基于Ladybug工具集的綠色建筑性能分析方法及應(yīng)用研究

羅小華

（蘇州科技大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

當(dāng)前，綠色建筑正在越來越多地成為大家關(guān)注的焦點，因地制宜，被動優(yōu)先的生態(tài)節(jié)能設(shè)計理念正被越來越多的人所接受。一方面，在建筑方案設(shè)計階段，各種影響因素錯綜復(fù)雜，建筑師難以憑個人經(jīng)驗準(zhǔn)確把握設(shè)計因素與性能指標(biāo)之間的關(guān)系及其規(guī)律，并快速地對設(shè)計目標(biāo)進行優(yōu)化。另一方面，隨著綠色建筑設(shè)計性能要求與目標(biāo)的日益提升，現(xiàn)有的性能模擬分析技術(shù)的局限性也逐漸步凸顯。例如，不同的性能模擬分析往往需要借助不同的分析軟件，且存在與設(shè)計模型兼容性差、過程繁瑣、周期長、反饋滯后等問題。

參數(shù)化技術(shù)的出現(xiàn)，為解決性能模擬分析與設(shè)計之間的反饋、聯(lián)動，實現(xiàn)自動尋優(yōu)，提高綠色建筑設(shè)計水平提供了很好的解決方法。

本文主要工作：對參數(shù)化技術(shù)及其綠色建筑性能分析工具集Ladybug的基本功能與特點進行討論，在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體設(shè)計案例，從不同側(cè)面探討其在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用。

1 基于Ladybug技術(shù)的環(huán)境性能模擬平臺

以Rhinoceros&Grasshopper為平臺的參數(shù)化設(shè)計模式，是國內(nèi)近幾年在建筑設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用的手段或方法。參數(shù)化設(shè)計就是采用預(yù)定義的方法建立模型的幾何約束集，將描述模型幾何特征的參數(shù)與幾何約束集進行關(guān)聯(lián)，所有的關(guān)聯(lián)表達式由應(yīng)用程序來實現(xiàn)，通過人機交互方式修改參數(shù)，最終由程序執(zhí)行表達式來完成。

參數(shù)化設(shè)計的基本特點是不僅具有強大的建模能力，還在于其對設(shè)計輸出結(jié)果的可調(diào)性，即模型的調(diào)整有別于傳統(tǒng)“手工”操作，只需要調(diào)整形體控制參數(shù)值或通過程序設(shè)定形體參數(shù)值就能獲得新的模型，極大地提高了建模效率。

Ladybug是基于Rhino+Grasshopper參數(shù)化設(shè)計平臺開發(fā)的綠色建筑性能分析工具集，其通過整合Energyplus、Therm、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模擬計算內(nèi)核，實現(xiàn)了跨平臺的數(shù)據(jù)交互，通過設(shè)定控制邏輯讓計算機自動完成復(fù)雜的計算和尋優(yōu)過程，能在較短時間內(nèi)得到特定邏輯下的最優(yōu)結(jié)果。這些特點可以彌補目前綠色建筑設(shè)計過程中性能模擬分析方面的不足，近兩年在綠色建筑設(shè)計性能分析中得到了越來越多地應(yīng)用，已有漸成主流之勢。

Ladybug工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly、EpwMap和Pollination等不同功能的模塊，可以進行能耗計算、太陽輻射、天然采光、人工照明、自然通風(fēng)、城市熱島效應(yīng)等各種性能模擬分析。Ladybug本身是環(huán)境分析模塊，可以幫助設(shè)計人員在建筑方案初期完成對氣象數(shù)據(jù)的分析，包括氣象數(shù)據(jù)可視化、風(fēng)玫瑰圖、日照遮陽分析、室內(nèi)熱舒適指標(biāo)PMV-PPD計算、室外舒適性指標(biāo)UTCI計算、太陽輻射分析、陰影分析等。圖1為該工具集與各種模擬軟件之間的連接、調(diào)用關(guān)系示意圖。

圖1 Ladybug&Honeybee工具集功能關(guān)系示意圖（圖片來源：https://github.com/mostaphaRoudsari/ladybug[2017-8-26]）

Honeybee為工具集中的另一重要模塊，主要功能為天然采光、人工照明、能耗模擬。借助Daysim軟件，Honeybee可以實現(xiàn)動態(tài)采光模擬分析。

