天然光光環(huán)境模擬技術(shù)綜述*

羅 濤 王書(shū)曉 林若慈

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 前言

隨著建筑節(jié)能和環(huán)境問(wèn)題的凸顯，天然光的應(yīng)用日益受到人們的重視。合理利用天然光，不僅有助于改善室內(nèi)光環(huán)境，而且也有利于實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。然而，良好的天然光光環(huán)境是難以預(yù)測(cè)的，設(shè)計(jì)師要想在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確把握光環(huán)境，需要借助于模擬的技術(shù)手段。所謂模擬，是利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究存在的或者設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。通過(guò)模擬，設(shè)計(jì)師可以準(zhǔn)確把握光環(huán)境的效果，照明系統(tǒng)的運(yùn)行情況和性能，從而做出優(yōu)化合理的設(shè)計(jì)。光環(huán)境的模擬有著廣泛的應(yīng)用，比如，可對(duì)建筑物的采光性能進(jìn)行分析檢驗(yàn);對(duì)復(fù)雜建筑光環(huán)境進(jìn)行仿真，查找相關(guān)問(wèn)題;對(duì)可能使用的技術(shù)手段和方案的效果進(jìn)行分析;對(duì)照明能耗和照明系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析等等。

因此，天然光光環(huán)境模擬不同于單純的設(shè)計(jì)計(jì)算，其涉及的內(nèi)容包括:天然光的數(shù)量指標(biāo) (照度、采光系數(shù)、可用性等)、質(zhì)量指標(biāo) (均勻性、眩光、直射陽(yáng)光控制、甚至還有光熱的控制等)、易用性 (視野、可調(diào)可控性、保證所有人員均獲得天然光)、建筑一體化 (與建筑的結(jié)合、與設(shè)備系統(tǒng)的結(jié)合)、節(jié)能潛力和經(jīng)濟(jì)性 (節(jié)能量、投入控制設(shè)備的回收期等)。

與人工照明相比，天然光光環(huán)境的模擬其主要困難在于:天然光是高度動(dòng)態(tài)變化的，隨時(shí)間、地點(diǎn)和天氣條件差異很大;眩光和直射陽(yáng)光的模擬;與控制的結(jié)合;與其它設(shè)備系統(tǒng)的配合以及模擬方法本身的困難等。

國(guó)內(nèi)外研究人員在長(zhǎng)期的研究實(shí)踐過(guò)程中，發(fā)展出了多種天然光光環(huán)境模擬技術(shù)，比如模型實(shí)驗(yàn)、圖表法、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)軟件等等。從其發(fā)展來(lái)看，經(jīng)歷了從物理模型到虛擬模型，從手工計(jì)算到計(jì)算機(jī)模擬這一變化過(guò)程。

2 天然光光環(huán)境模擬技術(shù)的分類(lèi)與簡(jiǎn)介

2.1 天然光光環(huán)境模擬技術(shù)的主要分類(lèi)

光環(huán)境模擬的技術(shù)手段很多，既可以借助于實(shí)際的物理模型，也可以構(gòu)建虛擬的計(jì)算機(jī)模型。根據(jù)其采用的技術(shù)手段的不同，光環(huán)境模擬技術(shù)大致可分為三類(lèi):1、物理模型實(shí)驗(yàn);2、依據(jù)于經(jīng)驗(yàn)或理論的圖表法、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則;3、計(jì)算機(jī)模擬。

2.2 物理模型實(shí)驗(yàn)

物理模型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是制作建筑的縮尺模型，在天然光或者人工光的照射下，測(cè)量建筑的室內(nèi)外光環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可直觀的看到建筑的光影變化情況。根據(jù)所采用的光源的不同，可分為兩類(lèi):一類(lèi)是直接采用天然光，將模型放置于室外的可調(diào)整方位和角度的平臺(tái)，測(cè)量室內(nèi)照度或者直接觀察;另一類(lèi)是采用人工光源模擬天空光和太陽(yáng)光，在室內(nèi)可控條件下進(jìn)行測(cè)量和觀察。國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都建立了相關(guān)的裝置，如圖1所示。

該方法的主要缺點(diǎn)是模型制作費(fèi)用高，模型的制作精度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是直觀，易于理解。

