綠色建筑光環(huán)境模擬軟件的選擇探討

史麗莎 陳思源

摘要：本文通過介紹目前主流的建筑光環(huán)境模擬軟件Radiance、Ecotect和Sunshine，并從普及性、用戶界面、功能性、數(shù)據(jù)兼容性四個(gè)因素分析比較各軟件的特點(diǎn)及適用范圍，最后推薦Ecotect作為綠色建筑設(shè)計(jì)過程的光環(huán)境模擬軟件。

關(guān)鍵詞：綠色建筑；光環(huán)境；模擬軟件

引言

建筑光環(huán)境的廣義內(nèi)涵是指由光的照度標(biāo)準(zhǔn)、照明形式、顏色色度及質(zhì)量形式建立的同房間形式相關(guān)聯(lián)的生理和心理環(huán)境。良好適宜的建筑光環(huán)境是建筑人員正常工作、學(xué)習(xí)和生活的必要條件，從20世紀(jì)80年代，歐美發(fā)達(dá)國家的研發(fā)機(jī)構(gòu)開始致力于研究開發(fā)建筑光環(huán)境模擬軟件，至今對建筑光環(huán)境領(lǐng)域的研究已有超過30年的經(jīng)驗(yàn)歷史了。如今，國內(nèi)大行其道的綠色建筑倡導(dǎo)建筑舒適性和健康性的理念[1-2]，建筑光環(huán)境的優(yōu)化必然是綠色建筑設(shè)計(jì)階段的重要任務(wù)之一，因此，在綠色建筑設(shè)計(jì)過程中，通過對建筑光環(huán)境進(jìn)行模擬評測，預(yù)測其實(shí)際效果來為設(shè)計(jì)工作提供決策依據(jù)有著十分重要的意義。

如今在發(fā)達(dá)國家，建筑光環(huán)境模擬技術(shù)己廣泛用于綠色建筑設(shè)計(jì)之中，經(jīng)過實(shí)際工程的實(shí)踐檢驗(yàn)，一批功能優(yōu)秀的建筑光環(huán)境模擬軟件脫穎而出，如Radiance、 Ecotect等軟件。雖然這些建筑光環(huán)境模擬軟件都是以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和手冊作為參照編制開發(fā)，都具備對復(fù)雜的建筑光環(huán)境進(jìn)行高精度的模擬計(jì)算評測的能力，但是它們?nèi)匀辉趦?yōu)勢功能上有著很大的不同。不同公司開發(fā)的建筑光環(huán)境模擬軟件在日照模擬、陰影分析、照明計(jì)算和渲染光影效果等方面的能力參差不齊。本文將對目前國內(nèi)比較主流的幾款建筑光環(huán)境模擬軟件進(jìn)行對比分析，然后為綠色建筑技術(shù)的BIM模擬分析確定一款具有代表性的建筑光環(huán)境模擬軟件。

1 光環(huán)境模擬軟件概述

1.1Radiance：Radiance軟件是由LBNL、太平洋電氣公司以及加州能源效率研究中心合作研究開發(fā)的建筑光環(huán)境模擬軟件，軟件內(nèi)置了50多個(gè)功能工具程序，可以對天然采光及人工照明條件下的室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行模擬預(yù)測，其模擬計(jì)算的高準(zhǔn)確性為國際光學(xué)研究界所公認(rèn)。

Radiance軟件的模型建立過程是典型的BIM三維模型，建模過程中，所有燈具信息參數(shù)及材料性能參數(shù)都會(huì)作為非幾何信息添入三維模型之中。其后Radiance會(huì)讀取模型的所有的幾何及非幾何信息，并編譯成用于光線追蹤分析的Octree文件。為了在合理的工作時(shí)間內(nèi)得到足夠的模擬計(jì)算精度，Radiance光模擬軟件使用了反向光線追蹤算法和隨機(jī)蒙特卡洛采樣作為其核心算法，并將窗戶和天窗等構(gòu)件當(dāng)作二次光源，如此Radiance模擬計(jì)算過程還能分析計(jì)算間接光學(xué)構(gòu)件對室內(nèi)光環(huán)境的影響。