Ladybug工具集本質(zhì)上是一種編程工具，其功能組件運算器采用Python語言編寫。作為一種源代碼開放的平臺，用戶可以依據(jù)自己的實際應(yīng)用對其進行編輯修改，拓寬其應(yīng)用范圍。Ladybug工具集與Grasshopper參數(shù)化設(shè)計平臺整合所形成的可視化節(jié)點編程界面，為建筑師提供了符合自身設(shè)計習(xí)慣的操作模式。

工具集主要開發(fā)者是美國賓夕法尼亞大學(xué)教師Mostapha Sadeghipour Roudsari和建筑師Chris Mackey，他們出色的參數(shù)化編程能力、綠色建筑設(shè)計經(jīng)驗和環(huán)境性能模擬知識，是該套工具集開發(fā)的重要前提。

2 應(yīng)用案例分析

2.1 氣象數(shù)據(jù)分析與被動式設(shè)計策略選擇

被動式設(shè)計策略的選擇應(yīng)該建立在當(dāng)?shù)貧夂驐l件的分析之上。Ladybug通過讀入當(dāng)?shù)厝? 760 h的逐時氣象數(shù)據(jù)（.epw），包括風(fēng)環(huán)境、空氣溫度、相對濕度、太陽輻射等，配合相關(guān)運算器，最后由Ladybug的可視化模塊對結(jié)果進行展示分析，幫助設(shè)計人員確定被動式設(shè)計策略。

如某地新建辦公建筑擬進行自然通風(fēng)設(shè)計，在確定計算條件（滿足通風(fēng)條件的溫度、濕度的范圍和室外風(fēng)速要求）、分析周期后執(zhí)行運算，即可獲得相應(yīng)的風(fēng)玫瑰圖和統(tǒng)計結(jié)果，如圖2所示。辦公建筑主要考慮白天開窗通風(fēng)，因此圖中分析周期時間段取早9至晚18點。如果對于住宅建筑，分析時間段可取全天24小時，則得到不同結(jié)果的風(fēng)玫瑰圖。依據(jù)圖2所示結(jié)果，滿足自然通風(fēng)條件的時間只占分析周期（全年每日9-18點的時間段）的1.15%；同時，依據(jù)獲取的風(fēng)玫瑰圖，開北向窗是該辦公建筑進行自然通風(fēng)設(shè)計的優(yōu)先選擇。

結(jié)合Grasshopper參數(shù)化平臺，還可以對全年逐時氣象數(shù)據(jù)結(jié)果進行進一步的數(shù)據(jù)篩選、統(tǒng)計分析，如均值、極值的確定等。

圖2 滿足通風(fēng)潛能條件的某地風(fēng)玫瑰圖與統(tǒng)計結(jié)果可視化（圖片來源：http://v.iarch.cn/course/272/task/3311/show[2017-11-19]）

2.2 太陽輻射與建筑形體優(yōu)化

形式與功能一直以來都是建筑師爭論的焦點，而在綠色建筑成為普遍共識的今天，形式與性能，或者說建筑是否生態(tài)、綠色、節(jié)能，能否取得共贏則是建筑師面臨的新挑戰(zhàn)。

太陽輻射是影響建筑熱環(huán)境、建筑運行能耗等方面的重要因素，在進行建筑形體推敲時，通過對其獲得的太陽輻射量的評估結(jié)果，可以對不同設(shè)計方案進行比選。如圖3所示，通過對不同朝向、不同體形系數(shù)的異形建筑表面進行的太陽輻射分析來確定合理的建筑形態(tài)。不同于傳統(tǒng)建模方式，該建筑形體模型采用參數(shù)化建模，即通過控制形體橢圓截面的長短軸的尺寸、圓形軌道半徑等參數(shù)來調(diào)整形體變化；同時，借助grasshopper其他運算器，可以動態(tài)顯示形體體形系數(shù)的變化，實現(xiàn)高效便捷地修改模型。同樣，一些復(fù)雜的形體變化，流線型的設(shè)計，也都可以通過參數(shù)化建模輕松實現(xiàn)。參數(shù)化模型直接輸入Ladybug模塊中的太陽輻射運算器進行計算，同時將輻射天空運算器連接至該運算器（輻射天空運算器通過Radiance[1]的gendaymtx函數(shù)來計算一年中的逐時天空輻射），并導(dǎo)入全年氣象文件數(shù)據(jù)，設(shè)置分析時間周期，即可以分別對不同季節(jié)或時段的太陽輻射進行計算，計算結(jié)果通過Ladybug可視化運算器展示。圖3為冬至日6-18時時間段的太陽輻射情況，建筑師以此作為一個形體選擇的參考因素。

