计算机模拟技术的发展，为定量化的研究提供了极大的便利，方便、灵活、低成本的数值模拟方法，为建筑性能的预测和评价奠定了基础。近年来，在绿色建筑领域利用计算机辅助的建筑性能数值模拟分析与优化技术，对绿色建筑设计产生了重要影响。特别是在设计初期进行建筑性能的数值模拟、计算、分析、比较设计方案的优劣，指导并优化绿色建筑设计已为必不可少。本文旨在对现有的“模拟—优化”过程进行系统梳理的基础上，抽象出几种基于性能模拟的优化设计模式，为建筑师选择合适的优化设计模式提供良好的范式，使其可以根据具体的设计需求将优化模式引入到绿色建筑设计的流程当中，推动绿色建筑设计向更加科学、精确、高效的方向发展。

基于性能模拟的绿色建筑优化设计是一种科学、定量的设计方法，整个过程需要在明确的性能目标（性能目标在绿色建筑评价标准或建筑技术规范中已有规定）引导下进行，其实质就是针对这些建筑性能目标进行逻辑清晰的流程构建工作，使方案设计向着建筑性能目标的方向良性运行，从而使建筑设计质量达到各类设计目标的要求。

基于性能模拟的绿色建筑优化设计模式建立包括建筑问题决策和数字技术应用两部分内容。建筑问题决策是以建筑师为主导的理论分析部分，通过结合具体建筑问题描述和要达到的性能目标来确立相应的研究对象、范围、设计变量、模拟精度、流程顺序等。数字技术应用属于实践操作部分，通过具体操作在软件平台上实现理论分析，完成模拟优化流程的构建。

优化设计模式在数字技术应用部分的基本流程可总结为“源参数—过程参数—目标参数”的传递与反馈。其中，源参数是指建筑师在进行设计决策过程中直接操作的各类参数；过程参数是实时检测源参数作用下建筑性能模拟软件所反馈出来的性能数值参数；目标参数是指拟建建筑的性能目标，起到判断设计方案性能是否达到要求标准的作用。优化设计模式的实质是：通过建立一套数字技术应用流程，来实时获取源参数的性能模拟分析结果（过程参数）并反馈回设计方案，进而根据目标参数与过程参数的对比结果来手动或者自动地调整方案源参数，使其达到目标参数的要求，实现一种或多种建筑性能的优化（见图1）。

整个过程仍然是以建筑师为主导，由建筑师来分析决策问题，制定规则，并将建筑问题转化为计算机语言，充分利用计算机的计算性能来协同完成优化流程，使整个流程更加准确、快速和高效。

基于优化设计流程的基本内涵逻辑，将当今绿色建筑设计中所用到的模拟优化过程，根据评价目标、优化方式、软件平台等不同梳理为以下3种模式。

如图2所示，基于评价标准的人工循环优化模式是目前最普遍的优化模式：第一步，在建模软件中将建筑师的方案转化为参数模型，并设置要模拟的参数（源参数）；第二步，将参数模型导入模拟软件进行建筑性能模拟并得到模拟结果（过程参数）；第三步，将得到的模拟结果与评价标准（目标参数）进行人为对比。如果模拟结果满足评价标准，则生成符合评价标准的方案模型；如果模拟结果不满足评价标准，则需要人为根据模拟结果的指导在建模软件中对模型参数进行调整，实现循环的过程，整个优化过程必然要经过反复的迭代才能实现。这种模式将建模软件、性能模拟软件与人为对比优化相结合，实现参数的传递、对比，反馈以及优化过程。目前，这种优化模式在绿色建筑设计过程中广泛应用，因为它具有简单、灵活、易操作等特点，但是人为优化的效率以及其精确性等都值得再考虑。

自动优化设计模式是以性能目标为导向的自动优化过程（见图3）。其过程可以理解为基于特定的性能目标，根据设定好的控制逻辑，通过优化算法模块，指导计算机完成指数数量级的复杂性能模拟与算例性能评价，在短时间内得到既定目标和逻辑控制下的最优结果。单目标自动优化设计模式以单个建筑性能目标为导向，并利用优化算法来实现优化过程。常见的优化算法有遗传优化算法（Genetic Algorithm）、粒子群算法（Particle Swarm Optimization）、模拟退火算法（Simulated Annealing）等。其中遗传优化算法是最常用的算法，它是模拟达尔文生物进化论自然选择和遗传学机理生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。其原理是在启发搜索空间中对一定数量的样本进行分析和比较，以比较的结果作为指导，再获取下一批更好的样本，然后再进行比较分析，如此反复，形成逐步的“优化”（见图4）。单目标自动优化设计模式与基于评价标准的人工循环优化模式相比，其核心就是优化算法的运用，把寻优的过程交给计算机来完成，代替了人工循环调整参数的过程，并且还可以得到单个建筑性能的最优解。

