨特的造型，這很可能是傳統設計手法不容易想像到的，此為本設計手法的優勢之一。



4-2第二階段結果分析
檢視模擬成果得知，評估指標：(a)「通風潛力」數值分佈在2.37~2.68(Pa)之間，進步幅度約為13%；(b)「PET舒適比」數值分佈在55.5~58.6(%)之間，進步幅度約為5.6%；(c)「舒適行人風場比」數值分佈在39.5~76.7(%)之間，進步輻度約為94.1%（圖4-2），成效顯著。



4-3結論
本研究所建立的評估工具能有效連結建築設計工作中設計端與模擬端，讓兩端同時運作並交互影響，使設計-模擬流程更為完善。在評估流程中提出了6項用於前期設計的評估指標，皆可有效地對設計方案進行快速評估，可改善環境模擬分析不易用於實務前期設計階段的現況。
研究示意影片：https://youtu.be/4FbBVQCuB5Q


參考文獻
中文文獻
香港中文大學建築系 (2005)，空氣流通評估方法可行性研究。
臺中市政府住宅發展工程處 (2020)，108年度-臺中市-社會住宅先期規劃結案報告書(烏日區新榮和段)

英文文獻
Etheridge, D. (2011). Natural ventilation of buildings: theory, measurement and design. John Wiley & Sons.
Lin, T. P., & Matzarakis, A. (2008). Tourism climate and thermal comfort in Sun Moon Lake, Taiwan. International journal of biometeorology, 52(4), 281-290.
Mackey, C., Galanos, T., Norford, L., & Roudsari, M. S. (2017, August). Wind, sun, surface temperature, and heat island: critical variables for high-resolution outdoor thermal comfort. In Proceedings of the 15th international conference of building performance simulation association. San Francisco, USA.
Østergård, T., Jensen, R. L., & Maagaard, S. E. (2016). Building simulations supporting decision making in early design–A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 61, 187-201.
Wang, B., & Malkawi, A. (2019). Design-based natural ventilation evaluation in early stage for high performance buildings. Sustainable cities and society, 45, 25-37.