基于采光性能優(yōu)化的可變建筑表皮生成研究
——以廈門地區(qū)既有辦公建筑為例

石 峰

陳藝丹

1 概述

可變建筑表皮能夠隨著室外環(huán)境的變化而變化，起到調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)環(huán)境的作用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。可變建筑表皮在各地建筑中的應(yīng)用，也造就了許多經(jīng)典的案例，如阿拉伯世界研究中心南立面的光圈式表皮、Aedas事務(wù)所設(shè)計(jì)的巴哈爾塔的三角形表皮和德國弗萊堡的“Heliotrop”太陽能住宅能隨著太陽的運(yùn)行緩慢自轉(zhuǎn)，以獲得最佳的日照等。

室內(nèi)光環(huán)境對于使用者來說極其重要，天然采光能夠豐富室內(nèi)光環(huán)境，還有利于節(jié)約能耗。天然采光設(shè)計(jì)要盡量避免對人體的一些負(fù)面影響，可變表皮運(yùn)用恰當(dāng)能減少甚至防止負(fù)面影響的產(chǎn)生，如增加采光量、減少太陽輻射得熱、減少能耗和避免眩光以及保證個(gè)人隱私等[1-4]。

參數(shù)化性能模擬在設(shè)計(jì)階段對于環(huán)境的舒適度和能耗的把控，相較于人工經(jīng)驗(yàn)更加精準(zhǔn)，使用計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)能夠提升效率。國外開展了一系列的研究與實(shí)驗(yàn)，并取得了相應(yīng)的成果，如荷蘭代爾夫特理工大學(xué)建筑界面研究小組（FRG）[5]和德克薩斯A&M大學(xué)的tranSTUDIO[6]等。Gyeong Yun等（2014）[7]和Skarning等（2016）[8]等人探討了動(dòng)態(tài)表皮與光環(huán)境、能耗之間的關(guān)系。在國內(nèi)，參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)合建筑表皮的研究和關(guān)注并不少見，同濟(jì)大學(xué)袁烽[9]、東南大學(xué)李飚[10]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫澄等（2018）[11]等都對建筑表皮進(jìn)行了相關(guān)的參數(shù)化研究和實(shí)踐。在可變建筑表皮的研究方面，李保峰（2004）[12]、林濤等（2017）[4]采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對可變表皮進(jìn)行了參數(shù)化研究。

在可變建筑表皮的研究當(dāng)中，設(shè)計(jì)結(jié)合性能模擬優(yōu)化的研究多以靜態(tài)模擬分析為主，而可變建筑表皮性能模擬是動(dòng)態(tài)的過程：需要通過不斷地修改參數(shù)，快速準(zhǔn)確地生成一系列不同形態(tài)，擇優(yōu)錄用。因此，可變建筑表皮設(shè)計(jì)與參數(shù)化平臺(tái)結(jié)合的研究尚顯不足。本文選用Grasshopper作為可變表皮的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，其具有可視化、數(shù)據(jù)分類處理等功能，可以通過控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)對表皮形態(tài)的把控。

圖1 設(shè)計(jì)思路流程圖

圖2 辦公室立面圖和平面圖

圖3 辦公室采光模擬結(jié)果示意圖

圖4 基于Ladybug工具的模擬優(yōu)化流程圖

圖5 Grasshopper電池連接示意圖

圖6 采光性能優(yōu)化的可變表皮設(shè)計(jì)示意圖

圖7 照度模擬結(jié)果示意圖

圖8 辦公室UDI平均值統(tǒng)計(jì)圖表

圖9 單元測點(diǎn)UDI100-2000lx值大于50%所占的面積百分比統(tǒng)計(jì)圖

圖10 眩光測點(diǎn)出現(xiàn)不舒適眩光（DGP>0.4）時(shí)長對比圖

2 光環(huán)境優(yōu)化指標(biāo)

采光評價(jià)指標(biāo)是對建筑天然采光質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)的基礎(chǔ)。隨著采光技術(shù)的發(fā)展，愈加凸顯了采光系數(shù)等傳統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)的局限性。在此背景下，一系列動(dòng)態(tài)評價(jià)指標(biāo)隨之被提出，如DA[13]、UDI[15]等，它們考慮了全年的天空變化情況，并對室內(nèi)照度水平在一定范圍內(nèi)的時(shí)間長度進(jìn)行評價(jià)，更適合評價(jià)建筑空間的實(shí)際采光效果。

本章節(jié)對國內(nèi)外相關(guān)的采光評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了整理，以廈門地區(qū)辦公建筑為例（表1）。依據(jù)GB50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，廈門屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)為1.1，辦公室采光等級(jí)為Ⅲ級(jí)，一般參考平面高度為0.75m。

