基于采光性能優(yōu)化的可變建筑表皮生成研究
——以廈門地區(qū)既有辦公建筑為例

石 峰

陳藝丹

1 概述

可變建筑表皮能夠隨著室外環(huán)境的變化而變化，起到調節(jié)建筑室內環(huán)境的作用，進而達到節(jié)能的目的?？勺兘ㄖ砥ぴ诟鞯亟ㄖ械膽茫苍炀土嗽S多經(jīng)典的案例，如阿拉伯世界研究中心南立面的光圈式表皮、Aedas事務所設計的巴哈爾塔的三角形表皮和德國弗萊堡的“Heliotrop”太陽能住宅能隨著太陽的運行緩慢自轉，以獲得最佳的日照等。

室內光環(huán)境對于使用者來說極其重要，天然采光能夠豐富室內光環(huán)境，還有利于節(jié)約能耗。天然采光設計要盡量避免對人體的一些負面影響，可變表皮運用恰當能減少甚至防止負面影響的產(chǎn)生，如增加采光量、減少太陽輻射得熱、減少能耗和避免眩光以及保證個人隱私等[1-4]。

參數(shù)化性能模擬在設計階段對于環(huán)境的舒適度和能耗的把控，相較于人工經(jīng)驗更加精準，使用計算機模擬輔助設計能夠提升效率。國外開展了一系列的研究與實驗，并取得了相應的成果，如荷蘭代爾夫特理工大學建筑界面研究小組（FRG）[5]和德克薩斯A&M大學的tranSTUDIO[6]等。Gyeong Yun等（2014）[7]和Skarning等（2016）[8]等人探討了動態(tài)表皮與光環(huán)境、能耗之間的關系。在國內，參數(shù)化設計結合建筑表皮的研究和關注并不少見，同濟大學袁烽[9]、東南大學李飚[10]、哈爾濱工業(yè)大學孫澄等（2018）[11]等都對建筑表皮進行了相關的參數(shù)化研究和實踐。在可變建筑表皮的研究方面，李保峰（2004）[12]、林濤等（2017）[4]采用計算機模擬的方法對可變表皮進行了參數(shù)化研究。

在可變建筑表皮的研究當中，設計結合性能模擬優(yōu)化的研究多以靜態(tài)模擬分析為主，而可變建筑表皮性能模擬是動態(tài)的過程：需要通過不斷地修改參數(shù)，快速準確地生成一系列不同形態(tài)，擇優(yōu)錄用。因此，可變建筑表皮設計與參數(shù)化平臺結合的研究尚顯不足。本文選用Grasshopper作為可變表皮的參數(shù)化設計平臺，其具有可視化、數(shù)據(jù)分類處理等功能，可以通過控制參數(shù)實現(xiàn)對表皮形態(tài)的把控。

圖1 設計思路流程圖

圖2 辦公室立面圖和平面圖

圖3 辦公室采光模擬結果示意圖

圖4 基于Ladybug工具的模擬優(yōu)化流程圖

圖5 Grasshopper電池連接示意圖

圖6 采光性能優(yōu)化的可變表皮設計示意圖

圖7 照度模擬結果示意圖

圖8 辦公室UDI平均值統(tǒng)計圖表

圖9 單元測點UDI100-2000lx值大于50%所占的面積百分比統(tǒng)計圖

圖10 眩光測點出現(xiàn)不舒適眩光（DGP>0.4）時長對比圖

2 光環(huán)境優(yōu)化指標

采光評價指標是對建筑天然采光質量進行評價的基礎。隨著采光技術的發(fā)展，愈加凸顯了采光系數(shù)等傳統(tǒng)評價指標的局限性。在此背景下，一系列動態(tài)評價指標隨之被提出，如DA[13]、UDI[15]等，它們考慮了全年的天空變化情況，并對室內照度水平在一定范圍內的時間長度進行評價，更適合評價建筑空間的實際采光效果。

本章節(jié)對國內外相關的采光評價指標進行了整理，以廈門地區(qū)辦公建筑為例（表1）。依據(jù)GB50033—2013《建筑采光設計標準》，廈門屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，光氣候系數(shù)為1.1，辦公室采光等級為Ⅲ級，一般參考平面高度為0.75m。