2.3 圖表法

目前建筑師和工程師在采光設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，主要依據(jù)的是經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。特別是在項(xiàng)目的前期階段，不確定因素很多，往往采用定性的方法判斷建筑采光的優(yōu)劣，或者比較各種方案的性能。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是快速，缺點(diǎn)是精度較差，且采用簡(jiǎn)單參數(shù)難以全面評(píng)判光環(huán)境的優(yōu)劣。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)手冊(cè)或者標(biāo)準(zhǔn)中提供的圖表進(jìn)行簡(jiǎn)單分析計(jì)算。如我國(guó)的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001中就提供了側(cè)面采光和頂部采光的計(jì)算圖表和計(jì)算方法 (見(jiàn)圖2和圖3)。其精度可滿足工程應(yīng)用的需要。

2.4 計(jì)算機(jī)模擬

90年代后，隨著個(gè)人電腦的廣泛普及和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工計(jì)算被計(jì)算機(jī)所取代。同時(shí)，一些計(jì)算速度快、準(zhǔn)確性好、操作方便和效果直觀的照明計(jì)算軟件出現(xiàn)了。通過(guò)在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的模型，可快速計(jì)算照度、亮度和眩光等參數(shù)，并可生成具有真實(shí)感的渲染圖形。由于其花費(fèi)最少，發(fā)生錯(cuò)誤的代價(jià)最小，易于控制，易于重復(fù)，并可模擬任何地點(diǎn)、任意時(shí)間、任何天氣狀況下的天然光光環(huán)境，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 各種類(lèi)型的人工天空或日影儀

圖2 側(cè)面采光計(jì)算圖表

據(jù)國(guó)外學(xué)者的調(diào)查，目前研究人員、設(shè)計(jì)師以及工程師使用的軟件超過(guò)42種之多［2］。由于在軟件設(shè)計(jì)定位時(shí)，其分析的對(duì)象，所使用的階段，使用者的不同，不同軟件之間有很大的差異。有的適合于項(xiàng)目前期概念設(shè)計(jì)階段，有的適合于深化設(shè)計(jì)階段;有的適用于建筑師，有的適用于工程師，還有適用于研究人員等等。其主要功能也有一定差異，有的適合于進(jìn)行日照和遮擋分析，有的則側(cè)重于采光計(jì)算;有的只給出計(jì)算圖表，有的則同時(shí)提供具有真實(shí)感的渲染圖形。其中，最為常用的天然光光環(huán) 境 模 擬 軟 件 有:Radiance、Adeline、Daysim、Ecotect、 Lightscape、 Skyvision、 DaylightVisualizier等。

3 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)具有成本低、速度快等優(yōu)勢(shì)，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

3.1 國(guó)外的發(fā)展和應(yīng)用情況

國(guó)外自上世紀(jì)80年代就著手進(jìn)行天然光光環(huán)境模擬軟件的開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，形成了Radiance、Lightscape、Ecotect、Daysim 等 功能強(qiáng) 大的模擬軟件。研究人員就軟件的使用情況做過(guò)很多調(diào)研，從中我們也可以看出計(jì)算機(jī)模擬軟件的發(fā)展歷程。

1994年，Aizlewood和Littlefair通過(guò)郵件進(jìn)行了調(diào)研，內(nèi)容是使用天然光預(yù)測(cè)計(jì)算的情況。返回的問(wèn)卷中有超過(guò)50%的參與者反映最常分析的是臨近建筑的遮擋分析，即進(jìn)行場(chǎng)地平面的計(jì)算。其中，33位建筑師普遍采用簡(jiǎn)單公式進(jìn)行計(jì)算，而有77%的采光專(zhuān)家采用縮尺模型和計(jì)算機(jī)模擬分析。有部分使用者還對(duì)現(xiàn)有程序的可靠性持懷疑態(tài)度。

