基于新國標(biāo)開發(fā)的自然采光軟件PKCG介紹

王會一 張永煒 劉 平 朱峰磊

(中國建筑科學(xué)研究院PKPM設(shè)計軟件事業(yè)部，北京 100013)

1 前言

目前，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對居住環(huán)境尤其是室內(nèi)環(huán)境(圖1)質(zhì)量的要求不斷提高，隨著1999年《物權(quán)法》的頒布實施，建筑物光環(huán)境設(shè)計中有關(guān)自然采光和日照要求的國家標(biāo)準(zhǔn)和各個地方標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)出臺，國內(nèi)光環(huán)境模擬分析如日照分析軟件近年來在建筑日照分析中迅速得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)在各個設(shè)計院普及開來，使得設(shè)計人員從建筑間距的概算中轉(zhuǎn)換到使用計算機模擬軟件的精確計算方式上來。

圖1 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量模擬

和建筑日照模擬分析相比，新的《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50033－2013)強制性標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)自2013年5月1日起實施，和2001版推薦性標(biāo)準(zhǔn)相比差別非常大，新標(biāo)準(zhǔn)作了較多的修訂和改變。例如增加了強制性的條文規(guī)定，增加了展覽建筑、交通建筑和體育建筑新的建筑類型的采光標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)面采光的采光系數(shù)最低值改為采光系數(shù)平均值，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值采用室外天然光設(shè)計照度值，側(cè)面采光增加了采光有效進(jìn)深的規(guī)定，給出了側(cè)面采光和頂部采光平均采光系數(shù)的計算方法，在采光質(zhì)量要求較高的場所，限制窗的不舒適眩光，新增“采光節(jié)能”一章并制定了采光節(jié)能計算方法等。

標(biāo)準(zhǔn)中提到了很多簡單或者常見情況下的估算和概算方法，如民用建筑可以使用窗墻比方式估算采光情況，對于典型接近情況下可以使用查表插值法計算采光系數(shù)平均值等，并給出了簡化公式計算頂部和側(cè)面采光系數(shù)平均值。但是對于一些情況比較復(fù)雜的計算，比如考慮建筑物自身遮擋如檐口遮擋、陽臺遮擋、設(shè)備遮擋，周邊遮擋建筑物情況比較復(fù)雜，采光形式比較復(fù)雜，窗的不舒適眩光指數(shù)的計算、主動采光裝置如導(dǎo)光筒、采光罩的照度計算等，目前還無法通過標(biāo)準(zhǔn)給出的公式法和查表插值法完成計算。非典型簡單情況下，尤其是大型復(fù)雜的建筑和非規(guī)則的采光形式，或需要逐點分析計算采光時必須借助于使用計算機完成相關(guān)計算。

但是國內(nèi)基于新的《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)自然采光模擬軟件還亟待開發(fā)出來，國內(nèi)綠建模擬更多的使用國外的日照分析軟件如 AGi32、Dialux、Ecotect、和 Radiance 等。這些軟件雖然功能強大，性能穩(wěn)定，但是還存在很多問題，比如不能支持國家新的《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，對國內(nèi)的常見的建筑、節(jié)能模型支持很差，無法重復(fù)利用國內(nèi)的現(xiàn)有建筑、節(jié)能模型等，用戶需要重復(fù)建模，占用大量的前期處理時間，不能夠直接輸出專業(yè)的采光模擬計算報告書等。有的國外軟件如Radiance只有多個命令行計算程序供使用人員通過計算文件方式調(diào)用，沒有友好的人機交互界面，設(shè)計人員學(xué)習(xí)掌握起來非常困難。如表1所示。