在對環(huán)境進行評價時，應綜合多種評價指標來衡量室內的環(huán)境質量。對設有可變表皮的室內光環(huán)境進行評價時，需要考慮表皮在不同時刻的不同形態(tài)。采光系數(shù)缺少對室外環(huán)境變化的考量；DA[13]作為全年動態(tài)評價指標，只考慮到照度的臨界最小值，忽略了室內照度值過高產(chǎn)生眩光的情況；而UDI[15]不僅考慮到照度值過高和過低的情況，同時可以反映天然光的有效利用率。因此，本研究適宜采用UDI采光評價指標對采光質量進行評價。

國內評價室內眩光質量只針對DGI指標作出要求。國外提出的DGP指標既有對不舒適眩光計算方法，也融合了基于人的感性評價的實驗方法，綜合考慮了視線內的總體亮度、眩光光源的位置以及視覺對比度等信息[16]，在本研究中嘗試用DGP作為不舒適眩光的評價指標。

3 可變表皮的設計

3.1 設計思路

在方案設計階段，表皮的形態(tài)可能會隨著功能的疊加出現(xiàn)矛盾，如遮陽與通風、遮陽與得熱、采光與遮陽等。這些矛盾主要表現(xiàn)為表皮在應對不同需求時的不同響應方式。在設計階段，嘗試結合計算機模擬技術對表皮形態(tài)進行生成，以尋找到一種解決矛盾的平衡狀態(tài)。本研究利用Grasshopper平臺對表皮單元進行建模，并根據(jù)一定的算法進行變量參數(shù)的調整，生成各種表皮形態(tài)。運用Ladybug工具包對設有不同表皮形態(tài)的空間模型進行光環(huán)境模擬，對模擬結果進行數(shù)據(jù)處理，擇出表皮形態(tài)的最優(yōu)解（圖1）。

表1 自然采光相關評價指標

3.2 研究對象

研究對象為廈門市某既有南向采光辦公室，開間3.3m，進深6.0m，凈高3.0m，窗寬3.3m，窗高1.6m，窗臺高1.1m。測點SP1距窗戶1發(fā)，處于水平工作面上；根據(jù)GB 50033—2013《建筑采光設計標準》規(guī)定，廈門辦公建筑采光等級Ⅲ級，眩光測點設置于窗中心線上，窗對面墻向房間內偏移1m的位置（圖2）；水平工作面選取離地0.75高，測點網(wǎng)格單元尺寸均為0.5m×0.5m。

本文研究對象為滿足日常辦公功能的辦公室，通過對該辦公室進行建模和采光性能的模擬，得到以下結果（圖3）：全陰天空模型下初步模擬得出室內照度分布不均勻，采光窗附近區(qū)域照度值較高，最高為3162.9lx，并隨著進深方向逐漸降低。以優(yōu)化該空間的采光性能為目的，借助可變表皮系統(tǒng)來調節(jié)室內采光分布。

3.3 模擬優(yōu)化方法及軟件設置

優(yōu)化是一個反饋式的過程，通過不斷地模擬尋找優(yōu)化的設計方案，直到得到最優(yōu)的設計結果，形成設計上的閉環(huán)系統(tǒng)。通過模擬來反饋設計，可預測評價可變表皮的使用效果?，F(xiàn)有的環(huán)境模擬工具多為模擬靜態(tài)的建筑元素。在評價動態(tài)的建筑環(huán)境性能時，必須在一系列不同狀態(tài)的條件下分析，才能進行正確的優(yōu)化與評價。Ladybug工具包是基于Grasshopper平臺的插件，其Dynamic Shading模塊具有優(yōu)化功能，可得到逐時的最佳表皮形態(tài)，組合而成一系列可變表皮形態(tài)。本研究選用Grasshopper作為參數(shù)化建模與調節(jié)的界面，輸入不同的表皮形態(tài)作為變量參數(shù)，表皮形態(tài)的輸入由完全開啟至完全關閉，輸入端依次為state1、state2至stateN，state1為完全開啟狀態(tài)，stateN為完全關閉狀態(tài)。采光性能的模擬則通過Ladybug工具包調用Daysim和Radiance進行逐時的采光模擬（圖5）。根據(jù)設置的感應器（測點SP1）接收到的照度值Ex選取合適的表皮形態(tài)輸出。優(yōu)化目標的設置為：當100lx≤Ex≤2000lx表皮形態(tài)可直接輸出；當Ex＞2000lx時，調整表皮形態(tài)再進行模擬，直到滿足“100lx≤Ex≤2000lx”條件方可輸出；當Ex＜100lx時，確保表皮形態(tài)呈現(xiàn)完全開啟狀態(tài)后直接輸出，后期需考慮結合人工照明進行室內光環(huán)境優(yōu)化。模擬流程參看圖4。

