ارزیابی تأثیر شکل و تناسبات هندسی پلان، جهت‌گیری و ارتفاع طبقه، بر عملکرد نور روز ساختمان‌های بلند اداری شهر تهران

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد فناوری معماری، دانشکدگان هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استادیار دانشکده معماری، دانشکدگان هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

بیان مسئله: استفاده بهینه از نور روز به‌عنوان یکی از عوامل اصلی مؤثر در ارتقا کیفیت فضاهای اداری، نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی الکتریکی، بهبود عملکرد و سلامت کارکنان دارد. در طراحی ساختمان‌های بلندمرتبه، مؤلفه‌های متعددی بر میزان نور طبیعی در فضای داخلی تأثیر می‌گذارند. با اتخاذ تدابیری نظیر بهینه‌سازی شکل و تناسبات هندسی پلان، جهت‌گیری و ارتفاع طبقات در مراحل آغازین طراحی، می‌توان ضمن بهره‌مندی از مزایای استفاده از نور طبیعی، از تعارضات آتی میان مؤلفه‌های مختلف طراحی جهت بهینه‌سازی روشنایی طبیعی ساختمان جلوگیری نمود. اهمیت این موضوع در طراحی ساختمان‌های بلند اداری باتوجه‌به اهمیت نور طبیعی، مقیاس و همبستگی مؤلفه‌های طراحی، بیشتر به چشم می‌آید.
سؤال تحقیق: ارتباط میان شکل و تناسبات هندسی پلان، جهت‌گیری و ارتفاع طبقات ساختمان‌های بلند اداری، با شاخص کفایت فضایی نور روز (sDA)، به‌عنوان معیاری برای سنجش میزان روشنایی طبیعی در فضای داخلی چگونه است؟
اهداف تحقیق: این پژوهش پس از ارزیابی میزان حساسیت شاخص sDA به هریک از متغیرها، شکل هندسی و جهت‌گیری بهینه پلان و حداقل ارتفاع طبقه متناسب با مساحت کل طبقه را در ساختمان‌های بلند اداری جهت دستیابی به حداکثر امتیاز استاندارد روشنایی لید (LEED)، در اقلیم شهر تهران، تعیین می‌کند.
روش تحقیق: فرایند کلی این پژوهش از سه مرحله شامل؛ جمع‌آوری و تحلیل داده‌های حاصل از مطالعة 100 ساختمان بلند اداری برای تعیین بازه مجاز بهینه‌یابی و مدل پایه، شبیه‌سازی نور روز به روش «مدل‌سازی روشنایی طبیعی مبتنی بر اقلیم» با نرم‌افزار رادیانس، مقایسه نتایج شبیه‌سازی و بهینه‌یابی هریک از متغیرها، تشکیل‌یافته است.
مهم‌ترین یافته‌ها و نتیجه‌گیری تحقیق: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، مقادیر مربوط به شاخص (sDA300/50%) در فضاهای اداری با تغییر جهت‌گیری پلان،1 تا 5/4% نسبت به مدل پایه، ارتقا یافته است. مؤثرترین شکل هندسی از میان الگوهای هندسی طراحی پلان ساختمان‌های بلند اداری برای بهبود شاخص مذکور، مثلث متساوی‌الاضلاع و پس از آن بیضی، مستطیل، مربع و دایره می‌باشد. شاخص sDA با تعیین شکل هندسی مناسب پلان، تا بیش از 10% بهبودیافته است. ارتفاع پیشنهادی کف تا سقف طبقه باهدف دستیابی به حداکثر امتیاز استاندارد روشنایی (LEED v4.1)، برای اشکال هندسی موردمطالعه، در بازه‌ی مساحتی 1500 مترمربع و کمتر، 270 سانتی‌متر، 1500 تا 2500 مترمربع، 270 تا 310 سانتی‌متر و بازة 2500 تا 3500 مترمربع، 310 تا 340 سانتی‌متر، است. نتایج این پژوهش می‌تواند راهنمایی اجرایی در مراحل آغازین طراحی برای ارتقا سطح آسایش کاربران ساختمان‌های بلند اداری در شهر تهران باشد.