表1 國內(nèi)外自然采光軟件對比

中國建筑科學(xué)研究院PKPM設(shè)計軟件事業(yè)部是國內(nèi)最大的建筑工程類軟件開發(fā)單位，已經(jīng)成功地開發(fā)出建筑類、結(jié)構(gòu)類、設(shè)備類、節(jié)能類、施工造價和企業(yè)信息化管理類等軟件產(chǎn)品，在建筑物理環(huán)境方面，已經(jīng)開發(fā)PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件、噪聲分析軟件、節(jié)能和綠色建筑評估軟件系統(tǒng)。中國建筑科學(xué)研究院是新標(biāo)準(zhǔn)的主編單位，這次上海凱創(chuàng)建筑科技有限公司承擔(dān)了室內(nèi)自然采光軟件的開發(fā)工作任務(wù)，并取得了重大的突破和進(jìn)展，在某些方面的功能和特點，已經(jīng)在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。中國建筑科學(xué)研究院上海分院綠色建筑與生態(tài)城研究中心從2006年開始從事綠色生態(tài)領(lǐng)域研究工作。中心依托中國建筑科學(xué)研究院大量工程案例的經(jīng)驗和幾十年的技術(shù)積累，承擔(dān)了全院90%以上的綠色建筑咨詢工作，積累了大量綠色建筑模擬分析經(jīng)驗，為這次開發(fā)工作提供了很好的專業(yè)技術(shù)支持工作。

本文系統(tǒng)介紹了PKCG自然采光軟件的研發(fā)原理、功能特點和應(yīng)用前景，希望能夠為廣大建筑設(shè)計人員提供一款完全適合新的標(biāo)準(zhǔn)的自然采光設(shè)計軟件，推動國內(nèi)綠色建筑軟件事業(yè)的更好發(fā)展。

自然采光軟件的分析流程和日照分析類似，如圖2所示。本文按照參數(shù)設(shè)置、采光建模、模擬分析、達(dá)標(biāo)評價和分析報告的流程進(jìn)行介紹。

圖2 采光設(shè)計流程

2 采光前處理中的三維建模

目前綠色建筑中的相關(guān)模擬分析前處理階段，都需要建立專門的分析模型。目前國內(nèi)外各個廠商不同分析軟件之間的模型通用性并不好。如前文所述，國外軟件對于國內(nèi)某些常用的建筑和節(jié)能模型無法重復(fù)使用，需要重新建模，占用設(shè)計人員大量時間，造成整體分析效率低下。

PKCG開發(fā)設(shè)計之初，就考慮到了不同設(shè)計軟件模型兼容性問題。PKCG基于AutoCAD平臺可以直接打開DWG和3DS文件格式，除了支持自建采光分析模型外，可以直接使用PBECA(圖3)的BDL節(jié)能模型，并且和PKPM系列建筑、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等軟件無縫連接，可以導(dǎo)入PKPM系列軟件中的現(xiàn)有模型，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)建模和分析，提高整體工作效率。此外PKCG可以直接導(dǎo)入目前國內(nèi)市場使用率很高的天正建筑軟件生成的建筑圖紙，對于國外建筑模型，如Revit建筑模型也可以直接導(dǎo)入使用。對于其它三維建模軟件如犀牛等曲線建模軟件，目前支持轉(zhuǎn)換方式為3DS方式導(dǎo)入第三方建筑模型。

圖3 使用PBECA模型

和其它綠建分析模型相比，自然采光模型有自己的鮮明特點，除了和日照分析一樣，要考慮周圍建筑物的遮擋影響外，和日照、風(fēng)環(huán)境專業(yè)不同的是，采光單體分析模型相對更為復(fù)雜，對于主要的采光裝置如窗等，要根據(jù)實際尺寸形狀進(jìn)行建模，而在日照分析中，窗是簡化為矩形窗進(jìn)行分析的。日照分析的主要對象是居住建筑、幼兒園、教室、醫(yī)院和養(yǎng)老院等，一般不將工業(yè)建筑、展覽建筑、交通建筑和體育建筑等作為分析的主體，但是新的《建筑日照采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的要進(jìn)行采光分析的建筑類型為11種，分析的對象和范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于日照分析的范圍。

采光分析模型整體框架如圖4所示，采光分析的基本單位是房間，所以房間建模是采光分析的一個重要內(nèi)容，如圖5所示，采光建模要將標(biāo)準(zhǔn)要求的房間逐個建模進(jìn)行后期模擬計算。建立準(zhǔn)確的采光分析模型是前處理中的重要工作內(nèi)容，模型建立的準(zhǔn)確與否對計算結(jié)果影響很大。