結(jié)合Grasshopper平臺，還可以對建筑形體進行計算機自動尋優(yōu)設(shè)計，即設(shè)定太陽輻射目標(biāo)值，通過相關(guān)遺傳算法運算器Galapagos[2]在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)形體的控制參數(shù)來獲得最佳太陽輻射得熱形體。如冬季可以設(shè)定太陽輻射目標(biāo)值為最大值，夏季設(shè)定則為最小值進行形體尋優(yōu)，全年則需要結(jié)合能耗運行分析來確定形體的設(shè)計參數(shù)，此時可設(shè)定全年能耗運行目標(biāo)值為最小進行尋優(yōu)計算。

圖3 建筑形體太陽輻射分析

2.3 室外空間環(huán)境與室外熱舒適指標(biāo)UTCI

室外公共活動空間的設(shè)計是城市設(shè)計中的重要環(huán)節(jié),需要通過良好的室外空間微氣候環(huán)境來激發(fā)人們在室外開展活動的興趣,比如公共活動空間應(yīng)盡量保證足夠的日照時間,并同時避免風(fēng)口、漩渦風(fēng)等不利風(fēng)環(huán)境。公共空間也需要同時考慮冬夏季的有效綜合使用,比如夏季開展公共活動的廣場空間,可以在冬季成為兒童滑冰或曬太陽的休閑場所,從而豐富室外公共空間的活動類型,提升室外空間的使用效率。

在室外公共活動空間的前期設(shè)計中,可以通過對當(dāng)?shù)貧夂驐l件進行全方位的分析,為設(shè)計人員對室外空間布局做出有效的指導(dǎo)作用。

通用熱氣候指數(shù)[3]（Universal Thermal Climate Index，UTCI）是國際生物氣象協(xié)會ISB于2009組織聯(lián)合研究提出，在氣候舒適度、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。也可以作為建筑小區(qū)外部公共活動空間的熱環(huán)境評價。Ladybug集成了UTCI的計算模塊，通過輸入相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，由UTCI模塊計算出所需結(jié)果，并通過Ladybug可視化模塊展示，如圖4所示。采用UTCI作為室外熱舒適度評價指標(biāo)，不僅可以在方案設(shè)計階段實現(xiàn)對室外熱舒適的快速評價；同時，基于參數(shù)化的設(shè)計模式，還能快速調(diào)整設(shè)計方案實現(xiàn)改善室外熱舒適的目的。

圖4 UTCI運算器及數(shù)據(jù)可視化

圖5 室外空間設(shè)計UTCI模擬分析示意圖

圖5 所示為某小區(qū)室外空間設(shè)計中的UTCI模擬分析圖（本圖分析周期為全年最熱周7.27～8.24日）。通過對UTCI計算模塊的配方運算器輸入變量的參數(shù)選擇，設(shè)計人員在設(shè)計過程中可以對環(huán)境因素進行配置，即通過參數(shù)化模型便捷地調(diào)整建筑布局、形體組合、綠化植物、水體配置等方式，實現(xiàn)對室外空間局部的風(fēng)速、太陽輻射及環(huán)境的平均輻射溫度MRT的調(diào)整，并依據(jù)UTCI的實時計算結(jié)果，完成對室外空間的優(yōu)化設(shè)計，從而提高室外熱舒適度指標(biāo)UTCI在舒適范圍的百分比。

需要說明的是，本文中的UTCI模擬分析未考慮各參數(shù)之間的耦合作用，在模擬精度上與考慮了輻射，溫度等耦合作用的CFD計算結(jié)果比較有所不足，但在方案設(shè)計初期，不失為一種便捷的室外熱環(huán)境評價、設(shè)計工具。

2.4 建筑總平面布局與自然通風(fēng)

風(fēng)環(huán)境是影響室內(nèi)外熱環(huán)境的重要因素之一，同時，風(fēng)環(huán)境與建筑總平面布局密切相關(guān)。建筑物布局如果不合理，會導(dǎo)致居住區(qū)局部風(fēng)環(huán)境惡化。高密度建筑群中，局部地方(尤其是高層)風(fēng)速過大可能對人們的生活、行動造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利于室內(nèi)的自然通風(fēng)，形成不好的小區(qū)微氣候。因此，需要在建筑布局設(shè)計時對域內(nèi)氣流流動情況進行預(yù)測評價以指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計。