چکیده تصویری

ارزیابی تأثیر شکل و تناسبات هندسی پلان، جهت‌گیری و ارتفاع طبقه، بر عملکرد نور روز ساختمان‌های بلند اداری شهر تهران

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of the shape plan, orientation, and ceiling height on daylight performance of tall office buildings in Tehran, Iran

نویسندگان [English]

  • Ali Jaberi 1
  • Afra Gharibpour 2
1 Department of architecture, Faculty of fine arts, university of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of architecture, faculty of fine arts, university of tehran
چکیده [English]

Research Problem: Optimum use of daylight, as one of the main effective factors in improving the quality of office spaces, plays an important role in reducing electric energy consumption and improving the performance and health of employees. In high-rise buildings, usable space with the potential to benefit from sufficient daylight is often placed between the outer wall and the core of the building, which we call "useful space" here. The floor height, the floor area, the geometric shape of the plan, and the orientation of the building are the most important physical components affecting the ratio between the useful space and the entire floor space. By simple decision in the initial stages of design, while increasing the ratio of useful space to the entire floor space, future conflicts between different design components can be avoided to optimize the natural lighting of the building. The importance of this issue in the design of tall office buildings is more visible due to the importance of using natural lighting, scale, and correlation of design components.
Research Question: how is the correlation between floor height, plan shape, and the orientation of the building with the spatial daylight autonomy (SDA), as an index to measure the amount of useful floor space with the potential of using natural lighting in the interior space?
Research Method: This paper applies spatial daylight autonomy (SDA) to assess the impact of geometrical parameters on daylight performance by dynamic simulation in typical plan shapes of tall open office buildings in Tehran’s climatic conditions. The research involves three steps: First, 100 high-rise office buildings built before 2022 are investigated to find tall office buildings' most common geometrical aspects. Each geometry is parametrically modeled in the Grasshopper plugin in the second stage. For this step, initial data such as floor area core to floor area are entered as inputs of daylight simulation. The Honeybee parametric plugin inputs include data such as material reflection, glass Visual Transmission (VT), geographic location, activity period, and office layout. In the last part, simulation results for each case are compared and optimized.
The Most Important Results and Conclusion: The results indicate that among the evaluated geometrical factors, the orientation of the building is less important than the plan shape and ceiling height on the SDA. Among the studied plan shapes, the triangle shape had the best daylight performance concerning the SDA index, followed by the rectangle and ellipse plan shapes. Results show that a slight change in the geometry can improve SDA by more than 10%. A comparison of the results of the orientation study on the amount of natural light in the indoor environment based on the SDA index in each of the studied geometric shapes shows that the change of orientation of the building relative to the south improves to about 4.5% in the geometry of the triangle. This effect is up to 3% in rectangular geometry, about 2% in the ellipse, and about 1% in the square. Results can be used as a simplified method for architects in the early design stages to assess the impact of the geometrical characteristics on the daylight performance of tall office buildings in Tehran city.

کلیدواژه‌ها [English]

  • geometry configuration
  • parametric optimization
  • high-rise office Building
  • computational simulation
  • daylight
  • early-stage design