圖4 采光模型

各種采光裝置的建模也是采光分析的特點，如民用建筑中的轉(zhuǎn)角窗、凸窗建模等。如工業(yè)建筑中的天窗建模和各種主動采光裝置，如采光罩、導(dǎo)光筒和反光板的建模，如圖6所示。PKCG提供了參數(shù)化建模工具，便于設(shè)計人員快速的建立采光分析專業(yè)模型。

圖5 采光房間模型

圖6 轉(zhuǎn)角窗、凸窗、天窗模型

3 采光前處理中的參數(shù)設(shè)置

除需要建立適合天然采光模擬的數(shù)字模型外，還需要設(shè)置大量的相關(guān)參數(shù)，往往很小的不同參數(shù)設(shè)定會導(dǎo)致完全不同的模擬結(jié)果。

總的來說采光前處理中的參數(shù)分為整體項目參數(shù)的設(shè)置，比如項目信息，所處地理位置和氣候分區(qū)等，比如根據(jù)光氣候分區(qū)，可以確定光氣候系數(shù)，K值和室外天然光設(shè)計照度值Es等，當(dāng)然還包括采光分析所依據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

另外一個部分就是如圖7所示，詳細(xì)設(shè)置采光裝置和反光材料的光學(xué)屬性，包括房間的功能屬性，采光等級，反光材料如墻壁、地面和頂棚的表面反射比，采光裝置的玻璃光學(xué)性能參數(shù)，如反射比、透射比，污染折減系數(shù)等。

圖7 參數(shù)設(shè)置

PKCG的編制是嚴(yán)格基于《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013新要求的，其參數(shù)取值以新標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，來源于標(biāo)準(zhǔn)提供的表格數(shù)據(jù)。例如采光材料飾面材料數(shù)據(jù)庫依照標(biāo)準(zhǔn)表格數(shù)據(jù)。

可以看到，材料的光學(xué)屬性參數(shù)設(shè)置時比較繁瑣的，例如居建的采光分析以功能房間為基本單位，所有分析房間的所有表面逐個設(shè)置工作量是非常大的，大量復(fù)雜的參數(shù)設(shè)定，這使許多設(shè)計師望而卻步。PKCG考慮到前處理中這一專業(yè)特點，在飾面材料設(shè)置中(如圖8所示)做到可以統(tǒng)一整體設(shè)置、分樓層設(shè)置，也可以按房間、墻面、構(gòu)件實際情況靈活設(shè)置。對一些細(xì)節(jié)問題，也充分考慮，比如支持房間墻面飾面材料內(nèi)外墻雙面單獨設(shè)置。

4 采光設(shè)計中的模擬計算

自然采光計算包含很多內(nèi)容，新標(biāo)準(zhǔn)中明確要求的計算包括用于達(dá)標(biāo)評價的評價采光系數(shù)值、采光質(zhì)量中的窗的不舒適眩光指數(shù)DGI的計算、頂部采光方式采光均勻度計算、采光節(jié)能、有效進(jìn)深的計算等，有時候還需要單獨進(jìn)行房間內(nèi)的亮度和照度分布，繪制偽彩色圖模擬室內(nèi)光照分布情況。還包括使用“流明法”對采光裝置如采光罩、導(dǎo)光管的模擬照度計算等。如圖9所示。

圖8 飾面材料設(shè)置

圖9 采光模擬計算內(nèi)容

采光計算新標(biāo)準(zhǔn)給出了居住建筑通過窗墻比進(jìn)行估算的方法，但是不能作為最終的判斷依據(jù)。對于一些簡單的采光形式和典型近似的采光情況，新標(biāo)準(zhǔn)給出了通過公式和圖表法進(jìn)行概算的計算方法。

但是可以看到，目前居建和公建建筑本身形式越來越復(fù)雜，周邊遮擋情況也很復(fù)雜，建筑自身遮擋情況如陽臺構(gòu)件設(shè)備的遮擋非常普遍，各種復(fù)雜情況下的采光系數(shù)等計算很難通過估算或者概算的方法就能夠進(jìn)行計算，對于標(biāo)準(zhǔn)中提到的窗的不舒適眩光指數(shù)DGI的計算、采光節(jié)能的計算、采光裝置的照度計算無法通過手工方式來完成，標(biāo)準(zhǔn)也推薦使用計算機模擬軟件進(jìn)行建模模擬計算的方法。