在對環(huán)境進(jìn)行評價(jià)時(shí)，應(yīng)綜合多種評價(jià)指標(biāo)來衡量室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量。對設(shè)有可變表皮的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行評價(jià)時(shí)，需要考慮表皮在不同時(shí)刻的不同形態(tài)。采光系數(shù)缺少對室外環(huán)境變化的考量；DA[13]作為全年動(dòng)態(tài)評價(jià)指標(biāo)，只考慮到照度的臨界最小值，忽略了室內(nèi)照度值過高產(chǎn)生眩光的情況；而UDI[15]不僅考慮到照度值過高和過低的情況，同時(shí)可以反映天然光的有效利用率。因此，本研究適宜采用UDI采光評價(jià)指標(biāo)對采光質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

國內(nèi)評價(jià)室內(nèi)眩光質(zhì)量只針對DGI指標(biāo)作出要求。國外提出的DGP指標(biāo)既有對不舒適眩光計(jì)算方法，也融合了基于人的感性評價(jià)的實(shí)驗(yàn)方法，綜合考慮了視線內(nèi)的總體亮度、眩光光源的位置以及視覺對比度等信息[16]，在本研究中嘗試用DGP作為不舒適眩光的評價(jià)指標(biāo)。

3 可變表皮的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

在方案設(shè)計(jì)階段，表皮的形態(tài)可能會(huì)隨著功能的疊加出現(xiàn)矛盾，如遮陽與通風(fēng)、遮陽與得熱、采光與遮陽等。這些矛盾主要表現(xiàn)為表皮在應(yīng)對不同需求時(shí)的不同響應(yīng)方式。在設(shè)計(jì)階段，嘗試結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對表皮形態(tài)進(jìn)行生成，以尋找到一種解決矛盾的平衡狀態(tài)。本研究利用Grasshopper平臺(tái)對表皮單元進(jìn)行建模，并根據(jù)一定的算法進(jìn)行變量參數(shù)的調(diào)整，生成各種表皮形態(tài)。運(yùn)用Ladybug工具包對設(shè)有不同表皮形態(tài)的空間模型進(jìn)行光環(huán)境模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擇出表皮形態(tài)的最優(yōu)解（圖1）。

表1 自然采光相關(guān)評價(jià)指標(biāo)

3.2 研究對象

研究對象為廈門市某既有南向采光辦公室，開間3.3m，進(jìn)深6.0m，凈高3.0m，窗寬3.3m，窗高1.6m，窗臺(tái)高1.1m。測點(diǎn)SP1距窗戶1發(fā)，處于水平工作面上；根據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，廈門辦公建筑采光等級(jí)Ⅲ級(jí)，眩光測點(diǎn)設(shè)置于窗中心線上，窗對面墻向房間內(nèi)偏移1m的位置（圖2）；水平工作面選取離地0.75高，測點(diǎn)網(wǎng)格單元尺寸均為0.5m×0.5m。

本文研究對象為滿足日常辦公功能的辦公室，通過對該辦公室進(jìn)行建模和采光性能的模擬，得到以下結(jié)果（圖3）：全陰天空模型下初步模擬得出室內(nèi)照度分布不均勻，采光窗附近區(qū)域照度值較高，最高為3162.9lx，并隨著進(jìn)深方向逐漸降低。以優(yōu)化該空間的采光性能為目的，借助可變表皮系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)采光分布。

3.3 模擬優(yōu)化方法及軟件設(shè)置

優(yōu)化是一個(gè)反饋式的過程，通過不斷地模擬尋找優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，形成設(shè)計(jì)上的閉環(huán)系統(tǒng)。通過模擬來反饋設(shè)計(jì)，可預(yù)測評價(jià)可變表皮的使用效果?，F(xiàn)有的環(huán)境模擬工具多為模擬靜態(tài)的建筑元素。在評價(jià)動(dòng)態(tài)的建筑環(huán)境性能時(shí)，必須在一系列不同狀態(tài)的條件下分析，才能進(jìn)行正確的優(yōu)化與評價(jià)。Ladybug工具包是基于Grasshopper平臺(tái)的插件，其Dynamic Shading模塊具有優(yōu)化功能，可得到逐時(shí)的最佳表皮形態(tài)，組合而成一系列可變表皮形態(tài)。本研究選用Grasshopper作為參數(shù)化建模與調(diào)節(jié)的界面，輸入不同的表皮形態(tài)作為變量參數(shù)，表皮形態(tài)的輸入由完全開啟至完全關(guān)閉，輸入端依次為state1、state2至stateN，state1為完全開啟狀態(tài)，stateN為完全關(guān)閉狀態(tài)。采光性能的模擬則通過Ladybug工具包調(diào)用Daysim和Radiance進(jìn)行逐時(shí)的采光模擬（圖5）。根據(jù)設(shè)置的感應(yīng)器（測點(diǎn)SP1）接收到的照度值Ex選取合適的表皮形態(tài)輸出。優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置為：當(dāng)100lx≤Ex≤2000lx表皮形態(tài)可直接輸出；當(dāng)Ex＞2000lx時(shí)，調(diào)整表皮形態(tài)再進(jìn)行模擬，直到滿足“100lx≤Ex≤2000lx”條件方可輸出；當(dāng)Ex＜100lx時(shí)，確保表皮形態(tài)呈現(xiàn)完全開啟狀態(tài)后直接輸出，后期需考慮結(jié)合人工照明進(jìn)行室內(nèi)光環(huán)境優(yōu)化。模擬流程參看圖4。