1998年，Lam等人做了一個(gè)關(guān)于新加坡使用建筑模擬工具情況的調(diào)查。調(diào)查的目的是為了更好的理解大家在使用模擬工具中所出現(xiàn)的問(wèn)題，從而提出改進(jìn)建議。調(diào)查表明，25%的工程公司使用采光和照明模擬軟件，而11%的建筑公司則拒絕使用。后者使用渲染軟件用于展示，而不提供照明或者采光的細(xì)節(jié)。工程師主要使用由照明廠商提供的軟件。部分人反映類(lèi)似Radiance和Lightscape等軟件只是專(zhuān)家才掌握的。使用模擬軟件的主要目的是為了讓結(jié)果更加可信，而不使用的原因則是因?yàn)榭蛻舨桓信d趣，另外還有缺乏具有這類(lèi)技能的員工，時(shí)間原因以及軟件的購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用等等。

圖3 頂部采光計(jì)算圖表

Mamaari等人對(duì)于照明模擬軟件在德國(guó)法蘭克福做了一個(gè)調(diào)研，目的是調(diào)查使用者的軟件需求從而為軟件開(kāi)發(fā)人員提供相應(yīng)信息。日本建筑研究所的一個(gè)工作小組對(duì)照明模擬軟件的研究人員，軟件開(kāi)發(fā)人員和使用者也進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研。

Christoph等人對(duì)采光軟件的使用情況進(jìn)行了調(diào)研 (通過(guò)網(wǎng)絡(luò))，時(shí)間是從 2003年 12月 2日到2004年1月19日。調(diào)研的對(duì)象是來(lái)自27個(gè)國(guó)家(主要是美國(guó)20%、加拿大20%和德國(guó)12%)的185名設(shè)計(jì)師 (31%)、工程師 (38%)或者研究人員 (23%)。其中169人回答在設(shè)計(jì)中考慮了天然光，而16人則在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮天然光。在考慮天然光進(jìn)行設(shè)計(jì)的人員中共有134人使用計(jì)算機(jī)模擬。大家在設(shè)計(jì)時(shí)用于預(yù)測(cè)采光的方法包括經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬、經(jīng)驗(yàn)法則、設(shè)計(jì)指南、圖表和縮尺模型等 (按人數(shù)多少排序)，且在方案設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)階段有所不同。調(diào)研中發(fā)現(xiàn):

(1)大家使用計(jì)算機(jī)模擬用于采光設(shè)計(jì)比較普遍，且相信軟件的計(jì)算精度和準(zhǔn)確性，這與以前調(diào)研得到的結(jié)果有所不同。

(2)大家使用的軟件有42種之多，但是其中有超過(guò)50%的軟件是基于Radiance平臺(tái)。

(3)常用采光軟件進(jìn)行模擬分析的工程項(xiàng)目主要是辦公建筑、學(xué)校和多層住宅。

(4)大家利用軟件需要獲取的結(jié)果主要是室內(nèi)照度、采光系數(shù)、具有真實(shí)感的圖片、室內(nèi)亮度、人工照明的使用情況、眩光指數(shù)和天然光利用時(shí)間等 (按人數(shù)多少排序)。

(5)采光分析結(jié)果對(duì)遮陽(yáng)類(lèi)型及控制、窗戶尺寸、玻璃類(lèi)型、照明控制、建筑朝向、室內(nèi)表面材料、房間尺寸等設(shè)計(jì)要素產(chǎn)生影響 (按影響程度排序)。

(6)在學(xué)習(xí)使用軟件時(shí)，主要依靠幫助手冊(cè)自學(xué)，軟件的文檔和軟件的易用性還需要加強(qiáng)。前期方案設(shè)計(jì)可利用的技術(shù)手段還比較缺乏。

國(guó)外的調(diào)查研究表明，最初關(guān)于軟件計(jì)算正確性和精度的質(zhì)疑幾乎已經(jīng)消失，大家更關(guān)注軟件的功能、界面以及技術(shù)文檔等。根據(jù)一些指南和手冊(cè)所編制的界面友好的簡(jiǎn)單模擬工具被建筑師所易于接受，而復(fù)雜的模擬軟件基本上則是工程師在使用。

