Ladybug Tools 在生態城市設計中的應用

吳婷婷， 李曼凌

(四川省建筑設計研究院有限公司， 四川成都 610000)

LadybugTools是一款基于Grasshopper平臺，用于城市及建筑物理環境分析設計的免費應用程序集合。它建立在如Radiance,OpenStudio等眾多仿真模擬引擎之上，具有開源、集成、參數可變、3D可視等多種特性。在所有的環境設計軟件包中，LadybugTools是最全面的工具之一，它將3D模型與眾多仿真模擬引擎進行有效連接。

不同于常規以工程師為主導的工具開發模式，LadybugTools由兩位建筑師美國賓夕法尼亞大學客座教授MostaphaSadeghipourRoudsari和畢業于美國麻省理工學院的建筑師ChrisMackey進行開發。他們都具有出色的參數化編程能力、建筑性能設計經驗和性能模擬知識背景。因此，該工具被賦予面向方案設計階段的特性與優勢：其擁有簡單易讀的圖示化操作界面，可以幫助毫無模擬知識背景的設計師快速建立起性能設計的評估流程；其對模型的兼容能力超越其他模擬工具，可以在形態生成與性能模擬優化之間建立起緊密的、自動化的交互機制；其可基于同一形態模型，同時進行多種性能優化計算，以綜合性的評價數據提供多樣化的優選方案[1]。

生態城市設計與傳統城市設計相比，更注重對風環境、熱環境和聲環境的數據等的綜合分析以及城市物理環境與空間形態的耦合優化[2]。LadybugTools不同于其他模擬引擎的繁冗與復雜，該工具參數設置簡化，更加突出城市設計優化與物理分析的實時交互性能，有利于協助規劃師及建筑師實現生態城市及建筑空間性能優化的設計流程開發與方法創新。

1 ladybugTools分類及功能

LadybugTools由ladybug、Honeybee、Butterfly、Dragonfly四組工具組成(圖1、表1)。

1.1 Ladybug

Ladybug對氣候文件進行數據處理，形成2D或者3D的氣候分析圖解用于早期的設計分析及被動式策略選擇。同時，在設計前期也支持基于太陽輻射、日照分析、陰影遮擋等環境分析，對城市或建筑的空間幾何形態進行設計。

1.2 Honeybee

Honeybee是現有的所有城市及建筑物理環境設計分析軟件中最綜合、最集成的插件之一。支持設計中后期的采光及熱力學建模，通過能耗計算內核EnergyPlus和光模擬內核Radiance，完成能耗計算、光環境模擬和結構熱橋分析等。

表1 Ladybug Tools功能與運用類型

1.3 Butterfly

Butterfly可以快速將幾何圖形導出到OpenFOAM并運行幾種常見類型的氣流模擬，這些模擬對城市及建筑設計非常有用。模擬城市風模式的室外模擬、模擬熱舒適性和通風效果的室內邊界驅動模擬等。

1.4 Dragonfly

Dragonfly能夠模擬及評估大尺度的氣候現象，如城市熱島、未來的氣候變化以及地形變化等當地氣候因素的影響。Dragonfly還能鏈接到多個數據集，包括國家氣候數據中心(NCDC)的公共小時天氣數據和熱衛星圖像數據集(LANDSAT)數據庫。Dragonfly使這些大型氣候變量可以在Ladybugtools其他工具中使用，其他工具可以將這些氣候數據作為分析和模擬的起點。

2 Ladybug Tools在生態城市設計中應用案例

值得注意的是，LadybugTools還可銜接遺傳算法插件Galapagos，進行單一性能最優解計算或多變量權衡決策，即利用參數化算法進行方案尋優。LadybugTools+Galapagos這種多目標優化算法模型是以綜合性能指標為評價方式，通過設定控制邏輯讓計算機自動完成復雜的計算和尋優過程，在較短時間內得到特定邏輯下的最優結果[3]；這有助于超越以往“模擬-優化”的人工模式，實現城市及建筑物理性能優化的自動化，創新城市規劃美學，革新生態城市規劃設計方法。