國外光分析模擬軟件較多，目前，比較常用的有 Tas-Daylight，Lightscape，Ecotect及 Radiance 等。但標(biāo)準(zhǔn)條文說明中多次提到Radiance軟件(圖10)，并使用該軟件進(jìn)行了采光模擬驗證工作。作為國際光學(xué)研究界所公認(rèn)的可以較準(zhǔn)確地模擬天然采光的軟件之一，Radiance是美國能源部下屬的勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)于20世紀(jì)90年代初開發(fā)一款優(yōu)秀的建筑采光和照明模擬軟件包，它采用了蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向廣線追蹤引擎。國外其它采光分析內(nèi)核多采用調(diào)用Radiance進(jìn)行模擬分析。

圖10 計算機模擬計算

PKCG以最新修訂的《建筑采光標(biāo)準(zhǔn)GB 50033－2013》標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，基于全陰天的天空模型進(jìn)行采光計算(側(cè)面采光、頂部采光)，以采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度作為采光設(shè)計的評價指標(biāo)。在全陰天的天空模型下，室內(nèi)某個位置的照度由直接看到的天空光、室外反射光和室內(nèi)反射光構(gòu)成。通過光線追蹤的計算方法可以求出室內(nèi)各個位置的照度。室內(nèi)照度除以同樣天空模型下室外水平面上的照度就是采光系數(shù)(圖11)。

PKCG首先支持《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》公式法計算頂部采光和側(cè)面采光的采光系數(shù)平均值，填補了目前國外軟件無法按標(biāo)準(zhǔn)計算的空白。對于大型復(fù)雜的建筑和非規(guī)則的采光形式，或需要逐點分析計算采光時，支持調(diào)用通用的Radiance內(nèi)核進(jìn)行計算，同時還可以作采光節(jié)能分析和計算光污染。

和日照分析一樣，PKCG國標(biāo)法和Radiance計算中都支持考慮室外周邊建筑物遮擋的影響。

采光計算結(jié)果可以通過對話框、表格等形式表現(xiàn)，可以直接繪制在圖形上，并可以自動插入到最終的結(jié)果報告書中。

圖11 采光系數(shù)分析偽彩色圖

和其它軟件不同的是PKCG會根據(jù)分析判斷結(jié)論(圖12)，給出專家優(yōu)化建議，對輔助設(shè)計人員改善整體采光效果幫助很大，專家輔助系統(tǒng)會根據(jù)軟件研發(fā)逐步完善。

圖12 房間達(dá)標(biāo)情況表格

如圖所示，PKCG會將采光分析結(jié)果如采光系數(shù)分布圖(圖13)標(biāo)注繪制到DWG模型圖形上，除了觀察瀏覽外，設(shè)計人員可以直接打印輸出，或者插入到模擬計算報告書中。

圖13 采光系數(shù)分布圖

5 采光設(shè)計中的主動優(yōu)化

采光罩、導(dǎo)光筒采光系統(tǒng)是一種新型的屋頂采光技術(shù)系統(tǒng)。光導(dǎo)管照明系統(tǒng)將光源發(fā)出的光從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方，進(jìn)行重新分配，以達(dá)到一定的照明效果。光導(dǎo)管系統(tǒng)引入的是自然光，不需要消耗非可再生資源，同時減小了由常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，能夠節(jié)約建筑用電，對節(jié)能有著重要意義。

目前國內(nèi)外采光軟件沒有考慮主動采光裝置的影響，很多情況下，對于一些大跨度大進(jìn)深的房間，地下車庫等，采光系數(shù)很難達(dá)標(biāo)，往往需要布置主動采光裝置。PKCG率先支持主動采光裝置如導(dǎo)光管系統(tǒng)、采光罩基于“流明法”計算原理的模擬計算，解決了這一難題。