從軟件使用功能上來(lái)看，有的在照明計(jì)算上有優(yōu)勢(shì)，有的長(zhǎng)于日照模擬和陰影分析，還有的注重渲染效果圖的表現(xiàn)。眾多的天然光模擬軟件中，不得不提到的是Radiance，這個(gè)最初由美國(guó)能源部資助，LBNL開(kāi)發(fā)的基于物理真實(shí)模擬的光環(huán)境軟件，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。該軟件對(duì)天然光的模擬十分強(qiáng)大，先進(jìn)的表面反射模型可以在復(fù)雜的場(chǎng)景內(nèi)正確的模擬漫反射與鏡面反射，基于光能傳遞算法的漫反射計(jì)算，使它能分析像遮光板之類(lèi)的間接光學(xué)系統(tǒng)，人工光源的模型可通過(guò)由生產(chǎn)商提供的光度分布數(shù)據(jù)建立。Radiance的目的是預(yù)測(cè)照度和渲染具有心理真實(shí)性的虛擬建筑圖，在建筑完成前提高照明設(shè)計(jì)質(zhì)量，真實(shí)感的圖片只是一個(gè)副產(chǎn)品，圖像的精確才是基本的目的。其特點(diǎn)是:完全免費(fèi)，并支持進(jìn)一步開(kāi)發(fā);計(jì)算精度高，可同時(shí)模擬人工照明和天然采光;可以渲染出具有真實(shí)感的虛擬場(chǎng)景。但由于其采用Unix系統(tǒng)，使用上非常復(fù)雜，一般只有專(zhuān)業(yè)人員才能掌握使用。通過(guò)實(shí)測(cè)和模擬對(duì)比，在保證模型和材料參數(shù)精度條件下，其誤差可控制在20%以內(nèi)，部分情況下甚至可以優(yōu)于15%［4］。

同時(shí)，模擬軟件在實(shí)際工程中也得到了很多應(yīng)用，特別是國(guó)外的建筑工程咨詢公司將其廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)階段，為建筑師提供參考和依據(jù)。

3.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用情況

中國(guó)建筑科學(xué)研究院物理所是我國(guó)最早開(kāi)展建筑采光方面研究的科研機(jī)構(gòu)，在天然光光氣候、采光設(shè)計(jì)計(jì)算方法、采光系統(tǒng)及材料性能、住宅及公共建筑的天然光環(huán)境等方面開(kāi)展了大量的研究工作。上世紀(jì)80年代，由中國(guó)建筑科學(xué)研究院牽頭，多家大專(zhuān)院校和科研機(jī)構(gòu)參與，編制了建筑工程設(shè)計(jì)軟件包，為建筑性能模擬提供了便利。在建筑天然光環(huán)境軟件方面，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，但由于各種原因，一直未能形成商業(yè)化的軟件［8］。

隨著建筑環(huán)境和建筑節(jié)能問(wèn)題的出現(xiàn)，對(duì)天然光光環(huán)境的研究重新得到了重視。特別是隨著公眾對(duì)采光權(quán)的重視，對(duì)住宅的室內(nèi)外光環(huán)境研究成為了熱點(diǎn)［4］［8］［9］［10］。同時(shí)，專(zhuān)業(yè)的建筑日照分析軟件發(fā)展非常迅速，并得到了廣泛應(yīng)用［11］。

近年來(lái)，在一些大型工程中，天然光環(huán)境模擬軟件也得到了應(yīng)用。通過(guò)使用模擬軟件對(duì)室內(nèi)外的天然光計(jì)算分析，可得到設(shè)計(jì)人員關(guān)注的各種性能參數(shù)指標(biāo)，從而起到輔助設(shè)計(jì)的作用。

以國(guó)家游泳中心為例，設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注東側(cè)大面積的透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否會(huì)影響視覺(jué)的舒適，通過(guò)研究人員的模擬分析，給出了不同觀測(cè)位置和視看方向上東側(cè)的亮度分布，從而為深化設(shè)計(jì)提供了參考［12］。見(jiàn)圖 4。

又如在T3航站樓的設(shè)計(jì)中，由于建筑造型的需要，采用了大跨度的屋面，設(shè)計(jì)人員對(duì)于車(chē)道內(nèi)側(cè)的采光是否能夠滿足要求存有疑慮。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了車(chē)道內(nèi)側(cè)各點(diǎn)的采光系數(shù)，并給出了直觀的采光分布圖，為設(shè)計(jì)師的決策提供了依據(jù)。如圖5所示。

