計(jì)算機(jī)天然采光模擬插件在樹木遮擋空間的應(yīng)用研究

吳 蔚，湯 晉

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093)

引言

建筑物四周被樹木環(huán)繞是一種常見現(xiàn)象，這些樹木或多或少都會(huì)對(duì)建筑物中低層的室內(nèi)采光產(chǎn)生一定影響[1,2]。然而，由于樹木的形狀復(fù)雜并且會(huì)隨著時(shí)間、季節(jié)的變化而變化，因此很難建立出一個(gè)較精確的數(shù)字模型。同時(shí)，樹木材質(zhì)也不是勻質(zhì)的，每片葉子既是透射面也是反射面，并且互相影響。這一切都對(duì)現(xiàn)今計(jì)算機(jī)光模擬軟件的模擬能力，以及計(jì)算機(jī)本身的運(yùn)算能力造成極大的挑戰(zhàn)。

隨著計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，一些基于計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)(Computer Aided Architectural Design, CAAD)的天然采光模擬插件，如Sefaira、 DIVA、 Honeybee，以及我國(guó)自主開發(fā)的綠建斯維爾等不斷地被開發(fā)出來(lái)。由于這些插件依附在輔助建筑設(shè)計(jì)軟件中，被建筑設(shè)計(jì)人員所熟知和廣泛使用，因此這類插件已成為計(jì)算機(jī)光模擬軟件的主要發(fā)展趨勢(shì)之一[3]。本次研究選擇了兩款近些年來(lái)表現(xiàn)較為突出的計(jì)算機(jī)天然光模擬插件DIVA和Honeybee，用以模擬研究被樹木遮擋房間的天然光環(huán)境，選擇這兩款插件的主要原因是：

1)DIVA和Honeybee均是基于建筑師較為常用，且發(fā)展較為完善的建筑輔助設(shè)計(jì)軟件Rhino上的光模擬插件，且操作性相對(duì)優(yōu)化；

2)具有較為完整的采光模擬功能，包括材料參數(shù)，天空模型以及精度參數(shù)等完整的輸入條件，以及包括照度值、采光系數(shù)、Daylight Autonomy以及Useful Daylight Illuminance等完整的輸出指標(biāo)。

3)這兩款軟件目前在在光學(xué)研究或?qū)嶋H項(xiàng)目都有較為廣泛的應(yīng)用，且已被驗(yàn)證能較精確的模擬室內(nèi)天然采光[4,5]。

本研究以一個(gè)真實(shí)的被樹木遮擋空間為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地測(cè)量和比較分析，從靜態(tài)和全年動(dòng)態(tài)天然光模擬兩方面探討這兩款插件在樹木遮擋空間的適用性和可靠性，總結(jié)樹木在數(shù)字化建模時(shí)的簡(jiǎn)化原則、以及在模擬時(shí)所遇到的問(wèn)題和困難，并提供一些優(yōu)化模擬建議。

1 實(shí)地測(cè)量

本文選擇南京某大學(xué)一棟建于1995年的傳統(tǒng)多層辦公建筑作為研究對(duì)象，該建筑采光方式為側(cè)采光形式，除樹木外，四周遮擋物較少。為避免地面反射和室外其他遮擋物的干擾，一間位于二樓東側(cè)頂端的辦公用房被選擇為實(shí)驗(yàn)用房，該房間的南北兩側(cè)的采光口皆受樹木遮擋，圖1、圖2分別為被測(cè)房間的室內(nèi)外照片。

圖1 從左到右分別顯示被測(cè)房間的頂側(cè)、南側(cè)、北側(cè)的樹木遮擋情況Fig.1 From left to right: view from the sample room looking toward ground, looking toward building south fa?ade, view of north fa?ade

圖2 從左到右顯示被測(cè)房間的東側(cè)、南側(cè)、被測(cè)的室內(nèi)魚眼照片F(xiàn)ig.2 From left to right: east, south and north interior fish-eye views of the sample room

表1 被測(cè)房間室內(nèi)各表面的實(shí)測(cè)光學(xué)參數(shù)