由于最初版本的Radiance是基于Unix系統(tǒng)研發(fā)的，并沒有友好型的用戶交互界面，其復(fù)雜專業(yè)的光環(huán)境模擬計(jì)算方法讓設(shè)計(jì)人員很難學(xué)習(xí)掌握。隨后LBNL在原軟件內(nèi)核基礎(chǔ)上開發(fā)了Windows系統(tǒng)下的Desktop Radiance，對原Radiance復(fù)雜的專業(yè)性操作進(jìn)行了很大程度簡化，并將Radiance系統(tǒng)嵌套在AutoCAD的用戶界面上。

1.2 Ecotect：Ecotect最初是由英國Square One 研究公司開發(fā)的一款全面的綠色建筑性能模擬輔助設(shè)計(jì)軟件，2008年，Ecotect被Autodesk公司收購，其后一直致力于改進(jìn)原有的建模方式和優(yōu)化可視化性能。Ecotect作為一款功能全面的模擬軟件可以對綠色建筑設(shè)計(jì)過程的能耗、光環(huán)境和聲環(huán)境等多方面性能進(jìn)行模擬評測，但實(shí)際該軟件尤其擅長于室內(nèi)光環(huán)境的模擬，它的其他功能相對于市面同類軟件相對較弱，因此本文將Ecotect歸入建筑光環(huán)境模擬軟件之列。

Ecotect的分析方法是一種交互式即時(shí)性的分析，建模開始時(shí)甚至只有一個(gè)簡單的模型時(shí)，Ecotect軟件都會(huì)輸出可視化的數(shù)字分析結(jié)果，然后隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，比如在模型中加入一扇窗的參數(shù)，就立刻能在分析結(jié)果中看到該操作所引發(fā)的房間室內(nèi)光環(huán)境的變化，長此以往，分析結(jié)果會(huì)隨著設(shè)計(jì)的深入而越來越詳細(xì)完善。Ecotect內(nèi)置強(qiáng)大的三維建模工具，能快速高效地建立直觀可視化的三維模型，除此之外，Ecotect還支持直接導(dǎo)入DXF和3DS格式文件，因此Ecotect可以與Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多種建筑設(shè)計(jì)軟件共享其二維或三維模型，大大縮短Ecotect建筑光環(huán)境模擬的建模工作時(shí)間。Ecotect軟件的模擬精度等級相對于更專業(yè)的物理光學(xué)模擬軟件Radiance相較略低，但是Ecotect源代碼開放提供了豐富的底層數(shù)據(jù)接口，在綠色建筑工程設(shè)計(jì)需要高精度光環(huán)境模擬時(shí)，Ecotect可以將模型數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Radiance或Daysim軟件之中進(jìn)行分析報(bào)告的精度補(bǔ)充，見圖1.1。

1.3 Sunshine：Sunshine光環(huán)境模擬軟件是由清華大學(xué)建筑學(xué)院研發(fā)的建筑光環(huán)境模擬軟件，該軟件實(shí)質(zhì)是嵌套在AutoCAD的用戶界面上的一個(gè)插件式模塊。

Sunshine軟件擅長于建筑日照分析模擬，其內(nèi)置了多種建模方法和日照模擬算法，包括天空圖法、日照等時(shí)線法、日照圓錐面法、陽光通道法和返回光線法。Sunshine軟件采用了解析法及優(yōu)化方法對模型進(jìn)行計(jì)算求解，因此統(tǒng)一具備日照模擬分析的高速和高精度。軟件內(nèi)置了日照約束下的容積極限模擬計(jì)算模塊，該模塊采用遺傳算法，可對周邊有日照約束條件下的地塊極限容積體進(jìn)行優(yōu)化求解。此外，Sunshine軟件還內(nèi)置了玻璃幕墻一次反射光模擬計(jì)算模塊，可針對玻璃幕墻有害光反射對建筑環(huán)境的影響進(jìn)行模擬評測。