在參數(shù)化平臺Grasshopper中的模擬參數(shù)設置（圖5）主要包括幾個方面：基地氣象數(shù)據(jù)、分析網(wǎng)格單元尺寸、分析精度、材料參數(shù)等，這些方面在Ladybug工具中可設置具體的參數(shù)（表2）。部分參數(shù)依據(jù)GB50033—2013《建筑采光設計標準》及JGJ/T449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》中的有關規(guī)定設定：反射次數(shù)為5次，窗戶透射比參數(shù)為0.75，辦公室內部的頂棚反射系數(shù)0.80，墻面反射系數(shù)0.60，地面反射系數(shù)0.30，表皮的反射系數(shù)0.85。

表2 模擬實驗電池組輸入端一覽表

表3 表皮設計形式示意圖

表4 3種可變表皮的全年逐時形態(tài)示意圖表

3.4 表皮形態(tài)設計與生成

百葉是常見的調節(jié)室內采光的方式之一，傳統(tǒng)百葉狀表皮的調節(jié)因素存在一定的局限性。三角形形式的單元表皮相較于方形百葉狀的表皮適用范圍更廣：具有較強的靈活性，能提供表皮運動的多種可能性，構造出形式多變的表皮系統(tǒng)；可多角度調節(jié)適應不同方向的采光特征，用以應對多變的環(huán)境因素；三角形表皮在建筑立面塑造更具美學特征。

以優(yōu)化以上空間的采光性能為目的，經(jīng)過反復的優(yōu)化模擬，最終得到了表3中Type5所示的分段式表皮設計形式。分段式表皮設計能夠更適宜地發(fā)揮出不同高度表皮的功能性。設計的表皮（圖6）高處部分作為反光區(qū)域，增加室內采光量，且不影響使用者的視覺感受；中部以下的表皮以遮陽功能為主，即減少工作臺面的直射光，又可調節(jié)因過度遮陽造成的視野遮擋。為了評價該表皮的室內光環(huán)境效果，對設計過程中考慮的幾種表皮形式進行對比分析。

針對不設表皮、3種不同傾角的固定表皮、動態(tài)百葉、一體式可變表皮和分段式可變表皮7種不同狀態(tài)下的室內采光性能進行全年時段的參數(shù)化研究。7種工況的表皮形態(tài)分別為（表3）：

Type0：房間不設表皮。

Type1～3：均為固定表皮，表皮深度0.476m。表皮圍繞軸旋轉分別為90°、60°和30°。

Type4：正三角形狀表皮，三角形邊長0.55m，深度0.476m。實行一體式調節(jié)。上下兩個正三角形鏡像組合而成，圍繞軸進行旋轉，遮陽表皮的變量參數(shù)為旋轉角度，由關閉到開啟狀態(tài)依次為0°、30°、60°和90°。

Type5：在Type3基礎上增加反光功能，實行分段式調節(jié)。自然光通過上半部分的反射表皮進入室內，經(jīng)由墻體的多次反射，提高房間深處的采光質量（圖6）。避光區(qū)的表皮由關閉到開啟狀態(tài)依次旋轉為0°、30°、60°和90°；反光區(qū)的表皮設置為關閉和開啟兩個狀態(tài)，旋轉角度分別為0°和90°。

Type6：動態(tài)百葉即百葉狀的可變表皮，由關閉到開啟狀態(tài)依次旋轉為0°、30°、60°和90°。

通過Ladybug工具包中的Dynamic Shading功能，自動生成全年逐時的表皮形態(tài)圖表（表4）。每種顏色對應的表皮形態(tài)如表4，以Type5夏至日6月21日為例：9：00，可變表皮的形態(tài)為“State1”；12：00，表皮形態(tài)為“State3”；15：00時呈現(xiàn)“State5”。