被測(cè)房間面寬14 m、進(jìn)深13.6 m、層高3.5 m，室內(nèi)天花與墻面均采用白色涂料粉刷，地面材料為灰色水磨石，室內(nèi)布置有桌椅，但無(wú)辦公隔斷，表1為實(shí)測(cè)所得的室內(nèi)各面的反射率。室內(nèi)南北側(cè)各有4扇2.4 m×1.8 m的窗戶，窗臺(tái)高度為0.88 m，窗框?yàn)榘咨摬?，玻璃為雙層中空普通白玻璃，較為骯臟，因此透射率僅為0.57。房間東側(cè)有一個(gè)玻璃門和小陽(yáng)臺(tái)。

圖3、圖4分別為實(shí)驗(yàn)用房的平、剖面圖及測(cè)點(diǎn)位置。室內(nèi)共設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)距地高0.75 m。 測(cè)量時(shí)間選擇為2019年5月5日—8日四個(gè)晴天和2019年1月8日、3月18日以及3月21日三個(gè)全陰天進(jìn)行。為避免直射陽(yáng)光影響，測(cè)量選擇從10:30—13:00，每隔半個(gè)小時(shí)測(cè)量一次，測(cè)量采用兩個(gè)手持式照度計(jì)，以便互相校準(zhǔn)。室外照度則是在該建筑屋頂距地1 m處測(cè)量。從實(shí)測(cè)可以看出，測(cè)點(diǎn)2、4、11和12受到樹木遮擋影響較大，其照度值變化范圍相對(duì)穩(wěn)定。然而，我們也在實(shí)測(cè)中注意到樹冠會(huì)受到風(fēng)力的影響而改變位置，即便盡量保證在樹木相對(duì)靜止時(shí)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)點(diǎn)照度值仍會(huì)產(chǎn)生一定影響。

圖3 被測(cè)房間的平面及測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.3 Floor Plan and the floor plan for measuring position of the sample room

圖4 被測(cè)房間剖面及測(cè)點(diǎn)位置圖Fig.4 Floor plan and measuring points for the sample room

2 靜態(tài)采光模擬分析

對(duì)樹木遮擋空間進(jìn)行采光模擬，其難點(diǎn)在于如何在室外建立樹木模型。直接建立真實(shí)樹木模型是不現(xiàn)實(shí)的，一方面樹木本身很難準(zhǔn)確測(cè)量，更不要提建立精確的數(shù)字模型；另一方面是樹木材質(zhì)復(fù)雜，且互相影響。我們?cè)趯?duì)傳統(tǒng)園林建筑的計(jì)算機(jī)采光模擬研究中，嘗試通過(guò)在采光口前建立垂直遮擋物模擬樹木遮擋，當(dāng)樹木較為茂密時(shí)則可以添加水平遮擋物的方法，來(lái)簡(jiǎn)化樹木模型。由于樹木遮擋會(huì)出現(xiàn)漫反射，漫透射以及直接透射三種情況，因此將其設(shè)置為半透明材質(zhì)[6]。

在本次模擬研究中，研究小組采用了同樣的方式，根據(jù)樹木實(shí)際遮擋的面積和茂密程度，建立垂直和水平遮擋物，并將實(shí)際測(cè)量和模擬相互比較，通過(guò)對(duì)遮擋物的多次調(diào)整后，最后確定的材料參數(shù)設(shè)置以及遮擋物位置。由于Honeybee與DIVA在建模方面都是依托建模軟件Rhino，因此本次研究的所有三維數(shù)字模型都是在Rhino建模，但Honeybee需要使用Rhino的grasshopper插件才可以進(jìn)行模擬。

圖5為本次研究所采用的三維模型文件和室外樹木的光學(xué)參數(shù)設(shè)定。由于計(jì)算機(jī)采光軟件的模擬精度通常會(huì)對(duì)電腦的運(yùn)算時(shí)間產(chǎn)生較大影響，因此要在二者之間取得一定平衡。在本次研究中，DIVA精度設(shè)置為：-ab 5-aa 0.1-ad 512-as 256-ar 256。Honeybee可設(shè)置的精度參數(shù)僅有兩個(gè)，設(shè)置為-ab 5-aa 0.1，盡量與DIVA保持一致。

圖5 被測(cè)房間三維數(shù)字模擬模型和樹木的光學(xué)參數(shù)設(shè)定Fig.5 3D simulation model and Optical parameter setting of trees