مراجع

پور احمدی، محبوبه و خانمحمدی، محمد علی و مظفر، فرهنگ. 1398. بهینه سازی بازشوهای ساختمانی بر اساس عملکرد خیرگی  در ساختمان های آموزشی اقلیم گرم و خشک ایران. معماری و شهرسازی پایدار، دوره 7، 113–28. https://doi.org/10.22061/jsaud.2019.4362.1302
پور دیهیمی، شهرام و حاجی سید جواد، فریبرز. 1387. تأثیر نور روز بر انسان فرایند ادراکی و زیست‌شناسی - روانی روشنایی روز. صفه 17، 68-75. https://dorl.net/dor/20.1001.1.1683870.1387.17.2.10.6
زمردیان، زهرا سادات و حدادزادگان، هانی و تحصیلدوست، محمد. 2021. ارزیابی حساسیت متغیرهای معماری ساختمان‌های بلندمرتبه در عملکرد حرارتی و مصرف انرژی در اقلیم‌های گوناگون. معماری اقلیم گرم و خشک 8: 244–63. https://doi.org/10.29252/ahdc.2021.14249.1370
شفوی مقدم، نسترن و زهرا سادات، زمردیان و تحصیلدوست، محمد. 1398. کارایی شاخص‌های نور روز در تخمین روشنایی کافی در فضا بر اساس ارزیابی کاربران نمونه موردی: فضاهای آموزشی دانشکده‌های معماری شهر تهران، صفه 29 (3): 37–56 https://doi.org/10.29252/soffeh.29.3.37
فدایی اردستانی، محمدعلی و ناصری مبارکی، حیدر و آیت‌اللهی، محمدرضا و زمردیان، زهرا سادات. 1397. ارزیابی نور روز و خیرگی در کلاس‌های درس با استفاده از شاخص‌های پویا مطالعة موردی: دانشکدة معماری و شهرسازی دانشگاه شهید بهشتی، صفه 28 (4): 25–40 https://dorl.net/dor/20.1001.1.1683870.1397.28.4.2.5.
نصراللهی، فرشاد، 1390، ضوابط معماری و شهرسازی کاهش‌دهنده مصرف انرژی ساختمان‌ها، تهران: نشست کمیته ملی انرژی ایران
Abanda, F. H., and L. Byers. 2016. “An Investigation of the Impact of Building Orientation on Energy Consumption in a Domestic Building Using Emerging BIM (Building Information Modelling).” Energy 97 (February): 517–27. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.12.135.
Al horr, Yousef, Mohammed Arif, Martha Katafygiotou, Ahmed Mazroei, Amit Kaushik, and Esam Elsarrag. 2016. “Impact of Indoor Environmental Quality on Occupant Well-Being and Comfort: A Review of the Literature.” International Journal of Sustainable Built Environment 5 (1): 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2016.03.006.
Alghoul, Samah K., Hassan G. Rijabo, and Mohamed E. Mashena. 2017. “Energy Consumption in Buildings: A Correlation for the Influence of Window to Wall Ratio and Window Orientation in Tripoli, Libya.” Journal of Building Engineering Complete (11): 82–86. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2017.04.003.
Ali asghar Pilehvar. 2021. “Spatial-Geographical Analysis of Urbanization in Iran.” Humanities and Social Sciences Communications 8 (1): 1–12. https://doi.org/10.1057/s41599-021-00741-w.
Ardekani, Amirreza, I. Dabbaghchian, M. Alaghmandan, M. Golabchi, S. M. Hosseini, and S. R. Mirghaderi. 2020. “Parametric Design of Diagrid Tall Buildings Regarding Structural Efficiency.” Architectural Science Review 63 (1): 87–102. https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1704395.
Best, Raynor de. 2019. “Function of Tall Buildings Completed Worldwide 2019.” https://www.statista.com/statistics/319930/tall-buildings-worldwide-by-function/.
Chen, Xi, Hongxing Yang, and Yuanhao Wang. 2017. “Parametric Study of Passive Design Strategies for High-Rise Residential Buildings in Hot and Humid Climates: Miscellaneous Impact Factors.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 69 (C): 442–60. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.055.
Dubois, Marie-Claude, and Åke Blomsterberg. 2011. “Energy Saving Potential and Strategies for Electric Lighting in Future North European, Low Energy Office Buildings: A Literature Review.” Energy and Buildings 43 (10): 2572–82. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.07.001.
Edwards, L., and P. Torcellini. 2002. “Literature Review of the Effects of Natural Light on Building Occupants.” http://dx.doi.org/10.2172/15000841.