针对建筑单一问题的目标优化求解问题是较为常见的，然而在绿色建筑设计过程中，更多属于多变量、多目标问题，且很多变量和目标之间存在相互制约、相互影响的关系。因此，针对这一问题，可以同时考虑多个变量结合优化，实现同时满足多个变量的最优解的求解过程。多目标自动优化设计模式运用多目标优化算法作为一种优化筛选机制，可以通过对多个目标值的设定，以运算模块进行优化筛选，使得处于帕累托（Pareto）边界的模拟值将作为较优解成为对目标解的优化解集。目前常用的多目标优化插件有Octopus，它是应用遗传优化原则进行参数化设计和问题解决的Grasshopper插件。Octopus允许一次进行多目标搜索，在每个极端目标间产生一系列优化权衡方案。其在优化过程中引入多个适应值，在这些目标中搜索最佳权衡值，产生一组达到从一个极端权重到另一个极端权重间的最佳解集。与单目标自动优化设计模式相比，多目标自动优化设计模式突破了单一优化目标的限制，可以同时优化多个相互冲突、影响的目标。这对于人为操作来讲是难以实现的。因此，多目标自动优化设计模式对绿色建筑性能优化具有重要意义。

3种优化设计模式是针对某个或者某几个有限绿色性能的设计模式，它是整个绿色建筑设计流程中的一部分。要实现其在绿色建筑设计流程的应用，还要了解现阶段的绿色建筑设计流程特点以及在整个设计流程中可参与的位置，从而选择合适的优化设计模式和软件平台，来实现绿色设计过程中的模拟优化。

绿色建筑设计以传统建筑目标和绿色建筑性能为双重目标。受传统建筑设计流程的影响，现在常用绿色建筑设计流程多为串联式设计流程，是类似于流水线的线性设计过程（见图5）。这一设计结构的特点是阶段性强，每个设计阶段都有明确的设计目标和所要解决的问题；每一设计阶段既是前一设计阶段的延续与发展，又为后阶段的设计提供依据与基础。这种按时序组织的传统设计流程在过程组织、任务分配及提高工作效率方面是有优势的，但是顺序的工作程序不能在单独阶段给予设计优化足够的支持。这种串联式的设计流程导致建筑师在设计初期不能很好地参与到绿色设计中，大多是通过设计后期加入主动式绿色设计策略（如高性能机电设备等），或者使用昂贵的围护结构等方法来达到星级分数要求。这种“为了绿色而绿色”的方法使建设成本增加，绿色性能大打折扣。

新版GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》的发布，为绿色建筑发展开启了新的方向，其更关注建筑的绿色性能，新增以人为本的有关要求，多途径、多角色提升绿色建筑整体性能，全面助力绿色建筑高质量发展。以绿色性能为目标的整合式设计流程很好地适应了新绿标的要求，并且完美契合以建筑性能为目标的优化设计模式（见图6）。这种流程将设计的着眼点从各自环节的优化提高到建筑的整体系统和项目计划、设计、建造过程的全面优化，各方面参与人员在项目早期就进行了充分的合作。建筑师在统筹思考功能、造型、文化以及规范要求的基础上，在设计之初融合进系统的绿色技术策略，通过选择合适的优化设计模式和软件平台，让优化设计模式与设计过程有机结合。在不同的设计阶段，量化的模拟结果被及时反馈给建筑师，建筑师可以通过这些结果认识到设计策略的有效性和需要在哪些方面进行调整优化设计方案，使绿色性能的优化与功能美学的优化同步进行，实现各个设计阶段对绿色性能的有效控制，从而达到预定的性能目标。

新时代的发展给绿色建筑提出了更高的要求，以人为本、高品质的绿色性能成为发展方向。在设计层面上，绿色建筑设计由原来的串联式设计逐渐走向了整合式设计，性能模拟与优化模式随之走向了联合、自动、多目标的发展方向。

本文梳理出各个模式的工作流程和逻辑，可以作为一个行为模式，反过来指导绿色建筑方案设计，使得方案设计过程更加清晰。建筑设计过程并不是一个简单的线性过程，而是一个复杂的过程，涉及各种反馈优化与调整问题。建筑师可以针对具体的问题和特点，将这3种优化模式引入到绿色建筑设计流程当中，实现绿色建筑设计更加科学、精确、高效的发展。