在參數(shù)化平臺(tái)Grasshopper中的模擬參數(shù)設(shè)置（圖5）主要包括幾個(gè)方面：基地氣象數(shù)據(jù)、分析網(wǎng)格單元尺寸、分析精度、材料參數(shù)等，這些方面在Ladybug工具中可設(shè)置具體的參數(shù)（表2）。部分參數(shù)依據(jù)GB50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及JGJ/T449—2018《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定設(shè)定：反射次數(shù)為5次，窗戶透射比參數(shù)為0.75，辦公室內(nèi)部的頂棚反射系數(shù)0.80，墻面反射系數(shù)0.60，地面反射系數(shù)0.30，表皮的反射系數(shù)0.85。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)電池組輸入端一覽表

表3 表皮設(shè)計(jì)形式示意圖

表4 3種可變表皮的全年逐時(shí)形態(tài)示意圖表

3.4 表皮形態(tài)設(shè)計(jì)與生成

百葉是常見的調(diào)節(jié)室內(nèi)采光的方式之一，傳統(tǒng)百葉狀表皮的調(diào)節(jié)因素存在一定的局限性。三角形形式的單元表皮相較于方形百葉狀的表皮適用范圍更廣：具有較強(qiáng)的靈活性，能提供表皮運(yùn)動(dòng)的多種可能性，構(gòu)造出形式多變的表皮系統(tǒng)；可多角度調(diào)節(jié)適應(yīng)不同方向的采光特征，用以應(yīng)對多變的環(huán)境因素；三角形表皮在建筑立面塑造更具美學(xué)特征。

以優(yōu)化以上空間的采光性能為目的，經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化模擬，最終得到了表3中Type5所示的分段式表皮設(shè)計(jì)形式。分段式表皮設(shè)計(jì)能夠更適宜地發(fā)揮出不同高度表皮的功能性。設(shè)計(jì)的表皮（圖6）高處部分作為反光區(qū)域，增加室內(nèi)采光量，且不影響使用者的視覺感受；中部以下的表皮以遮陽功能為主，即減少工作臺(tái)面的直射光，又可調(diào)節(jié)因過度遮陽造成的視野遮擋。為了評價(jià)該表皮的室內(nèi)光環(huán)境效果，對設(shè)計(jì)過程中考慮的幾種表皮形式進(jìn)行對比分析。

針對不設(shè)表皮、3種不同傾角的固定表皮、動(dòng)態(tài)百葉、一體式可變表皮和分段式可變表皮7種不同狀態(tài)下的室內(nèi)采光性能進(jìn)行全年時(shí)段的參數(shù)化研究。7種工況的表皮形態(tài)分別為（表3）：

Type0：房間不設(shè)表皮。

Type1～3：均為固定表皮，表皮深度0.476m。表皮圍繞軸旋轉(zhuǎn)分別為90°、60°和30°。

Type4：正三角形狀表皮，三角形邊長0.55m，深度0.476m。實(shí)行一體式調(diào)節(jié)。上下兩個(gè)正三角形鏡像組合而成，圍繞軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，遮陽表皮的變量參數(shù)為旋轉(zhuǎn)角度，由關(guān)閉到開啟狀態(tài)依次為0°、30°、60°和90°。

Type5：在Type3基礎(chǔ)上增加反光功能，實(shí)行分段式調(diào)節(jié)。自然光通過上半部分的反射表皮進(jìn)入室內(nèi)，經(jīng)由墻體的多次反射，提高房間深處的采光質(zhì)量（圖6）。避光區(qū)的表皮由關(guān)閉到開啟狀態(tài)依次旋轉(zhuǎn)為0°、30°、60°和90°；反光區(qū)的表皮設(shè)置為關(guān)閉和開啟兩個(gè)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)角度分別為0°和90°。