Fang, Yuan. 2017. “Optimization of Daylighting and Energy Performance Using Parametric Design, Simulation Modeling, and Genetic Algorithms.” North Carolina State University. https://escholarship.org/uc/item/2zs2h81m.
García, Arturo Ordoñez. 2016. “Effects of architectural design variables on energy and environmental performance of office buildings.” Http://purl.org/dc/dcmitype/Text, Universitat Rovira i Virgili. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=114337.
Heschong, Lisa, Mudit Saxena, seth wayland, and timothy perry. 2012. DAYLIGHT METRICS REPORT for the CEC PIER Daylighting Plus Research Program. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.33003.59689.
Jalali, Zahra, Esmatullah Noorzai, and Shahin Heidari. 2020. “Design and Optimization of Form and Facade of an Office Building Using the Genetic Algorithm.” Science and Technology for the Built Environment 26 (2): 128–40. https://doi.org/10.1080/23744731.2019.1624095.
Kahsay, Meseret T., Girma T. Bitsuamlak, and Fitsum Tariku. 2021. “Thermal Zoning and Window Optimization Framework for High-Rise Buildings.” Applied Energy 292 (June): 116894. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116894.
Kharvari, Farzam. 2020. “An Empirical Validation of Daylighting Tools: Assessing Radiance Parameters and Simulation Settings in Ladybug and Honeybee against Field Measurements.” Solar Energy 207 (September): 1021–36. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.054.
Kheiri, Farshad. 2018. “A Review on Optimization Methods Applied in Energy-Efficient Building Geometry and Envelope Design.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 92 (C): 897–920. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.080.
Ko, Dong-Hwan, Mahjoub Elnimeiri, and Raymond J. Clark. 2008. “Assessment and Prediction of Daylight Performance in High-Rise Office Buildings.” The Structural Design of Tall and Special Buildings 17 (5): 953–76. https://doi.org/10.1002/tal.474.
Krarti, M., P. M. Erickson, and T. C. Hillman. 2005. “A Simplified Method to Estimate Energy Savings of Artificial Lighting Use from Daylighting.” Building and Environment 40 (June). https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2004.08.007.
Laouadi, Aziz, C. Reinhart, and Denis Bourgeois. 2008. “Efficient Calculation of Daylight Coefficients for Rooms with Dissimilar Complex Fenestration Systems.” Journal of Building Performance Simulation 1 (March). https://doi.org/10.1080/19401490701868299.
Lee, Jaewook, Mohamed Boubekri, and Feng Liang. 2019. “Impact of Building Design Parameters on Daylighting Metrics Using an Analysis, Prediction, and Optimization Approach Based on Statistical Learning Technique.” Sustainability 11 (5): 1474. https://doi.org/10.3390/su11051474.
Lee, Kyung Sun, Ki Jun Han, and Jae Wook Lee. 2016. “Feasibility Study on Parametric Optimization of Daylighting in Building Shading Design.” Sustainability 8 (12): 1220. https://doi.org/10.3390/su8121220.
LEED. 2019. LEED v4.1 BUILDING DESIGN AND CONSTRUCTION. U.S. Green Building Council.
Liu, Ligang, Borong Lin, and Bo Peng. 2020. “Correlation Analysis of Building Plane and Energy Consumption of High-Rise Office Building in Cold Zone of China.” Building Simulation: An International Journal 8 (5). https://doi.org/10.1007/s12273-015-0226-7.
Mahdavinejad, Mohammad Javad, Mohammadhossein Ghasempourabadi, and Hojat Ghaedi. 2012. “The Role of Form Compositions in Energy Consumption of High-Rise Buildings (Case Study: Iran, Tehran).” Advanced Materials Research 488–489: 175–81. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489.175.