如圖14所示為頂層布置了采光罩之后的三維模擬效果。

圖14 采光罩布置三維模擬

如圖15所示為布置采光罩后的頂層計算結(jié)果，可以看到，布置采光罩后進(jìn)深內(nèi)部的采光情況得到了很大的改善。

圖15 采光系數(shù)分布為彩色圖

6 采光設(shè)計中的后處理

綠色建筑中的模擬分析，初具專業(yè)的模擬分析報告書是模擬分析中最重要的輸出評審依據(jù)。計算結(jié)果的輸出，尤其是報告書的輸出，很大程度上也體現(xiàn)了模擬分析的專業(yè)水平。圖16是幾個綠建模擬分析中的報告書內(nèi)容。

PKCG可以根據(jù)不同建筑類型專門定制專業(yè)報告書出具分析報告書，同時區(qū)分國標(biāo)公式法和Radiance逐點計算法出具最終的采光分析報告書(圖17)。

報告書中包含很多內(nèi)容，如項目信息，分析原理，分析模型圖片和達(dá)標(biāo)情況表格等，對于Radiance逐點計算法出具的報告書，還會給出照度分布、采光系數(shù)分布彩圖等，最后給出整體項目分析是否達(dá)標(biāo)的結(jié)論。

圖16 綠色建筑模擬報告書

圖17 采光計算報告書

如果后續(xù)還要進(jìn)行其它專業(yè)的分析，比如日照模擬分析，可以導(dǎo)入到其它專業(yè)分析軟件如PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件進(jìn)行分析，對于一些更為高級的分析應(yīng)用，如自然采光真實模擬渲染、采光動畫，日照遮蔽等分析應(yīng)用，還可以導(dǎo)入到其它國外分析軟件如Tas-Daylight進(jìn)行后續(xù)分析，生成可視化的采光模擬圖片和陽光穿射動畫等，如圖18所示。

7 總結(jié)與展望

本文概括的總結(jié)介紹PKCG自然采光分析軟件的相關(guān)原理、計算方法和功能特點，并且對自然采光分析中遇到的一些難點問題介紹了一些相關(guān)解決方法。

可以看到，除了建筑節(jié)能分析、室外建筑日照計算外，建筑室內(nèi)自然采光、噪聲模擬、風(fēng)環(huán)境模擬和熱環(huán)境模擬等專業(yè)還處在起步的階段，某些模擬如風(fēng)環(huán)境模擬由于缺乏相關(guān)的強制性標(biāo)準(zhǔn)要求、或者缺乏可以配套使用的適合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并通過建設(shè)部驗收的模擬軟件，這些模擬應(yīng)用在國內(nèi)的設(shè)計院中普及度并不夠，即使在綠色建筑專業(yè)模擬團(tuán)隊中用到的也多為國外模擬分析軟件。

圖18 可視化采光模擬

但我們相信，隨著國家強制性標(biāo)準(zhǔn)的出臺，相關(guān)模擬軟件的不斷研發(fā)和完善，不斷豐富和完善分析功能和使用細(xì)節(jié)，結(jié)合目前國內(nèi)綠色建筑的發(fā)展，相信室內(nèi)自然采光分析作為綠色建筑的一員，將會大大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，并向太陽能相關(guān)應(yīng)用、遮陽設(shè)計等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域不斷發(fā)展。

［1］三維日照分析軟件SUNLIGHT用戶手冊．中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部

［2］建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)．GB 50033—2013

［3］建筑設(shè)計資料集．北京:中國建筑工業(yè)出版社

［4］姜立．建筑日照分析原理與計算方法的研究［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):63-69．

［5］云朋．建筑光環(huán)境模擬．中國建筑工業(yè)出版社．2010．7．1

［6］北京照明學(xué)會照明設(shè)計專業(yè)委員會編．照明設(shè)計手冊(第二版)中國電力出版社．2006．12．1

［7］Greg Ward．Lawrence Berkeley Laboratory．RADIANCETutorial

［8］The RADIANCE 4．1 Synthetic Imaging System．http://radsite．lbl．gov/radiance

［9］Mike Kroelinger．DAYLIGHTING CALCULATIONS．ABS 731 Spring 2006

［10］Dr．R．Compagnon．RADIANCE:a simulation tool for daylighting systems

［11］IESNA Lighting Handbook．9thEdition 2000