圖6和圖7分別為在全陰天和晴天狀態(tài)下被測(cè)房間各個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬值和實(shí)測(cè)值，及其模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差。其中全陰天中模擬和實(shí)測(cè)值采用的是天然采光系數(shù)值，而晴天則使用的真實(shí)照度值?？梢钥闯鲈诮⑹彝獍胪该鞑馁|(zhì)的遮擋物之后，絕大部分測(cè)點(diǎn)的模擬和實(shí)測(cè)的相對(duì)誤差值均在20%之內(nèi)，由此可知DIVA和Honeybee較為準(zhǔn)確地模擬樹木遮擋空間的天然采光環(huán)境。此外，研究小組也注意到在晴天天空下，計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)測(cè)的相對(duì)誤差率會(huì)隨著時(shí)間變化而變化較大。這是因?yàn)槟M中采用勻質(zhì)半透明材料來(lái)替代樹木遮擋，這導(dǎo)致光線會(huì)均勻地射入室內(nèi)。而實(shí)際上當(dāng)天然光穿過(guò)樹木時(shí)，特別是有直射陽(yáng)光的情況下，情況會(huì)變得比較復(fù)雜，并不是會(huì)均勻的進(jìn)入室內(nèi)。這也是造成在晴天條件下，測(cè)點(diǎn)7的Honeybee模擬照度值與實(shí)測(cè)的相對(duì)誤差值是25%的主要原因。

圖7 比較晴天條件下被測(cè)房間各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均照度實(shí)測(cè)照度值與DIVA和Honeybee模擬值，以及實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)誤差Fig.7 A comparison of measured and simulated illuminance and their relative errors in the sample room under clear sky

本次模擬研究也再次證明在模擬樹木時(shí)，無(wú)需建立復(fù)雜的三維樹木模型，可以將樹木簡(jiǎn)化處理為半透明材質(zhì)的垂直或水平幾何遮擋片。對(duì)于如何預(yù)估幾何遮擋體，我們有以下幾點(diǎn)建議：①可以通過(guò)在室內(nèi)拍攝垂直于窗口的影像來(lái)確定垂直遮擋片的大小和范圍。②如果樹木明顯高過(guò)窗口位置，且在室內(nèi)無(wú)法觀察到天空，則一般需要設(shè)置水平遮擋片。其大小和寬度則需要根據(jù)樹木實(shí)際遮擋位置確定。③模擬樹木幾何遮擋片的透射度可根據(jù)實(shí)測(cè)有遮擋和無(wú)遮擋處的室內(nèi)照度值進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算所得。當(dāng)然，要想使模擬樹木的遮擋幾何體更為準(zhǔn)確，還需要在模擬后通過(guò)與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比調(diào)整才行。

Spark框架的批處理模式只在將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存和將最終結(jié)果持久存儲(chǔ)時(shí)需與存儲(chǔ)層交互,其他所有中間態(tài)的處理結(jié)果均存儲(chǔ)在內(nèi)存中,效率非常高。

此外，對(duì)于一些不能建立或調(diào)整室外插件的光模擬軟件，如綠建斯維爾無(wú)法建立室外遮擋物，或者Ecotect本身自帶的光模擬模塊，僅是簡(jiǎn)單地將采光口視作光源，就會(huì)無(wú)法模擬樹木遮擋空間的天然采光。

3 全年動(dòng)態(tài)采光模擬分析

由于太陽(yáng)高度角和方位角會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生變化，天空的云量和云狀也會(huì)隨著天氣產(chǎn)生變化，真實(shí)的天然采光會(huì)一直處于動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，因此為了反映真實(shí)的室內(nèi)天然采光環(huán)境，需要對(duì)全年動(dòng)態(tài)采光環(huán)境進(jìn)行模擬。目前應(yīng)用較為廣泛且準(zhǔn)確性較高的全年動(dòng)態(tài)采光模擬軟件Daysim軟件，已經(jīng)被證明在南京地區(qū)具有較好的適用性和可行性[7]。因此在難以進(jìn)行收集全年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，研究小組采用該軟件的全年采光系數(shù)、Daylight Autonomy(天然光自主參數(shù)，DA)和Useful Daylight Illuminance(有效天然采光照度，UDI)的模擬結(jié)果，作為參考標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證DIVA和Honeybee兩款插件在全年動(dòng)態(tài)采光模擬的可行性。