KPF在IdeaBlock&MasterPlanLondon城市研究中，利用LadybugTools建立起一套較為成熟的以城市光環境優化為導向的參數化城市模型系統。該系統涵蓋城市、街區和單體等不同尺度的設計模型，可以基于性能評價生成合理的城市、街區和建筑方案[4]。該項目在保證高容積率的基礎上，充分研究街區形態、街區尺度、城市光環境，并通過參數化編程定義最佳配置開發經驗法則。最終通過Galapogas遺傳算法自動生成性能最優的城市街區規劃方案。

3 Ladybug Tools在生態城市設計中的應用實踐

3.1 氣候數據分析

(1)Ladybug可以在設計初期幫助設計師了解一個城市的氣候特征，如日軌圖、干球溫度、相對濕度、風速風向、直接垂直輻射、間接水平輻射、總水平輻射、直接垂直照度等等。通過EPW文件導入Ladybug，可以直接以2D或者3D的顯示模式生成圖表，或者在模型上直觀的進行顯示。例如，可以在日晷圖上顯示6月、9月、12月的21日全天24h的溫度、太陽位置及太陽高度角。

(2)Ladybug可以運用Analysisperiod以及Conditionalstatement對特定時間段的限定條件進行多組氣候數據的疊加篩選顯示，進行日照、熱輻射、溫度、濕度，風數據的綜合應用。例如，通過Ladybug對北京全年的氣溫數據進行篩選，全年大于26 ℃的小時數為1 178h，占全年總時間的13.45 %。而具有自然通風潛能的時間(26 ℃小于干球溫度小于32 ℃，相對濕度小于80 %，風速大于2m/s)為459h，只占全年時間的5.24 %。

(3)Ladybug還可用于生成焓濕圖進行被動式策略的選擇?？梢詫追N熱舒適度的策略進行疊加，顯示不同策略影響下，舒適區的范圍，還可以顯示不同策略對整個舒適度的貢獻率以及作用時間。協助設計師進行判斷，找出適合的策略或組合策略方式。例如，最適宜北京的被動式策略為直接蒸發降溫、高熱容維護結構+夜間通風、加強自然通風、被動式太陽能采暖。其分別的貢獻率為2.47 %、2.15 %、2.48 %、24.50 %。通過以上的被動式策略，全年舒適區的比例從7.53 %提高到35.35 %(圖2)。

圖2 城市基礎氣候數據分析

3.2 城市光熱環境模擬分析與優化

在城市光熱環境模擬分析方面，可以通過Ladybug+Honeybee計算城市街區的熱輻射、日照時間以及建筑群的采光。輸入模擬計算的城市的地理位置及氣象數據，分析的物體、周圍環境，設置計算時間及計算網格，最后進行顯示模式的設定。Ladybugtools的分析相較于其他物理分析軟件，建模更容易，設置更簡單，計算更高效，不僅可以進行平面計算，還可以對建筑群體進行三維計算，實現方案調整與模擬計算實時交互，以及多方案的比較(圖3)。

圖3 城市街區的光熱環境模擬分析

在城市光熱環境優化方面，Ladybugtools與遺傳算法工具Galapagos結合，可以展現出更多的應用。

案例一：以成都冬季12月熱輻射量最大為目的，調整街道界面。首先確定街道兩側建筑群體量。通過Galapogas中基因池控制街道兩側建筑群各單體位置。通過迭代運算計算得出街道的開敞空間和緊縮的空間，使整個街區冬季12月熱輻射量最大。通過遺傳算法優化之后，整個街區熱輻射量對比優化之前提升了8.17 %，并使街道空間尺度層次更豐富，形成了明顯的開敞與緊縮空間(圖4)。