Type6：動(dòng)態(tài)百葉即百葉狀的可變表皮，由關(guān)閉到開啟狀態(tài)依次旋轉(zhuǎn)為0°、30°、60°和90°。

通過Ladybug工具包中的Dynamic Shading功能，自動(dòng)生成全年逐時(shí)的表皮形態(tài)圖表（表4）。每種顏色對應(yīng)的表皮形態(tài)如表4，以Type5夏至日6月21日為例：9：00，可變表皮的形態(tài)為“State1”；12：00，表皮形態(tài)為“State3”；15：00時(shí)呈現(xiàn)“State5”。

4 自然采光效果對比分析

4.1 照度

從測點(diǎn)SP1的全年照度分布圖表得出（圖7），設(shè)有表皮的辦公室相較于不設(shè)表皮的每小時(shí)照度整體有所下降。其中，不設(shè)表皮Type0照度最高，大部分時(shí)間高于4000lx；Type5的照度值變化最為穩(wěn)定，多處于3000lx以下。

以下選取夏至日6月21日10：00時(shí)照度分布情況進(jìn)行對比（圖7）：不設(shè)表皮的Type0采光窗周圍區(qū)域照度約范圍約為3000～5200lx，測點(diǎn)SP1照度為4637lx。其他6種工況的采光窗周圍區(qū)域照度分別為2953lx、2036lx、1176lx、2036lx、2140lx和2257lx，相較于Type0的照度均有明顯下降。由此可見，不設(shè)表皮的辦公室可能出現(xiàn)過度采光的現(xiàn)象，表皮的存在能適當(dāng)減少工作臺(tái)面出現(xiàn)過高照度值的情況。不設(shè)表皮的辦公室采光均勻度為0.26，設(shè)有表皮后的采光均勻度有所上升，動(dòng)態(tài)百葉最高為0.39，三角形分段式次之為0.36。固定表皮Type1的采光均勻度為0.35，但采光窗附近區(qū)域的照度值過高。

4.2 UDI

根據(jù)Nabil的研究[15]，當(dāng)采光照度低于100lx時(shí)采光量不足，辦公需要開啟人工照明；當(dāng)照度在100～2000lx范圍內(nèi)通常被認(rèn)為是可接受的范圍；當(dāng)采光照度值大于2000lx時(shí)，人眼的不舒適感會(huì)明顯上升。在評價(jià)空間自然采光質(zhì)量時(shí)，用UDI來表示有多少時(shí)間采光過低、可以接受和過高，分別用UDI＜100lx、UDI100～2000lx以及UDI＞2000lx3個(gè)指標(biāo)來表示各點(diǎn)僅在自然光照射下照度處于設(shè)定范圍內(nèi)的時(shí)間百分比。

對比不同類型辦公室的UDI平均值（圖8），設(shè)有表皮的辦公室的UDI值較不設(shè)表皮的整體提升了。設(shè)有表皮后的6種工況，UDI＞2000lx值明顯下降，UDI100～2000lx值升高。Type6的UDI100～2000lx值最高為93.5%，UDI＞2000lx最小為0.2%。測點(diǎn)SP1的UDI值分別為3%、14%、28%、55%、75%、93%和100%，其中Type6的UDI最高，表明測點(diǎn)SP1全年約有100%的時(shí)間處于舒適采光狀態(tài)。

對比不同表皮類型辦公室中，統(tǒng)計(jì)超過50%的時(shí)間，照度值處于100lx至2000lx區(qū)間（UDI100～2000lx＞50%）的單元測點(diǎn)數(shù)量占總測點(diǎn)數(shù)的百分比（圖9），其中3種可變表皮的值均為100%，表示可變表皮能夠使得所有工作臺(tái)面的照度都能夠處于舒適采光區(qū)間，且達(dá)到的時(shí)間超過50%，表明可變表皮對提高室內(nèi)UDI的效果明顯。

4.3 不舒適眩光DGP

眩光是由于視野范圍內(nèi)的亮度分布不均勻，導(dǎo)致工作面與背景之間的亮度對比過大，引起人們眼睛的不舒適感或降低人們分辨細(xì)節(jié)和物體的能力[17]。本文通過對DGP的研究來量化和評價(jià)人的主觀感受，彌補(bǔ)采光系數(shù)、UDI等只針對照度作為評價(jià)指標(biāo)的不足。