為解決全年動(dòng)態(tài)采光模擬時(shí)所遇到的不同問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]中開發(fā)了Radiance矩陣二相法、三相法和五相法采光模擬方式。三相法是在二相法的基礎(chǔ)上增加了窗口矩陣，用于解決復(fù)雜或者動(dòng)態(tài)采光口帶來(lái)的問(wèn)題，其后的五相法則是在三相法的基礎(chǔ)上增加了太陽(yáng)位置矩陣，用于更加準(zhǔn)確地模擬太陽(yáng)直射光線在全年的變化，文獻(xiàn)[9]中證實(shí)了五相法的準(zhǔn)確性。而Honeybee的拓展程序Honeybee[+]采用二相法、三相法和五相法作為全年動(dòng)態(tài)采光模擬內(nèi)核，因此在模擬全年動(dòng)態(tài)天然光時(shí)，本研究不僅分析了DIVA和Honeybee，還增加了Honeybee[+]的模擬分析。

Daysim、DIVA、Honeybee和 Honeybee[+]皆采用靜態(tài)天然光模擬所用的Rhino模型。Daysim中的材料參數(shù)編輯與DIVA相同，為了減少精度參數(shù)對(duì)不同軟件的模擬結(jié)果影響，所有四款軟件的主要參數(shù)設(shè)置均相同，其余參數(shù)保持Daysim默認(rèn)推薦的設(shè)置不變。所采用的全年氣象參數(shù)也均使用的是美國(guó)能源部下載的南京市典型氣象年參數(shù)(China Standard Weather Data)。此外，模擬實(shí)驗(yàn)都使用的時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。

圖8是Daysim與DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動(dòng)態(tài)天然光系數(shù)比較值。從圖8可以看出，DIVA和Honeybee[+]在被測(cè)房間各測(cè)點(diǎn)的平均天然采光系數(shù)模擬值與Daysim模擬值較為相近，都在15%之內(nèi)，其平均相對(duì)誤差分別為7%和5%，這說(shuō)明DIVA和Honeybee[+]能較為準(zhǔn)確的模擬全年動(dòng)態(tài)采光系數(shù)值。而Honeybee比起其它兩款軟件而言，準(zhǔn)確度略差，除去測(cè)點(diǎn)10的相對(duì)誤差為24%，其他測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均在20%之內(nèi)，平均相對(duì)誤差為7%，也是在可接受誤差范圍之內(nèi)。

圖8 比較Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動(dòng)態(tài)天然光系數(shù)模擬值(平均天然采光系數(shù))Fig.8 A comparison of dynamic daylighting performance (average daylighting factors) simulated by Daysim, DIVA, Honeybee and Honeybee[+] in the sample room

表2為Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動(dòng)態(tài)DA、UDI、UDI100與UDI2000的模擬圖像。表3為DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動(dòng)態(tài)模擬值與Daysim全年動(dòng)態(tài)模擬值之間相對(duì)誤差。從表2可以看出DIVA對(duì)UDI值的模擬相對(duì)準(zhǔn)確，但是對(duì)DA值的模擬會(huì)出現(xiàn)一定誤差；Honeybee對(duì)UDI值和DA值的模擬都會(huì)出現(xiàn)較大的誤差；Honeybee[+]對(duì)UDI和DA的模擬值均與Daysim的模擬結(jié)果相近，相對(duì)誤差也較小。整體而言，DIVA、Honeybee和Honeybee[+]在天然采光系數(shù)的全年動(dòng)態(tài)模擬值上都較為準(zhǔn)確，相對(duì)誤差較小。而在其他全年動(dòng)態(tài)模擬值上則因軟件而異，其中Honeybee[+]在DA和UDI模擬上都較為準(zhǔn)確，而DIVA則不能較準(zhǔn)確地模擬DA值，而Honeybee在UDI和DA值的模擬上都會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

表2 比較Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+] 的全年動(dòng)態(tài)天然光模擬圖像(DA，UDI，UDI100和UDI2000)