圖4 通過Ladybug+Galapogas熱輻射模擬調整街道界面

案例二：以成都冬季熱輻射量較大并且容積率較大為目的，求得街區建筑群體最優解布局。通過Galapagos中基因池控制街區的尺度(130m×150m～130m×180m)，朝向(南偏東45 °～南偏西45 °)，中心綠地的比例(35 %～65 %)，高層建筑的位置。之后將整個街區的12月熱輻射值累加，與街區容積率進行權重求和，通過遺傳算法迭代運算，求出兼顧容積率及冬季熱輻射的最優解。最終，通過遺傳算法求解，最適合本街區的尺度為130m×160m，朝向為南偏東28.3 °，中心綠地比例為36.7 %。綜合多種因素，街區建筑群容積率可達6.18，街區熱輻射單位面積熱輻射×容積率對比優化之前(各變量取中值)提升了16.43 %。

此方法還可以作為其他多種環境因素與城市要素疊加分析的方法。但值得注意的是，盡管遺傳算法能自動求解，但規劃師或建筑師仍然需要占據設計的主導，提出需要參與分析計算的變量與參數，并且整個計算邏輯仍取決于設計者本身的主觀意識。在參數化設計求解過程中，計算機僅僅取代了重復、繁重且精細度較高的計算分析工作，而設計問題的分析與策略的制定、方案邏輯的展開與算法的編寫，都需要建筑師的思考與抉擇。參數化求解另一個優點在于，最優求解不僅僅限于單一結果，同時，還能記錄較優的多個結果，即最優族群。方便設計師在最優族群中，挑選出更符合自己思維邏輯與形式喜好的結果(圖5)。

圖5 通過Ladybug+Galapogas對城市街區空間進行模擬優化

3.3 城市熱島效應模擬分析

Dragonfly在城市熱島效應模擬分析方面的應用可以叫做Urbanweathergenerator城市氣候生成器。它通過一系列城市參數模擬城市建設活動對原始場地的改變。這些因素包括：

(1)建筑物的幾何形狀(包括建筑物的高度，密度，窗墻比和外觀，建筑面積)。

(2)建筑物用途(包括建筑類型，HVAC系統和人員和設備使用計劃)。

(3)冷卻系統向室外散熱(夏季)。

(4)室內散熱到室外(冬季)。

(5)城市建設的材料(包括道路，墻壁和屋頂的蓄熱性能，反照率和輻射率)。

(6)交通產生的人為熱量(包括交通時間表)。

(7)植被覆蓋率(樹木和灌木叢)。

(8)來自城市邊界和冠層的大氣傳熱。

在模擬模型中，街區大部分辦公、商業、住宅建筑定義為新建，部分輔助建筑定義為1980年后建筑，辦公建筑玻璃幕墻或窗戶的比例為65 %，太陽得熱系數為0.35，屋頂反射率為0.5，城市街道由于車輛或人活動產生的熱量為10W/m2(參考新加坡商業區統計數據)，植物反射率0.35，道路反射率0.2。再輸入原始氣象數據進行對比分析后，得出模擬模型在7月，建設后比建設前，場地溫度升高了0.73 ℃。滿足DBJ51T009-2018《四川省綠色建筑評價標準》場地室外日平均熱島強度不高于1.5 ℃的要求(圖6)。

4 思考展望

城市基礎氣象數據、交通路網、綠化景觀、街區尺度、建筑布局等對城市室外光熱環境有重要影響。合理的被動式策略和規劃布局可改善群體建筑的光熱環境。在城市因素和環境因素疊加的生態城市設計過程中，研究不同策略間的關系可一定程度指導設計的進行，但卻不可避免地存在大量的重復冗長的計算工作。Ladybugtools作為建筑參數化設計平臺Grasshopper下的插件，高效整合了已有的成熟的物理環境模擬工具計算內核，可以極大地提高規劃師、建筑師的工作效率，將參數化生態城市設計方法變為可能。

圖6 城市街區熱島強度模擬分析