根據(jù)DGP的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，DGP大于0.4表示出現(xiàn)的眩光不利于工作。對眩光測點(diǎn)出現(xiàn)不舒適眩光（DGP>0.4）的時(shí)間進(jìn)行全年的統(tǒng)計(jì)（圖10）。不舒適眩光的出現(xiàn)主要集中在1—2月和9—12月。設(shè)有表皮的辦公室相比于不設(shè)表皮的出現(xiàn)眩光的時(shí)間明顯減少，說明表皮具有防眩光的作用。12月，設(shè)有表皮較不設(shè)表皮出現(xiàn)眩光的時(shí)間變化最為明顯。對比固定表皮的3種工況，Type1出現(xiàn)眩光的時(shí)間最多為27.4%，Type3出現(xiàn)眩光的時(shí)間最少為0%?？勺儽砥?種工況中，一體式調(diào)節(jié)的Type4眩光出現(xiàn)的時(shí)間為1.8%，分段式調(diào)節(jié)的Type5眩光出現(xiàn)的時(shí)間為7.1%，相比于不設(shè)表皮的分別減少了32.1%和26.8%。其中，Type6在控制眩光方面成效最佳。

4.4 總結(jié)

綜上所述，本研究對比有表皮和無表皮、固定表皮和可變表皮、一體式調(diào)節(jié)和分段式調(diào)節(jié)的可變表皮以及不同形式的可變表皮，綜合照度、UDI、DGP等多指標(biāo)因素對室內(nèi)采光的穩(wěn)定性和舒適性進(jìn)行評價(jià)?？偨Y(jié)如下：

不設(shè)表皮的Type1室外無遮擋，室內(nèi)照度分布不均，采光窗附近的照度過高，產(chǎn)生的不舒適眩光和太陽直射光會(huì)對使用者造成不良影響。

固定表皮中，Type1能起到減弱強(qiáng)光的作用，但效果不足，采光窗附近區(qū)域的照度值過高，導(dǎo)致眩光出現(xiàn)的概率過大；Type2在Type1的基礎(chǔ)上有所改善，但優(yōu)化效果依然不足；Type3總體優(yōu)化效果最佳，在眩光調(diào)節(jié)方面起到了最佳的效果，但是由于其表皮形態(tài)會(huì)過多地遮擋采光窗，導(dǎo)致自然采光和視野不足的可能性也相對增加。

本研究中的可變表皮在各方面表現(xiàn)均優(yōu)于固定表皮。在可變表皮中，動(dòng)態(tài)百葉的光環(huán)境優(yōu)化效果略優(yōu)于三角形狀可變表皮。在三角形狀的可變表皮中，分段式相比于一體式可變表皮調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境綜合效果更佳。其中，分段式調(diào)節(jié)的可變表皮在提高室內(nèi)有效采光時(shí)間和維持光環(huán)境穩(wěn)定等方面成效更佳。

結(jié)語

本研究以改善室內(nèi)光環(huán)境為目標(biāo)，結(jié)合表皮的設(shè)計(jì)探討了可變表皮形態(tài)生成的方法，并比較分析了不同表皮形式對室內(nèi)光環(huán)境的影響。研究中利用參數(shù)化平臺(tái)進(jìn)行了光環(huán)境的模擬和優(yōu)化，以Rhino和Grasshopper為建模平臺(tái)，Ladybug工具包為性能模擬優(yōu)化平臺(tái)，根據(jù)既有辦公室室內(nèi)光環(huán)境的缺陷，進(jìn)行改善室內(nèi)采光性能的可變表皮設(shè)計(jì)與形態(tài)生成。通過模擬優(yōu)化和對比分析，生成一系列表皮形態(tài)，并綜合了各類采光評價(jià)指標(biāo)對其的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行評價(jià)。研究結(jié)果表明：對參數(shù)化平臺(tái)的合理運(yùn)用能夠自動(dòng)生成最優(yōu)的可變表皮形態(tài)組合，達(dá)到改善室內(nèi)環(huán)境的目的。同時(shí)，也證明了合理的可變表皮設(shè)計(jì)能夠改善室內(nèi)采光分布不均勻的問題，增加室內(nèi)舒適采光的時(shí)間以及減小室內(nèi)不舒適眩光出現(xiàn)的概率。

本文的可變表皮設(shè)計(jì)僅涉及辦公建筑室內(nèi)光環(huán)境優(yōu)化的研究?？勺儽砥ぷ鳛榻ㄖ摹捌つw”，可以從熱環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等多方面調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的作用，可變表皮對其他環(huán)境因素的調(diào)節(jié)以及不同因素之間的耦合依然是有待研究的課題。

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文中圖表均為作者自繪。