基于grasshopper的日光溫室參數(shù)化設(shè)計及過程的研究

袁清程 金曉婷

摘 要：于grasshopper的參數(shù)化建模加之其對風(fēng)、光、熱等基于同一模型進(jìn)行耦合計算和自動尋優(yōu)，極大的簡化了繁復(fù)的模擬計算流程和重復(fù)建模能夠，使建筑師全身心的投入到形態(tài)等設(shè)計中去。

關(guān)鍵詞：grasshopper；參數(shù)化；日光溫室

1 背景

在節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的背景下，常規(guī)的“建模——模擬——優(yōu)化”的循環(huán)方式已經(jīng)成為了尋找更好的建筑方案的方式，但其繁雜的過程大大降低了方案設(shè)計效率。

近年來，參數(shù)化設(shè)計工具不斷進(jìn)步[1]，國的參數(shù)化設(shè)計軟件以Grasshopper尤為突出，這是一款在Rhino環(huán)境下運(yùn)行的采用程序算法生成模型的插件，其以自己獨(dú)特的方式完整記錄起始模型和最終模型的建模過程，從而達(dá)到通過簡單改變起始模型或相關(guān)變量就能改變模型最終形態(tài)的效果。極大的減少了重復(fù)建模，能夠?qū)⒎桨傅脑u價周期最小化，以此支持建筑設(shè)計的前期決策[2]。

2案例——基于grasshopper的日光溫室模型

2.1 項目背景

近20年來，“日光溫室”產(chǎn)業(yè)作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體，已成為農(nóng)業(yè)種植中效益最高的產(chǎn)業(yè)。而濰坊是全國重要的農(nóng)業(yè)基地，也是國內(nèi)最早進(jìn)行日光溫室生產(chǎn)實(shí)踐的地區(qū)。山東省近來也出臺了關(guān)于新舊能源轉(zhuǎn)化的政策，提倡現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

然而由于各個地區(qū)的日照角度、日照時間與溫度等均不相同，以及近年來“智能化溫室大棚”的引進(jìn)，以往個人隨意搭建的溫室大棚與目前市面上規(guī)格統(tǒng)一的溫室大棚已經(jīng)無法滿足需求。我們需要更加個性化，更加詳細(xì)的模型來輔助建造更好的“智能化溫室”。并運(yùn)用到后期的維護(hù)與使用中。

2.2 設(shè)計思路

常規(guī)方法借助模擬軟件，對方案進(jìn)行被動太陽能熱、荷載等進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化方案，如此反復(fù)。其中會包含屋面角、坡度、厚度等各方面繁雜的數(shù)據(jù)計算，導(dǎo)致工作量倍增，與之伴隨的是大量的由于微小改動引起的“重復(fù)”建模，耗費(fèi)了大量的時間和人力。而且這種“模擬——優(yōu)化”的方式無法整合所有變量對方案進(jìn)行窮舉，難以在短時間內(nèi)得出最優(yōu)解。一來降低了工作效率，二來增加了計算誤差的可能性。

因此我們決定，在Rhino環(huán)境中，通過對BIM三維建模和參數(shù)化編輯過程中的關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，基于Grasshopper開發(fā)農(nóng)業(yè)日光溫室參數(shù)化三維空間模型系統(tǒng)。將BIM建模技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化發(fā)展相結(jié)合，運(yùn)用Rhino+Grasshopper軟件平臺進(jìn)行各種日光溫室的參數(shù)建模，通過參數(shù)的調(diào)整就能直接改變?nèi)展鉁厥夷Ｐ偷淖罱K形態(tài)，并進(jìn)行三維實(shí)景展示和初步分析優(yōu)化等，同時該項目成果又能作為三維仿真模型，為載體智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)提供軟件支持。

2.3 建模過程

在建造溫室之前，首先需要對各種溫室類型以及其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，我們?yōu)榇嗽谏綎|省的幾個地方進(jìn)行實(shí)地調(diào)研并在網(wǎng)絡(luò)上收集資料，歸納整理了四種常見溫室及各方面數(shù)據(jù)（圖1）。然后根據(jù)各組數(shù)據(jù)之間的差別確定變量。

根據(jù)“形態(tài)——性能”交互關(guān)聯(lián)的參數(shù)化邏輯，在grasshopper中編寫相應(yīng)的形態(tài)算法程序，通過NumberSlider滑塊等參數(shù)取值與閥值定義，從而實(shí)現(xiàn)幾十種參數(shù)對桁架、后墻、前屋面等數(shù)據(jù)的協(xié)同調(diào)控。

2.4 應(yīng)用方向及優(yōu)勢

在得到4個基本參數(shù)化三維空間模型后，該模型便可直接在該插件中或?qū)肫渌浖M(jìn)行計算。

若導(dǎo)入到其他軟件進(jìn)行計算，方法依然是傳統(tǒng)的“模擬——優(yōu)化”，但在建模這一環(huán)節(jié)上，不再需要重新開始或者在原模型上進(jìn)行修改，而是直接通過NumberSlider滑塊對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或者輸入新的參數(shù)以達(dá)到修改模型的效果。大大減少了重復(fù)建模的工作量。

若是直接在grasshopper中進(jìn)行計算，則可運(yùn)用Ladybug+Honeybee，設(shè)定控制邏輯進(jìn)行可控循環(huán)，對風(fēng)、光、熱等基于同一模型進(jìn)行耦合計算，通過遺傳算法模塊（圖2），設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，讓計算機(jī)自動完成復(fù)雜的計算，與此同時，程序自動紀(jì)錄并生成關(guān)聯(lián)所有方案參數(shù)變化、溫室形態(tài)和性能表現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫文件，并進(jìn)行整理排列，將“建模——模擬——優(yōu)化”的循環(huán)整合成為一步，彌補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計方法的缺陷[3]，提升模擬優(yōu)化的效率和精度，將設(shè)計師從繁雜的勞動中解救出來。當(dāng)然，該方案由于計算量過于龐大，對計算機(jī)的性能要求比較高，且由于是窮舉法，需要在經(jīng)過一段時間的計算，結(jié)果開始收斂后，手動調(diào)整計算方向或停止。

該模型具有很良好的兼容性，可以直接導(dǎo)出到目前世面上的幾乎所有模型建立軟件以進(jìn)行渲染等（圖3），為后期“智能化溫室”的管理和維護(hù)等提供精確的模型

3 總結(jié)與反思

通過前述的參數(shù)化建造過程及梳理，將以往的溫室大棚改為了一個可變的、通用的模型，根據(jù)不同氣候區(qū)域特點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境策略的量化研究，并導(dǎo)入到grasshopper中進(jìn)行自優(yōu)化。用計算機(jī)取代了部分重復(fù)、繁重且精細(xì)度較高的計算分析工作。而其作為一種新的設(shè)計流程，或許能夠啟發(fā)建筑師的設(shè)計思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉叢紅，劉立.新世紀(jì)中國綠色建筑的演進(jìn)與前瞻[J].城市空間設(shè)計，2016（4）：145-160.

[2]Negendahl K，Nielsen T R. Building energy optimization in the early design stages： A simplified Method[J]. Energy and Buildings， 2015， 105： 161-179.

[3]？sterg？rd T， Jensen R L， Maagaard S E. Building simulations supporting decision making in early design-A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2016， 61： 187-201.

1 常見溫室類型及部分?jǐn)?shù)據(jù)

2 模擬優(yōu)化流程

3設(shè)計解集數(shù)據(jù)

此文章為“基于Grassshopper的農(nóng)業(yè)日光溫室參數(shù)化三維空間模型系統(tǒng)”項目研究成果