基于SketchUp建筑性能模擬軟件的介紹與展望

高瑩

摘 要方案設(shè)計(jì)階段的建筑性能模擬是實(shí)現(xiàn)建筑低能耗目標(biāo)的關(guān)鍵階段，基于SketchUp的建筑性能模擬插件的應(yīng)用為建筑師提供了進(jìn)行建筑性能分析的可能性。實(shí)際應(yīng)用中由于性能插件信息的專業(yè)性和復(fù)雜性，其在方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用并不普遍。通過比較目前基于SketchUp平臺的常用建筑性能模擬軟件的應(yīng)用特點(diǎn)，來探討適應(yīng)方案設(shè)計(jì)階段的性能模擬軟件開發(fā)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞SketchUp 性能模擬軟件 插件 方案設(shè)計(jì)階段

0 引言

建筑性能模擬軟件是預(yù)測建筑性能和設(shè)計(jì)方案優(yōu)化比較有用的工具，然而大多數(shù)性能模擬都在設(shè)計(jì)的中后期進(jìn)行。雖然設(shè)計(jì)過程中綠色技術(shù)工程師介入越來越早，但在早期方案設(shè)計(jì)階段，由于能耗模擬的專業(yè)性和復(fù)雜性，建筑師很難較好地運(yùn)用能耗模擬工具輔助設(shè)計(jì)，模擬工具并未在設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段發(fā)揮作用。[1]隨著可持續(xù)綠色建筑議題的不斷深化，建筑師也在設(shè)計(jì)過程中逐漸注重建筑能耗，特別是在方案設(shè)計(jì)階段，建筑的形體、空間和表皮都對最終的建筑性能和舒適度水平有很大的影響。建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)不能靠感覺來實(shí)現(xiàn)，與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用相比，建筑師對于建筑能耗模擬軟件的應(yīng)用還非常有限（此類軟件多為具有相關(guān)專業(yè)知識的工程師所用）?；谶@種情況，許多研究者正試圖將建筑能耗模擬工具的使用更貼近建筑師，理想的目標(biāo)是讓建筑師利用建筑能耗模擬，從項(xiàng)目的最初階段就開始指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。

1 性能模擬軟件的發(fā)展現(xiàn)狀

迄今各國都已意識到性能模擬分析的重要性。從20世紀(jì)60年代到今天，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完善和能耗動態(tài)模擬分析計(jì)算方法的日趨成熟，很多國家都根據(jù)自己的特點(diǎn)及要求研發(fā)了建筑能耗計(jì)算程序，可以便捷地對建筑物進(jìn)行全年動態(tài)模擬。美國是開展建筑節(jié)能研究最早的國家之一，與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的軟件多達(dá)120余種。[2]

一直以來，建筑的物理性能模擬始終是被建筑師有意無意忽視的設(shè)計(jì)步驟，由于在設(shè)計(jì)過程中沒能對建筑內(nèi)外的光環(huán)境、熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境等影響建筑空間使用性的重要因素做精確的物理性能模擬，以致于很大一部分看來美侖美奐的建筑只是徒具造形和空間的外殼。即使在設(shè)計(jì)過程中遵循了分散在多個(gè)規(guī)范里跟能效相關(guān)的條文和所謂的經(jīng)驗(yàn)，建筑師在完成設(shè)計(jì)的階段仍無法確定設(shè)計(jì)出的建筑是否能滿足使用者的舒適性要求和節(jié)能減排的需求。對于現(xiàn)今廣受關(guān)注的BIM，建筑物理性能模擬也是其中重要的環(huán)節(jié)，性能模擬的定量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)該嵌附在模型上作為深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件。

2 SketchUp的發(fā)展與應(yīng)用

SketchUp是以簡單直觀操作界面著稱的3D設(shè)計(jì)軟件，是直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過程的設(shè)計(jì)工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)師的思想且基本能夠滿足與客戶即時(shí)交流的需要。SketchUp已經(jīng)是建筑師在方案設(shè)計(jì)階段，乃至深化設(shè)計(jì)階段主要應(yīng)用的輔助設(shè)計(jì)軟件。它最突出的特點(diǎn)是具有易于使用的圖形用戶界面，可以利用其完成建筑三維體量推敲、渲染、日照分析等，通過輸入經(jīng)度、緯度、日期、時(shí)間等信息，還可以進(jìn)行跟蹤研究項(xiàng)目，其中遮蔽功能對被動式太陽能建筑的設(shè)計(jì)也大有幫助[1]；另一大特點(diǎn)是開放性，基于這一平臺為二次開發(fā)提供開放接口，通過個(gè)性化插件的開發(fā)，使得其應(yīng)用更廣，操作方式更多樣。SketchUp包含了一個(gè)Ruby開發(fā)程序接口，可以通過SketchUp Ruby API來進(jìn)一步完善功能，增強(qiáng)軟件應(yīng)用的創(chuàng)造性、應(yīng)用性和實(shí)用性，以提高工作效率。[3]