圖4 國(guó)家游泳中心室內(nèi)天然光光環(huán)境模擬

圖5 北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓車(chē)道采光模擬

另外，還可以利用光環(huán)境模擬軟件對(duì)新型采光系統(tǒng)的性能以及照明節(jié)能情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。圖6是對(duì)奧運(yùn)中心區(qū)地下車(chē)庫(kù)所采用的導(dǎo)光管系統(tǒng)的性能及節(jié)能性進(jìn)行的分析。通過(guò)分析，不僅很好的預(yù)測(cè)了采光系統(tǒng)的性能，同時(shí)也給出了其照明節(jié)能的量化數(shù)據(jù)。同時(shí)，最后的實(shí)測(cè)分析表明，模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合［13］。

圖6 奧運(yùn)中心區(qū)地下車(chē)庫(kù)天然光導(dǎo)光管系統(tǒng)模擬

上述的工程實(shí)踐表明，天然光環(huán)境模擬可以起到很好的輔助設(shè)計(jì)作用，快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)建筑采光的性能、光環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，并能夠保證計(jì)算的正確性與精度。特別是在一些非常規(guī)的大型公建設(shè)計(jì)中，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)提供有益的參考和依據(jù)。

4 結(jié)論

天然光光環(huán)境的模擬技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)際，本文回顧了天然光光環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展歷程，并進(jìn)行了分類(lèi)，同時(shí)對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)也進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，計(jì)算機(jī)模擬將成為模擬技術(shù)的主流，其成本低、快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)使其與其它模擬手段相比更具優(yōu)勢(shì)。對(duì)于天然光光環(huán)境模擬的研究也將成為今后研究的熱點(diǎn)。另外，天然光光環(huán)境的模擬與人工照明的模擬的結(jié)合將越來(lái)越緊密，如DIALux、AGI32等傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)軟件也增加了天然采光計(jì)算的功能。

與國(guó)外相比，我國(guó)對(duì)于天然光光環(huán)境模擬的研究較少，還缺少自己的模擬軟件。因此，對(duì)于我國(guó)的科研工作者而言，結(jié)合我國(guó)的光氣候特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的天然光光環(huán)境模擬軟件是一件極為緊迫的任務(wù)。

在今后的工作中，我們還將對(duì)國(guó)外各種光環(huán)境模擬軟件的功能、計(jì)算精度等進(jìn)行深入的分析比較，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況開(kāi)展相關(guān)的調(diào)研工作，從而為設(shè)計(jì)人員和工程師提供有益的指導(dǎo)，并為開(kāi)發(fā)我國(guó)的天然光光環(huán)境模擬軟件奠定基礎(chǔ)。

［1］建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).GB/T 50033—2001.

［2］Christoph Reinhart Findings from a survey on the current use of daylight simulations in building design.

［3］Radiance技術(shù)資料.

［4］榮浩磊.應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)分析北京住宅中的天然光利用.清華大學(xué)碩士論文.

［5］章卓力.照明行業(yè)用軟件介紹.上海通用電氣公司技術(shù)中心，光源與照明，2003年，3月.

［6］Overview of daylight simulation tools.Zack Rogers.Velux 2ndDaylight symposium，March 7th.2007 Bilbao Spain.

［7］劉賓.國(guó)內(nèi)常用照明軟件比較分析.天津大學(xué)碩士論文.

［8］李德富，朱靄敏.北京市住宅設(shè)計(jì)天然光環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬探討.照明工程學(xué)報(bào)，2000年，第17卷，第03期.

［9］尤偉，吳蔚.利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)改善傳統(tǒng)窯居的天然采光.照明工程學(xué)報(bào)，2009年，第2期.

［10］王詁，羅濤，崔愷，等.玻璃幕墻有害反射光的計(jì)算機(jī)模擬，2004年，第02期.

［11］王詁，張笑.建筑日照計(jì)算的新概念.建筑學(xué)報(bào)，2001年，第02期.

［12］羅濤，林若慈，毛紅衛(wèi)，等.國(guó)家游泳中心室內(nèi)光環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究.第十屆全國(guó)建筑物理學(xué)術(shù)會(huì)議.

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