2 光環(huán)境模擬軟件對比分析

2.1普及性分析：Radiance及其類似的基于實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的光環(huán)境模擬軟件由于其復(fù)雜性和專業(yè)性，要讓非光物理專業(yè)的設(shè)計(jì)人員熟練掌握有一定的難度，這類建筑光模擬軟件只適合國內(nèi)大型設(shè)計(jì)單位所能涉及的超級大型復(fù)雜綠色建筑工程項(xiàng)目。Sunshine作為只能分析建筑日照的光環(huán)境模擬軟件在功能上有很大的局限性。而號稱“綠色建筑生態(tài)模擬大師”的Ecotect，則以其適合的精度及簡單快速的分析能力廣泛的應(yīng)用于國內(nèi)各大中小型設(shè)計(jì)企業(yè)單位之中。

2.2用戶界面分析：Radiance是一款基于Unix系統(tǒng)而開發(fā)的光環(huán)境模擬軟件，其根本就沒有用戶交互界面，其后的Windows系統(tǒng)下的Desktop Radiance也只是將原內(nèi)核嵌套在二次開發(fā)后的AutoCAD的用戶界面之上。Sunshine則本身是以一個(gè)插件模塊的姿態(tài)附加在AutoCAD軟件之上的。Ecotect經(jīng)過Autodesk公司歷年的開發(fā)，擁有一個(gè)典型的用戶友好型操作界面，官方版本雖然只提供全英文版界面，但是國內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)對其進(jìn)行了漢化工作并提供漢化軟件包的免費(fèi)下載 。

2.3功能性分析：Radiance和Ecotect雖然采用不同的算法，但是它們都能對建筑的自然采光和人工照明等條件下的建筑光環(huán)境進(jìn)行全面的模擬分析計(jì)算，在模擬計(jì)算結(jié)果的精度上Radiance比Ecotect高出一個(gè)層次，但是Ecotect所能達(dá)到的精度往往已經(jīng)能滿足大部分綠色建筑設(shè)計(jì)的決策依據(jù)需要了，且Ecotect輸出的模擬分析結(jié)果更加直觀可視，大大提高設(shè)計(jì)過程中決策工作的效率。Sunshine只具備建筑日照分析模擬能力，相較于Radiance和Ecotect在功能有局限性。

2.4數(shù)據(jù)兼容性分析：Radiance和Sunshine作為嵌套在AutoCAD用戶界面之中的建筑光環(huán)境模擬軟件，底層數(shù)據(jù)必然和AutoCAD一定程度共享。Ecotect相對于Radiance和Sunshine則顯示出了更大的信息和易性，Ecotect源代碼開放，支持直接導(dǎo)入DXF和3DS格式文件，與Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多種建筑設(shè)計(jì)軟件都有極好的信息數(shù)據(jù)兼容性，這都十分有利于信息流仿真模型的建立和后期GBIM協(xié)同設(shè)計(jì)決策系統(tǒng)的再完善研發(fā)。

2.5多因素綜合對比：根據(jù)前述分析，針對普及性、用戶界面、功能性、數(shù)據(jù)兼容性四個(gè)因素，對Radiance、Ecotect、Sunshine三個(gè)主流的建筑光環(huán)境模擬軟件進(jìn)行綜合對比[3-4]，結(jié)果見表2.1。對比結(jié)果顯而易見，Ecotect算法簡單、精度適宜，計(jì)算速度快、操作易上手、數(shù)據(jù)兼容性高，適合廣泛應(yīng)用于各大中小型設(shè)計(jì)單位，作為綠色建筑設(shè)計(jì)決策依據(jù)。

3 結(jié)語

不同的光環(huán)境模擬軟件有其自身的特點(diǎn)和適用范圍，應(yīng)用者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的軟件。本文通過普及性、用戶界面、功能性、數(shù)據(jù)兼容性四個(gè)因素綜合分析，推薦采用Ecotect建筑光環(huán)境模擬軟件作為綠色建筑設(shè)計(jì)過程的仿真對象，為綠色建筑設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)。

中國中冶重大科技專項(xiàng)—夏熱冬冷地區(qū)經(jīng)濟(jì)適宜的綠色建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范（項(xiàng)目任務(wù)書編號0012012006）

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