3 基于SketchUp平臺的建筑能耗模擬軟件

隨著SketchUp在建筑行業(yè)的普及，其應(yīng)用深度早就超越了最初軟件開發(fā)者所設(shè)定的用途，現(xiàn)今把SketchUp從概念設(shè)計(jì)一直沿用到建筑細(xì)部設(shè)計(jì)的建筑師也大有人在，其他建筑物理性能模擬軟件，如TRNSYS、EnergyPlus、IES（VE）等，也相繼開發(fā)出用于SketchUp的界面插件，讓建筑模型能夠?qū)脒@些模擬軟件，為運(yùn)用SketchUp的建筑師打開了一條通往建筑物理性能模擬的快速通道。

3.1 IES（VE）Plug-in for SketchUp

IES是為建筑師、工程師、規(guī)劃師以及設(shè)備運(yùn)行經(jīng)理所提供的一個(gè)獨(dú)特、集成化的建筑性能分析軟件。其可以在一個(gè)相同的界面下建立統(tǒng)一的建筑物理模型，用于各種性能的分析。能夠不用像原來那樣，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)性能的分析而需要反復(fù)輸入數(shù)據(jù)，可以把設(shè)計(jì)分析的時(shí)間減到最少。

IES的SketchUp插件可以和VE的三個(gè)層次的工具箱聯(lián)系（圖1）。1）VE-ware：可以進(jìn)行簡單的分析；2）VE-Toolkit：可以對負(fù)荷、二氧化碳排放進(jìn)行計(jì)算；3）整合分析工具：具有強(qiáng)大的建模及分析模擬能力（圖1）。這個(gè)插件的意義在于，使用SketchUp的建筑師可以通過簡單的操作對建筑的能耗等進(jìn)行分析，在概念設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)ㄖ哪芎那闆r進(jìn)行概算，為后面的詳細(xì)設(shè)計(jì)指明方向。鑒于SketchUp使用的廣泛性以及其免費(fèi)特點(diǎn)，SketchUp插件遠(yuǎn)比VE針對Revit的插件重要，它也為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)更加強(qiáng)大和便捷的分析手段（圖2）。

3.2 Legacy OpenStudio Plug-in for SketchUp

EnergyPlus是美國能源部下屬的勞倫斯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的建筑熱環(huán)境性能模擬軟件，在國外相當(dāng)普及，它原來是在文字界面下運(yùn)行的，對于習(xí)慣使用圖形界面的建筑師來說，沒有圖形的模型輸入界面非常不便。2008年EnergyPlus的官方網(wǎng)站上出現(xiàn)了第一個(gè)給SketchUp銜接EnergyPlus的插件，不到一年的時(shí)間又發(fā)行了OpenStudio插件跟SketchUp無縫銜接，讓使用者能在SketchUp里面直接操作EnergyPlus（圖3）。[4]基于EnergyPlus引擎，其運(yùn)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。而且OpenStudio插件易于建筑師運(yùn)用，也可很便捷地將建筑模型轉(zhuǎn)入詳細(xì)模擬階段。但這一插件也有諸多局限性，使用者必須通過運(yùn)行OS的結(jié)果查看器才能得到模擬的輸出數(shù)據(jù)。結(jié)果查看器是一個(gè)有不同輸出格式的統(tǒng)計(jì)工具，每次運(yùn)行結(jié)果很難被直觀運(yùn)用來作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的比較和判斷。此外，此插件暖通空調(diào)的數(shù)據(jù)資料也非常有限。

3.3 Virvil SketchUp-HTB2

HTB2軟件是由英國卡迪夫大學(xué)威爾士建筑學(xué)院自主研發(fā)的全能耗模擬軟件，主要用于建筑熱工性能的動態(tài)模擬。VirVil SketchUp-HTB2是在常用設(shè)計(jì)輔助軟件SketchUp平臺上的動態(tài)能耗模擬插件，在設(shè)計(jì)概念階段就可進(jìn)行直觀的能耗預(yù)測和分析，反饋分析結(jié)果并調(diào)整優(yōu)化方案。VirVil SketchUp-HTB2以建筑師常用的設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)，有效解決了以往建筑設(shè)計(jì)和能效分析脫節(jié)的問題，在建筑師熟悉的操作界面上使能效分析貫穿于設(shè)計(jì)的始終，使低碳設(shè)計(jì)變得更易于操作。需要注意的是，HTB2與SketchUp的對接（即VirVil Plugin），目前仍停留在規(guī)劃尺度（圖4），即建筑被處理為單一分區(qū)的簡單幾何形體，無法基于SketchUp模型模擬建筑不同分區(qū)的使用能耗。因此，建筑尺度的能耗模擬仍需使用HTB2本身軟件進(jìn)行建模。鑒于此，VirVil Plugin的開發(fā)團(tuán)體正考慮開發(fā)分區(qū)工具以提供水平和豎向分區(qū)功能，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑分區(qū)的能耗模擬。另外，VirVil Plugin將集成建筑材料的隱含能耗及碳排放的模擬計(jì)算，全面地評價(jià)建筑的整體性能。[5]

3.4 Sefaira for SketchUp

Sefaira是領(lǐng)先的高性能建筑設(shè)計(jì)軟件之一，已形成了集成設(shè)計(jì)的理念。作為基于SketchUp的綠色節(jié)能分析軟件，它的突破在于作為基于云計(jì)算的軟件，能夠提供實(shí)時(shí)節(jié)能分析平臺，更便捷高效地進(jìn)行建筑性能分析，并將能耗結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性分析緊密結(jié)合，生成詳細(xì)完美的分析報(bào)表，簡單易用（圖5）。它還能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時(shí)的建筑節(jié)能及采光分析，建筑師可以在設(shè)計(jì)過程中隨時(shí)獲得分析結(jié)果，便于設(shè)計(jì)決策，避免浪費(fèi)，使最終設(shè)計(jì)出的建筑能耗更低、效能更高。不過，Sefaira是一種黑箱工具，這意味著我們并不知道所有模擬和分析的運(yùn)算方法和過程，這可能會給新手帶來一些特別的風(fēng)險(xiǎn)。

4 適應(yīng)方案設(shè)計(jì)階段能耗模擬軟件的發(fā)展趨勢

盡管方案設(shè)計(jì)對于建筑節(jié)能效果有著舉足輕重的作用，但由于該階段缺乏建筑本身的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，只有建筑師初步構(gòu)思的建筑大致風(fēng)格、外形和布局，無法進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的建筑能耗模擬。但此階段的性能模擬任務(wù)是為建筑師提供參考意見，即何種建筑外形和布局能夠使得最后的成品避免落入高能耗的陷阱。不同的窗墻比、各朝向窗、墻以及屋面熱工性能、密閉還是通風(fēng)等幾十個(gè)參數(shù)對不同外形、某種功能的建筑產(chǎn)生何種影響，而這種影響只需在定性上是正確的，在定量上允許有一定的誤差。實(shí)際上，就是要針對建筑師提出的每一種設(shè)計(jì)構(gòu)思都給出一套優(yōu)化的參數(shù)配置，并計(jì)算出在這種優(yōu)化配置之下的最小建筑能耗。建筑師可以通過比較不同設(shè)計(jì)構(gòu)思方案可能發(fā)生的建筑能耗，綜合考慮建筑使用的功能性和美觀性，擇優(yōu)確定出優(yōu)化的建筑方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)設(shè)計(jì)。[6]

綜合上述軟件應(yīng)用插件的特點(diǎn)和方案設(shè)計(jì)階段建筑師的設(shè)計(jì)方式，符合建筑師思維的性能插件開發(fā)應(yīng)體現(xiàn)出以下特色。

4.1簡易性信息輸入

模擬軟件都需要建立詳細(xì)的輸入模型，這是與方案階段的特點(diǎn)相違背的。在建筑設(shè)計(jì)早期階段可以獲得的建筑設(shè)計(jì)信息極其有限，設(shè)計(jì)參數(shù)尚未完全確定，更不可能有系統(tǒng)的詳細(xì)描述。建筑的進(jìn)深、朝向、門窗等因素都會影響建筑的采光、室溫、自然通風(fēng)等物理環(huán)境，進(jìn)而影響照明、采暖與空調(diào)負(fù)荷等。SketchUp與BIM涉及的應(yīng)用軟件的差別就在于它可以進(jìn)行快速建模而不需要包含復(fù)雜信息。否則就會和Revit采用類似的操作方式，建模速度和應(yīng)用效率也將大打折扣。這階段的節(jié)能分析需要一個(gè)簡單的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法，必須運(yùn)算快速、易操作，同時(shí)還要適應(yīng)方案階段信息量不全的特點(diǎn)。[7]