4 討論和分析

盡管本實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格控制了兩款光模擬插件的各種參數(shù)變量，如采用同樣Rhino數(shù)字模型，相同的材質(zhì)設(shè)定和盡量一致的精度參數(shù)，但模擬結(jié)果還是參差不一，特別是對(duì)于全年動(dòng)態(tài)光模擬。盡管DIVA和 Honeybee都是基于Radiance作為運(yùn)算內(nèi)核，但光模擬插件會(huì)在參數(shù)設(shè)置或信息轉(zhuǎn)譯過(guò)程中出現(xiàn)各種誤差，加之光模擬插件本身的局限性和缺陷，這也是造成不同軟件在模擬全年動(dòng)態(tài)采光有偏差的主要原因。近些年來(lái)，依托于計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)軟件的光模擬插件受到建筑設(shè)計(jì)人員的普遍喜愛。但這些插件會(huì)在數(shù)字模型的建立、材料和各種參數(shù)設(shè)置等很多方面過(guò)分依賴于輔助建筑設(shè)計(jì)軟件，因此或多或少會(huì)有一定的局限性和弊病，所以要在使用時(shí)特別慎重，仔細(xì)研究不同天然光模擬插件的可行性、適用性和精確性。特別是目前很多光模擬插件都采用蒙特卡羅反向光線跟蹤算法的Radiance作為運(yùn)算內(nèi)核，雖然能夠較準(zhǔn)確地模擬較簡(jiǎn)單的采光口，但對(duì)于較為復(fù)雜的采光口，如復(fù)雜的格柵窗、鏡面反射材質(zhì)的百葉窗等，或者室外有復(fù)雜遮擋物時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題[10]。

總體而言，本次研究發(fā)現(xiàn)所選用的兩款天然采光插件在模擬樹木遮擋空間時(shí)，其靜態(tài)光模擬結(jié)果要好于全年動(dòng)態(tài)光模擬，特別是DIVA和Honeybee在模擬DA和UDI值上準(zhǔn)確性較差，從本次實(shí)驗(yàn)可以看出，由于Honeybee[+]采用了二相法、三相法和五相法采光模擬方式，有效地減少了模擬偏差。由此可見，要想提高全年動(dòng)態(tài)光模擬的準(zhǔn)確度，還需要從開發(fā)出更適合全年動(dòng)態(tài)光模擬的計(jì)算法入手。

5 結(jié)語(yǔ)

樹木遮擋空間的天然光模擬一直是計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)上的難點(diǎn)。本研究選擇了兩款目前較為流行的計(jì)算機(jī)光模擬插件DIVA和Honeybee，以一個(gè)真實(shí)的樹木遮擋空間為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地測(cè)量與比較性研究，從靜態(tài)采光和全年動(dòng)態(tài)采光兩個(gè)方面，探討了這兩款計(jì)算機(jī)光模擬插件在模擬樹木遮擋空間的可行性和可靠性。

研究結(jié)果顯示在靜態(tài)采光方面，DIVA和Honeybee都可以較精確的模擬被樹木遮擋的室內(nèi)光環(huán)境。在全年動(dòng)態(tài)采光方面，這兩款軟件僅能夠較好的模擬全年采光系數(shù)，而不能較精確的模擬DA和UDI值。而Honeybee的擴(kuò)展程序Honeybee[+]由于采用了先進(jìn)的二相法、三相法和五相法作為全年動(dòng)態(tài)采光模擬內(nèi)核，顯著改善了模擬準(zhǔn)確度。

在本次樹木遮擋空間的光模擬驗(yàn)證研究中，選擇的是被枝葉繁茂的小喬木所遮擋的空間，該小喬木四季常綠，生長(zhǎng)緩慢，因此被遮擋的空間光學(xué)特性較為穩(wěn)定。但由于樹木本身種類繁多，不同地域、氣候環(huán)境中生長(zhǎng)的樹木各有特色，其遮擋特性也大不相同，因此還需要更多的案例研究來(lái)補(bǔ)充驗(yàn)證。此外，本研究在進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)光模擬中采用了相同的樹木模型，但這兩種模擬對(duì)樹木模型有不同的要求，希望能在進(jìn)一步研究中尋找出更適合動(dòng)態(tài)模擬的樹木簡(jiǎn)化模型。