不同于傳統(tǒng)的通風(fēng)模擬軟件的操作方式，Ladybug工具集的自然通風(fēng)模塊Butterfly借助參數(shù)化技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了模擬過程的“自動”操作模式，以彌補了傳統(tǒng)模擬方式耗時長、難以自動尋優(yōu)等不足。Butterfly作用是連接參數(shù)化模型和OpenFoam，自動完成模擬條件設(shè)置、計算網(wǎng)格劃分，再調(diào)用OpenFoam或者說生成OpenFoam的執(zhí)行文件，進行CFD通風(fēng)的數(shù)值計算，計算結(jié)果返回Ladybug并由可視化功能模塊實現(xiàn)展示，如圖6所示。

圖6 Butterfly通風(fēng)模擬“電池圖”（模擬軟件截圖）

模擬條件的改變，包括場景模型、氣象數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)，均可通過調(diào)整控制參數(shù)實現(xiàn)。因此，基于參數(shù)化技術(shù)的通風(fēng)模擬方式，其高效的模擬效率，更適合于需要反復(fù)調(diào)整設(shè)計參數(shù)的方案設(shè)計階段的需求。

Butterfly采用的CFD軟件OpenFoam9（Open Field Operation and Manipulation）是OpenCFD Ltd公司開發(fā)的開放源代碼的軟件，是一款可以模擬多種復(fù)雜流動、計算流體的工具，運行的操作系統(tǒng)為Linux。對于國內(nèi)采用windows系統(tǒng)的用戶，在采用OpenCFD-OpenFOAM時，還需要安裝諸如Oracle VM VirtualBox的“虛擬機”來運行OpenCFD-OpenFOAM。在本文寫作之際，基于blueCFDCore的Butterfly版本已經(jīng)發(fā)布，這將有利于簡化安裝流程，進一步提升模擬效率。

圖7為上海某高級中學(xué)接建食堂綜合訓(xùn)練樓，通過應(yīng)用上述程序文件對其風(fēng)環(huán)境進行模擬所得風(fēng)壓示意圖，其中，圖7（b）、圖7（c）為兩種方案的分析模型。已完成的日照分析表明，兩種方案對基地原教學(xué)樓、周邊民居樓環(huán)境的影響存在比較大的差異，如方案（b）對教學(xué)樓的采光影響較大，方案（c）對周邊居民影響較大。對于兩種方案的自然通風(fēng)效果，則希望通過模擬得出可視化的直觀數(shù)據(jù)，為方案的選擇提供科學(xué)依據(jù)。通過對模擬風(fēng)壓圖的綜合比較分析，最終采用圖7（b）為實施方案，圖7（a）實施方案效果圖。

圖7 校園風(fēng)環(huán)境風(fēng)壓示意圖

3 結(jié)語

本文結(jié)合具體案例應(yīng)用，從幾個不同方面探討了基于參數(shù)化技術(shù)解決綠色建筑設(shè)計問題的基本流程和方法。從本質(zhì)上來看，就是理性地看待設(shè)計問題，將氣候環(huán)境因素轉(zhuǎn)化為建筑設(shè)計問題，同時以感性的思維對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式、表達形式進行選取。在技術(shù)方面，則是利用參數(shù)化技術(shù)強大的模型處理能力和Ladybug工具集數(shù)據(jù)處理、結(jié)果可視化功能，結(jié)合相關(guān)性能模擬軟件，使得建筑設(shè)計、性能分析、方案比選優(yōu)化和結(jié)果可視化在同一平臺上得以實現(xiàn)。

目前，基于參數(shù)化技術(shù)的綠色建筑設(shè)計方法還處于發(fā)展階段，有許多問題需要深入探索。一方面，在綠色建筑設(shè)計理念與思想層面上，如何依據(jù)參數(shù)化技術(shù)的特點進行調(diào)整，包括綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整；另一方面，在技術(shù)層面上需要進一步完善相關(guān)應(yīng)用軟件，如設(shè)計軟件與性能分析軟件的開發(fā)，接口界面的優(yōu)化等。

毋庸置疑，基于參數(shù)化技術(shù)的綠色建筑設(shè)計方法，大大簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率，是一種值得推廣的新方法。