Mahdavinejad, Mohammad Javad, Soha Matoor, Neda Feyzmand, and Amene Doroodgar. 2012. “Horizontal Distribution of Illuminance with Reference to Window Wall Ratio (WWR) in Office Buildings in Hot and Dry Climate, Case of Iran, Tehran.” Applied Mechanics and Materials 110–116: 72–76. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.110-116.72.
Mardaljevic, John. 1999. “Daylight Simulation.” In . De Montfort University.
Mardaljevic, John, Lisa Heschong, and Eleanor Lee. 2009. “Daylight Metrics and Energy Savings.” Lighting Research & Technology - LIGHTING RES TECHNOL 41 (September): 261–83. https://doi.org/10.1177/1477153509339703.
Marino, C., Antonino Nucara, and M. Pietrafesa. 2017. “Does Window-to-Wall Ratio Have a Significant Effect on the Energy Consumption of Buildings? A Parametric Analysis in Italian Climate Conditions.” https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2017.08.001.
McNeil, Andy, and Eleanor Lee. 2012. “A Validation of the Radiance Three-Phase Simulation Method for Modelling Annual Daylight Performance of Optically Complex Fenestration Systems.” Journal of Building Performance Simulation 6 (January): 1–14. https://doi.org/10.1080/19401493.2012.671852.
Mehdi Ghiai, Mohammad, Mojtaba Mahdavinia, Fariba Parvane, and Sorour Jafarikhah. 2014. “Relation between Energy Consumption and Window to Wall Ratio in High-Rise Office Buildings in Tehran.” European Online Journal of Natural and Social Sciences 3 (2): 366–75. https://european-science.com/eojnss/article/view/1423.
Nabil, Azza, and John Mardaljevic. 2006. “Useful Daylight Illuminances: A Replacement for Daylight Factors.” Energy and Buildings 38 (7): 905–13. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2006.03.013.
Ourghi, Ramzi, Adnan Al-Anzi, and Moncef Krarti. 2007. “A Simplified Analysis Method to Predict the Impact of Shape on Annual Energy Use for Office Buildings.” Energy Conversion and Management 48 (1): 300–305. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2006.04.011.
Raji, Babak, Martin J. Tenpierik, and Andy Van den Dobbelsteen. 2017. “Early-Stage Design Considerations for the Energy-Efficiency of High-Rise Office Buildings.” Sustainability 9 (4): 623. https://doi.org/10.3390/su9040623.
Rao, S.P. 2015. “Impacts of Orientation on Daylighting in High-Rise Office Buildings in Malaysia.” Journal of Design and Built Environment Vol. 15 (2), December 2015 15 (December): 29–38. https://myjurnal.mohe.gov.my/public/article-view.php?id=89102.
Reinhart, C., and Jan Wienold. 2011. “The Daylighting Dashboard – A Simulation-Based Design Analysis for Daylit Spaces.” Building and Environment 46 (February): 386–96. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2010.08.001.
Reinhart, Christoph F., John Mardaljevic, and Zack Rogers. 2006. “Dynamic Daylight Performance Metrics for Sustainable Building Design.” LEUKOS 3 (1): 7–31. https://doi.org/10.1582/LEUKOS.2006.03.01.001.
Szolomicki, Jerzy, and Hanna Golasz-Szolomicka. 2019. “Technological Advances and Trends in Modern High-Rise Buildings.” Buildings 9 (9): 193. https://doi.org/10.3390/buildings9090193.
Turan, Irmak, Andrea Chegut, Daniel Fink, and Christoph Reinhart. 2020. “The Value of Daylight in Office Spaces.” Building and Environment 168 (January): 106503. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106503.
U.S.Genral services administration. 2019. “3.2 Space Planning | GSA.” 2019. https://www.gsa.gov/system/files/GSA%20FY%202019%20CJ.pdf.
نشریه علمی اندیشه معماری
دوره 7، شماره 13 - شماره پیاپی 13
بهار و تابستان 1402
فروردین 1402
صفحه 192-211

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار