未來設(shè)計(jì)：基于Ladybug+Honeybee的參數(shù)化性能設(shè)計(jì)方法

畢曉健

劉叢紅

“參數(shù)化”一詞起源于數(shù)學(xué)，意為一組由若干參數(shù)通過顯函數(shù)表達(dá)的變量[1]。參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于算法思維的設(shè)計(jì)過程，算法思維由參數(shù)和規(guī)則協(xié)同定義，通過編碼闡明設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)響應(yīng)之間的關(guān)系[2]。從1980年代開始，對(duì)現(xiàn)實(shí)復(fù)雜性的規(guī)律性描述與數(shù)字化解讀，催生出參數(shù)化設(shè)計(jì)工具，其以簡單的數(shù)理程序表達(dá)出客觀復(fù)雜的物理現(xiàn)實(shí)[3]。伴隨著建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展變革，不斷進(jìn)化的參數(shù)化工具逐漸成為變革設(shè)計(jì)本體的主要?jiǎng)恿蛣?chuàng)新源泉[4]。

1988年，以第一款商用建模軟件Pro/Engineer為開端，參數(shù)化工具開始介入建筑設(shè)計(jì)過程；Grasshopper的問世使得參數(shù)化工具與建筑設(shè)計(jì)更加緊密地聯(lián)系起來，并成為最為普及適用的建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)工具[5]。起初，參數(shù)化工具多用于描述或搭建建筑模型，同時(shí)基于特定的建構(gòu)要求追求形體的可變性，使得設(shè)計(jì)過程具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓院妥詣?dòng)生成特性[6]。隨后，該設(shè)計(jì)工具平臺(tái)不斷擴(kuò)充功能，引入遺傳算法等啟發(fā)式搜索算法，使得參數(shù)化設(shè)計(jì)過程更加集成化與自動(dòng)化[7]。伴隨著工具技術(shù)的逐漸成熟和架構(gòu)多元化，近幾年來，參數(shù)化工具在整合模擬技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)化[8]。其在邏輯算法、形態(tài)生成和性能模擬方面的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來，通過技術(shù)手段彌補(bǔ)了常規(guī)“模擬-優(yōu)化”性能設(shè)計(jì)方法的缺陷[9]，介入到建筑設(shè)計(jì)更深層次，指導(dǎo)設(shè)計(jì)，影響結(jié)果，使得參數(shù)化工具成為真正的設(shè)計(jì)工具，為設(shè)計(jì)發(fā)展提供了創(chuàng)新的動(dòng)力[10]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)工具與模擬技術(shù)的整合，先后出現(xiàn)了兩種工具形式：第一種是端口插件，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)與模擬工具之間數(shù)據(jù)交互為主要目的。2011年，Geco最先問世，其代表了初期參數(shù)化設(shè)計(jì)工具和性能模擬工具整合的發(fā)展思路，即作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換端口，實(shí)現(xiàn)了分析與優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程。2013年出現(xiàn)了第二種工具形式，即獨(dú)立的工具系統(tǒng)。其研發(fā)思路不再是簡單地尋求和傳統(tǒng)商業(yè)模擬軟件的數(shù)據(jù)交互，而是通過程序編程與工具二次開發(fā)，在Grasshopper設(shè)計(jì)平臺(tái)上直接整合成熟的模擬工具計(jì)算內(nèi)核，形成獨(dú)立的設(shè)計(jì)操作工具系統(tǒng)。這種工具在邏輯算法、形態(tài)生成和性能模擬方面的整合度更高，可以將控制建筑形態(tài)的參數(shù)作為控制變量，基于建筑性能表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)形式生成和自動(dòng)優(yōu)化，從而推動(dòng)設(shè)計(jì)方法的革新。此類工具有基于能耗評(píng)價(jià)分析的Gerilla、Archsim和Honeybee，基于光環(huán)境模擬分析的DIVA和Ladybug，基于氣候分析的Heliotrope。相比之下，Ladybug+Honeybee工具（以下簡稱L+H工具）涵蓋了幾乎環(huán)境分析、性能模擬的所有功能，并實(shí)現(xiàn)了耦合多種性能分析的模擬算法（表1）；其作為一款集模擬分析與建筑設(shè)計(jì)為一體的綜合性參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，預(yù)示著參數(shù)化性能設(shè)計(jì)的未來前景。

基于性能模擬的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的發(fā)展與工具對(duì)比 表1

一、針對(duì)建筑師使用需求優(yōu)化的工具架構(gòu)體系

不同于常規(guī)以工程師為主導(dǎo)的工具開發(fā)模式，L+H的研發(fā)由兩位建筑師控制，他們分別是美國賓夕法尼亞大學(xué)的客座教授M.S.婁德薩利（Mostapha Sadeghipour Roudsari）和畢業(yè)于美國麻省理工學(xué)院的建筑師C.麥基（Chris Mackey），他們都具有出色的參數(shù)化編程能力、建筑性能設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和性能模擬知識(shí)背景。因此，該工具被賦予面向建筑方案設(shè)計(jì)階段的特性與優(yōu)勢，尤其適用于建筑師：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(shí)背景的建筑師快速建立起性能設(shè)計(jì)的評(píng)估流程；其對(duì)模型的兼容能力超越其他模擬工具，可以在建筑形態(tài)生成與性能模擬優(yōu)化之間建立起緊密的、自動(dòng)化的交互機(jī)制；其可基于同一建筑形態(tài)模型，同時(shí)進(jìn)行多種性能優(yōu)化計(jì)算，以綜合性的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)提供多樣化的優(yōu)選方案；該工具內(nèi)部程序支持二次開發(fā)，建筑師可以根據(jù)具體項(xiàng)目的需求，定制專屬的流程電池圖組?？梢?，不同于以往模擬工具的繁冗與復(fù)雜，該工具簡化模擬操作內(nèi)容，更加突出設(shè)計(jì)流程和形態(tài)優(yōu)化的重要性，因而有利于協(xié)助建筑師實(shí)現(xiàn)基于性能優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程開發(fā)與方法創(chuàng)新。

如圖1所示，該工具具有以兩組工具（Ladybug和Honeybee）為核心、多工具輔助的架構(gòu)體系。其中，Ladybug可對(duì)氣象資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提供交互式的信息與決策界面，可讀取氣象數(shù)據(jù)生成生物氣候圖和被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，可進(jìn)行諸如太陽輻射、陰影遮擋等環(huán)境分析，也可基于性能表現(xiàn)初步生成幾何形態(tài)。Honeybee工具整合了專業(yè)的能耗計(jì)算內(nèi)核Energy Plus和光模擬內(nèi)核Radiance，具有堅(jiān)實(shí)可靠的模擬性能，可完成能耗計(jì)算、光環(huán)境模擬和結(jié)構(gòu)熱橋分析等。如表2所示，L+H工具可以滿足建筑師在性能設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)需求。

圖1：工具架構(gòu)與功能關(guān)系

L+H工具功能 表2

二、Ladybug+Honeybee工具的實(shí)踐應(yīng)用

L+H工具的開發(fā)者在國際建筑模擬協(xié)會(huì)第十三屆大會(huì)（13thConference of International Building Performance Simulation Association）上首次公開發(fā)表關(guān)于該工具的三篇學(xué)術(shù)研究成果，分別為工具系統(tǒng)概述“Ladybug——一款輔助建筑師進(jìn)行環(huán)境友好設(shè)計(jì)的參數(shù)化Grasshopper環(huán)境插件（Ladybug: a Parametric Environmental Plugin for Grasshopper to Help Designers Create an Environmentally-Conscious Design）”[11]、基于工具應(yīng)用的概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方法“高性能辦公樓概念設(shè)計(jì)中的性能模擬和優(yōu)化方法研究（Building Simulation and Evoulutionary Optimization in the Conceptual Design of a High-Performance Office Building）”[12]以及環(huán)境分析方法“連接環(huán)境分析與建筑設(shè)計(jì)的工作流程創(chuàng)新性研究（An Innovative Workflow For Bridging the Gap Between Design And Environmental Analysis）”[13]，展示了其在性能模擬與參數(shù)化設(shè)計(jì)整合方面的巨大潛力。該工具特有的程序開源、參數(shù)化編程和設(shè)計(jì)操作界面特征，在短短的三年間，吸引大量學(xué)者和建筑師相繼在算法研究、方法創(chuàng)新和工具開發(fā)三個(gè)方面進(jìn)行學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用探索，取得了豐碩的成果，促成基于性能表現(xiàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的飛速發(fā)展。

圖2：設(shè)計(jì)初期的多目標(biāo)性能優(yōu)化算法模型

圖3：倫敦理想住區(qū)發(fā)展規(guī)劃研究模型

1.基于性能表現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化算法模型研究

L+H工具推動(dòng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法模型是以綜合性能指標(biāo)為評(píng)價(jià)方式，通過設(shè)定控制邏輯讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成復(fù)雜的計(jì)算和尋優(yōu)過程，在較短時(shí)間內(nèi)得到特定邏輯下的最優(yōu)結(jié)果[14]；這有助于實(shí)現(xiàn)建筑性能設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和精準(zhǔn)化，超越以往“模擬-優(yōu)化”的人工模式，大大減輕建筑師前期工作負(fù)擔(dān)，保證最優(yōu)性能表現(xiàn)，創(chuàng)新建筑美學(xué)，革新設(shè)計(jì)方法[15]。如下表3所示，其研究內(nèi)容在設(shè)計(jì)要素方面涵蓋建筑表皮、建筑布局、平面類型、遮陽形態(tài)、建筑體量等，在性能指標(biāo)方面涵蓋建筑能耗、室內(nèi)采光、太陽輻射等；同時(shí)還可以看出，由于L+H工具在建筑方案設(shè)計(jì)階段體現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)計(jì)初期的性能設(shè)計(jì)算法研究在近幾年呈現(xiàn)遞增趨勢，以此更好地支持建筑方案設(shè)計(jì)階段的性能優(yōu)化與形式創(chuàng)新。

其中，2015年，丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）的K.內(nèi)珍代爾（Kristoffer Negendahl）和T.R.尼爾森（Toke Rammer Nielsen），在和BIG建筑事務(wù)所及荷隆美設(shè)計(jì)咨詢公司（the consultant agency Grontmij）進(jìn)行合作設(shè)計(jì)的過程中，研發(fā)出一套用于設(shè)計(jì)初期的多目標(biāo)性能優(yōu)化算法。研究者從工具選擇、算法優(yōu)化和模型設(shè)定三方面入手，以L+H為開發(fā)基礎(chǔ)，以辦公建筑外表皮為形式變量，以建筑全年總能耗、幕墻成本、室內(nèi)采光水平和室內(nèi)熱環(huán)境水平為性能指標(biāo)，建立一個(gè)基于綜合性能評(píng)價(jià)的形式生成算法模型。在達(dá)到一定精準(zhǔn)度和有效性的基礎(chǔ)上，該算法滿足本國節(jié)能設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，并具有出色的性能計(jì)算速度，可以將方案階段的評(píng)價(jià)周期最小化，以此支持建筑設(shè)計(jì)的前期決策。如下圖2所示。

KPF公司利用L+H工具，逐步建立起一套較為成熟的參數(shù)化性能設(shè)計(jì)生成模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋城市、街區(qū)和單體等不同尺度的設(shè)計(jì)模型，可以基于性能評(píng)價(jià)生成合理的城市、街區(qū)和建筑方案[27]。如在倫敦理想住區(qū)發(fā)展規(guī)劃研究中，圍繞Ladybug工具，KPF開發(fā)出一套新型的城市發(fā)展設(shè)計(jì)模型。該模型以高容積率、舒適的住宅和公共空間自然光照水平為優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，以街區(qū)單元為分析模塊，經(jīng)過一系列大量的性能算例研究與對(duì)比，自動(dòng)生成性能最優(yōu)的住區(qū)規(guī)劃方案[28]，如圖3所示。

2.融合參數(shù)化邏輯的建筑設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新

L+H工具涵蓋全面的性能模擬技術(shù)，與此同時(shí)，其突破了常規(guī)“模擬-優(yōu)化”模式的技術(shù)瓶頸，各項(xiàng)模擬之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫交互與重組。同時(shí)，不同于常規(guī)性能設(shè)計(jì)工具封閉的程序系統(tǒng)，L+H工具擁有良好的開發(fā)環(huán)境和編程語言，可以基于功能整合進(jìn)行算法工具的二次開發(fā)[29]。因此，建筑師可以基于特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，制定獨(dú)特的性能評(píng)價(jià)方式和形式邏輯算法，開發(fā)工具套件，通過設(shè)計(jì)研發(fā)的方式突破技術(shù)的桎梏，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新。

如L+H工具的核心開發(fā)者克里斯提出了空間舒適度的評(píng)價(jià)方式，并開發(fā)出一整套相關(guān)的參數(shù)化性能優(yōu)化工具，以此形成新的建筑設(shè)計(jì)方法。其在麻省理工學(xué)院和加州伯克利建筑環(huán)境中心（UC Berkeley Center for the Built Environment, CBE）相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[30]，整合熱舒適性評(píng)價(jià)和能耗分析兩個(gè)性能指標(biāo)，發(fā)展出基于空間舒適度評(píng)價(jià)的建筑設(shè)計(jì)方法（圖4），并在L+H的工具平臺(tái)下開發(fā)出新算法對(duì)應(yīng)的運(yùn)算器工具群。如圖5所示，克里斯應(yīng)用該方法，在兩種不同氣候區(qū)下（洛杉磯和紐約）進(jìn)行混合型住宅設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，生成完全不同的住宅空間形態(tài)和社區(qū)交往空間。該住宅可以在不采用空調(diào)的前提下滿足當(dāng)?shù)責(zé)崾孢m性需求，并形成有利于營造舒適熱環(huán)境和公共交往氛圍的特色社區(qū)空間[31]。

基于L+H進(jìn)行的多目標(biāo)優(yōu)化算法模型研究（2013-2017年）表3

3.面向性能設(shè)計(jì)的新型工具系統(tǒng)開發(fā)

L+H工具基于Grasshopper平臺(tái)開發(fā)，而Grasshopper平臺(tái)積累了數(shù)量可觀的功能插件與獨(dú)立工具，如表4所示。因此，L+H工具可與這些類別的插件和工具進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)多種不同的設(shè)計(jì)功能：如可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)初期的簡化計(jì)算和快速方案比對(duì)，也可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)深化階段的復(fù)雜運(yùn)算和多目標(biāo)優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)到數(shù)控建造，也可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等，從而覆蓋性能設(shè)計(jì)的全流程，有助于建立起系統(tǒng)的參數(shù)化性能設(shè)計(jì)工具體系。

如建筑師V.安東尼（Anthony Viola），M.S.婁德薩利和建筑師R.馬里奧（Mario Romero）依托L+H工具，研發(fā)了一套參數(shù)化性能設(shè)計(jì)的人機(jī)交互操作系統(tǒng)（圖6）。該系統(tǒng)通過硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，組建起一個(gè)觸摸式設(shè)計(jì)交互平臺(tái)（Tangible Design Interfaces）[32]。建筑師通過操控控制板，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑形體的參數(shù)化控制，如通過移動(dòng)控制板設(shè)定建筑位置，旋轉(zhuǎn)控制板設(shè)置建筑層數(shù)和扭轉(zhuǎn)角度等（圖7）。與此同時(shí)，建筑師可以從顯示界面中實(shí)時(shí)讀取建筑信息與性能參數(shù)，如層數(shù)、高度、面積、能耗值、室內(nèi)照度、室外太陽輻射等，以此為設(shè)計(jì)決策提供量化依據(jù)（圖8）。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)反饋和多性能指標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的能力，可在設(shè)計(jì)初始階段輔助建筑師展開設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)多專業(yè)協(xié)作，是L+H工具在設(shè)計(jì)操作平臺(tái)上進(jìn)行技術(shù)拓展和再開發(fā)的典型范例。

和L+H工具搭配的插件種類 表4

三、Ladybug+Honeybee工具勾勒出的建筑性能設(shè)計(jì)未來圖景

圖4：傳統(tǒng)PMV算法和Adpative Calculation算法模型對(duì)比

圖5：兩種不同氣候區(qū)下進(jìn)行混合型住宅設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

圖6：工具開發(fā)流程圖

圖7：操作過程展示

圖8：形體操控/三維顯示/數(shù)據(jù)計(jì)算

以上即為L+H工具在建筑參數(shù)化性能設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)應(yīng)用研究。其中，“基于性能表現(xiàn)的多目標(biāo)優(yōu)化算法模型研究”和“融合參數(shù)化邏輯的建筑設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新”兩個(gè)方面突出體現(xiàn)了L+H工具在設(shè)計(jì)方法研究方面的潛在技術(shù)優(yōu)勢，以及其在建筑形式創(chuàng)作中所蘊(yùn)含的巨大能量：L+H工具可以推動(dòng)“基于性能表現(xiàn)的建筑生成設(shè)計(jì)”向更加自動(dòng)化、智能化和集成化的方向發(fā)展；與此同時(shí)，L+H工具架構(gòu)起的系統(tǒng)化性能模擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與聯(lián)通，可以基于同一模型進(jìn)行多項(xiàng)性能耦合計(jì)算，這為創(chuàng)造新的性能評(píng)價(jià)方式提供了絕佳的契機(jī)，也為基于建筑性能表現(xiàn)的形式創(chuàng)新和方法變革提供了技術(shù)支撐，使得性能評(píng)價(jià)與建筑設(shè)計(jì)更加有機(jī)融合。而“面向性能設(shè)計(jì)的新型工具系統(tǒng)開發(fā)”則體現(xiàn)了該工具多元化架構(gòu)的拓展?jié)摿Γ梢試@建筑性能設(shè)計(jì)全流程，展開工具系統(tǒng)開發(fā)，這包括設(shè)計(jì)前期的虛擬交互操作系統(tǒng)、方案階段的建筑形式自動(dòng)生成系統(tǒng)、建造階段的建筑構(gòu)件數(shù)控加工系統(tǒng)等，以此更全面而深入地介入建筑性能設(shè)計(jì)的過程，以技術(shù)的力量促成未來建筑設(shè)計(jì)的流程和方法變革。

與此同時(shí)，這樣一款高性能的參數(shù)化性能設(shè)計(jì)工具，如何與我國的設(shè)計(jì)實(shí)踐有效整合，值得深思：如基于L+H工具的特點(diǎn)，提出與我國綠色、節(jié)能設(shè)計(jì)整合的模式方法，搭建適用于我國通用設(shè)計(jì)流程的建筑性能設(shè)計(jì)工具平臺(tái)；遵循國內(nèi)建筑相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，整合我國設(shè)計(jì)規(guī)范中的量化指標(biāo)，以建筑形態(tài)控制為目標(biāo)，制定適用于國內(nèi)綠色和節(jié)能評(píng)價(jià)體系的參數(shù)化設(shè)計(jì)算法；針對(duì)特定地域環(huán)境條件，利用L+H工具，探索可行的參數(shù)化性能優(yōu)化策略，根據(jù)本土文化和建筑傳統(tǒng)，探索本土化的建筑形態(tài)自動(dòng)尋優(yōu)方法，從而實(shí)現(xiàn)基于性能提升的本土建筑形式創(chuàng)新。

圖片來源

表1-表4：作者自繪

圖1：http://www.food4rhino.com/app/ladybugtools

圖2：作者根據(jù)原文（Negendahl K, Nielsen T R.Building energy optimization in the early design stages: A simplified method[J].Energy and Buildings, 2015, 105: 88-99.）翻譯并繪制

圖3：http://ui.kpf.com/london-block

圖4、圖5：作者根據(jù)原文（Rakha T.Towards comfortable and walkable cities: spatially resolved outdoor thermal comfort analysis linked to travel surveybased human activity schedules[D].Massachusetts Institute of Technology, 2015.）翻譯并繪制

圖6-圖8：作者根據(jù)原文（Anthony Viola.Tangible Design Interface Test [EB/OL].[2013-03-08].https://www.youtube.com/watch?v=cUqxE3rk8_M）翻譯并繪制