4.2高效化過程運(yùn)算

建筑性能模擬對計(jì)算機(jī)的運(yùn)算要求較高，目前單機(jī)的運(yùn)算能力常成為應(yīng)用的瓶頸，性能模擬運(yùn)算時(shí)間隨著模型復(fù)雜度和計(jì)算精確度的增加也越來越長，快速、準(zhǔn)確的高效過程運(yùn)算能力成為發(fā)展目標(biāo)。并行計(jì)算技術(shù)是解決高性能運(yùn)算的一種技術(shù)手段，可以將一個(gè)計(jì)算內(nèi)容交付給多臺計(jì)算機(jī)，通過并行計(jì)算技術(shù)將原來在單機(jī)上要完成任務(wù)的時(shí)間縮短，從而實(shí)現(xiàn)效率的提高，以達(dá)到高性能計(jì)算的目的。云計(jì)算就是基于這一技術(shù)，并借助網(wǎng)絡(luò)使用戶享受高性能的計(jì)算資源和軟件資源，通過強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)時(shí)顯示運(yùn)算結(jié)果和性能信息，大大提高應(yīng)用效率，也為建筑設(shè)計(jì)和性能計(jì)算的交互設(shè)計(jì)方法奠定了基礎(chǔ)。

4.3圖像化結(jié)果呈現(xiàn)

以往軟件插件的輸出結(jié)果常不能很好地適應(yīng)建筑師的使用習(xí)慣，結(jié)果的反饋通常是由外部程序提供，極大降低了設(shè)計(jì)過程的流暢性。而且，由于這種較為專業(yè)的結(jié)果呈現(xiàn)方式與設(shè)計(jì)缺乏有效關(guān)聯(lián)，建筑師很難發(fā)現(xiàn)建筑性能對設(shè)計(jì)的影響。因此，建筑性能實(shí)時(shí)結(jié)果的圖像化呈現(xiàn)是設(shè)計(jì)過程決策的解決方法。圖像化結(jié)果可以將輸出的數(shù)據(jù)以二維或三維圖示的直觀方式呈現(xiàn)，方便建筑師對建筑能耗與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的理解。

4.4兼容性軟件互連

現(xiàn)階段，SketchUp的各種性能插件所體現(xiàn)出的兼容性差異很大，有些已體現(xiàn)出與BIM的有效兼容，但大多數(shù)軟件則無法實(shí)現(xiàn)。建筑師更愿意在一種模型界面或圖形文件下完成設(shè)計(jì)的全過程，不同軟件的兼容過渡將使前期的節(jié)能設(shè)計(jì)與后期的節(jié)能優(yōu)化很好地結(jié)合，增強(qiáng)性能考慮的連貫性和操作上的流暢性，這些都對于實(shí)現(xiàn)建筑性能目標(biāo)至關(guān)重要。

5 結(jié)語

SketchUp目前是基于設(shè)計(jì)初期的應(yīng)用軟件，但是由于現(xiàn)有的軟件無法達(dá)到建筑設(shè)計(jì)階段全過程的良好應(yīng)用體驗(yàn)，所以建筑師通常會在初始方案階段，甚至設(shè)計(jì)的大部分階段都應(yīng)用相對較易操作的SketchUp來完成建模及細(xì)部呈現(xiàn)。但隨著設(shè)計(jì)的深入，模型的復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)信息的不斷增多，此軟件所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)處理方面的弱勢越來越明顯，建筑師出于應(yīng)用便捷性和一致性的考慮，更愿意基于一個(gè)軟件平臺來操作，因此針對建筑性能化的全過程輔助設(shè)計(jì)工具的需求更顯重要，在呼喚界面簡潔、數(shù)圖關(guān)聯(lián)、便捷高效、開放兼容的具有良好體驗(yàn)的輔助設(shè)計(jì)軟件的同時(shí)，只有建筑師自身的節(jié)能意識和執(zhí)行力與相應(yīng)的節(jié)能應(yīng)用工具達(dá)到一致，才能真正將節(jié)能思想融入到建筑設(shè)計(jì)的每個(gè)細(xì)節(jié)中。

圖片來源

文中圖片均來自網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

[1] P.G. Ellis，P.A. Torcellini，D.B. Crawley. Energy Design Plugin. An EnergyPlus Plugin for SketchUp[J]. Simbuild，2008.

[2] 馮晶琛，丁云飛，吳會軍. EnergyPlus能耗模擬軟件及其應(yīng)用工具[J]. 建筑節(jié)能，2012（1）：64-67.

[3] 潘珩. 基于Ruby API的SketchUp快速建模插件的應(yīng)用研究[J]. 輕工科技，2012（12）：59-60.

[4] http：//www.SketchUpbbs.com/thread-22563-1-1.html

[5] 李曉俊. 基于能耗模擬的建筑節(jié)能整合設(shè)計(jì)方法研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2013.

[6] 朱穎心，燕達(dá). “十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題——建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法與模擬分析軟件開發(fā)[J]. 建設(shè)科技，2011（16）：40-47.

[7] 余瓊. 方案階段建筑節(jié)能參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2011.