4 自然采光效果對比分析

4.1 照度

從測點SP1的全年照度分布圖表得出（圖7），設有表皮的辦公室相較于不設表皮的每小時照度整體有所下降。其中，不設表皮Type0照度最高，大部分時間高于4000lx；Type5的照度值變化最為穩(wěn)定，多處于3000lx以下。

以下選取夏至日6月21日10：00時照度分布情況進行對比（圖7）：不設表皮的Type0采光窗周圍區(qū)域照度約范圍約為3000～5200lx，測點SP1照度為4637lx。其他6種工況的采光窗周圍區(qū)域照度分別為2953lx、2036lx、1176lx、2036lx、2140lx和2257lx，相較于Type0的照度均有明顯下降。由此可見，不設表皮的辦公室可能出現(xiàn)過度采光的現(xiàn)象，表皮的存在能適當減少工作臺面出現(xiàn)過高照度值的情況。不設表皮的辦公室采光均勻度為0.26，設有表皮后的采光均勻度有所上升，動態(tài)百葉最高為0.39，三角形分段式次之為0.36。固定表皮Type1的采光均勻度為0.35，但采光窗附近區(qū)域的照度值過高。

4.2 UDI

根據(jù)Nabil的研究[15]，當采光照度低于100lx時采光量不足，辦公需要開啟人工照明；當照度在100～2000lx范圍內通常被認為是可接受的范圍；當采光照度值大于2000lx時，人眼的不舒適感會明顯上升。在評價空間自然采光質量時，用UDI來表示有多少時間采光過低、可以接受和過高，分別用UDI＜100lx、UDI100～2000lx以及UDI＞2000lx3個指標來表示各點僅在自然光照射下照度處于設定范圍內的時間百分比。

對比不同類型辦公室的UDI平均值（圖8），設有表皮的辦公室的UDI值較不設表皮的整體提升了。設有表皮后的6種工況，UDI＞2000lx值明顯下降，UDI100～2000lx值升高。Type6的UDI100～2000lx值最高為93.5%，UDI＞2000lx最小為0.2%。測點SP1的UDI值分別為3%、14%、28%、55%、75%、93%和100%，其中Type6的UDI最高，表明測點SP1全年約有100%的時間處于舒適采光狀態(tài)。

對比不同表皮類型辦公室中，統(tǒng)計超過50%的時間，照度值處于100lx至2000lx區(qū)間（UDI100～2000lx＞50%）的單元測點數(shù)量占總測點數(shù)的百分比（圖9），其中3種可變表皮的值均為100%，表示可變表皮能夠使得所有工作臺面的照度都能夠處于舒適采光區(qū)間，且達到的時間超過50%，表明可變表皮對提高室內UDI的效果明顯。

4.3 不舒適眩光DGP

眩光是由于視野范圍內的亮度分布不均勻，導致工作面與背景之間的亮度對比過大，引起人們眼睛的不舒適感或降低人們分辨細節(jié)和物體的能力[17]。本文通過對DGP的研究來量化和評價人的主觀感受，彌補采光系數(shù)、UDI等只針對照度作為評價指標的不足。

根據(jù)DGP的評價標準，DGP大于0.4表示出現(xiàn)的眩光不利于工作。對眩光測點出現(xiàn)不舒適眩光（DGP>0.4）的時間進行全年的統(tǒng)計（圖10）。不舒適眩光的出現(xiàn)主要集中在1—2月和9—12月。設有表皮的辦公室相比于不設表皮的出現(xiàn)眩光的時間明顯減少，說明表皮具有防眩光的作用。12月，設有表皮較不設表皮出現(xiàn)眩光的時間變化最為明顯。對比固定表皮的3種工況，Type1出現(xiàn)眩光的時間最多為27.4%，Type3出現(xiàn)眩光的時間最少為0%?？勺儽砥?種工況中，一體式調節(jié)的Type4眩光出現(xiàn)的時間為1.8%，分段式調節(jié)的Type5眩光出現(xiàn)的時間為7.1%，相比于不設表皮的分別減少了32.1%和26.8%。其中，Type6在控制眩光方面成效最佳。

4.4 總結

綜上所述，本研究對比有表皮和無表皮、固定表皮和可變表皮、一體式調節(jié)和分段式調節(jié)的可變表皮以及不同形式的可變表皮，綜合照度、UDI、DGP等多指標因素對室內采光的穩(wěn)定性和舒適性進行評價?？偨Y如下：

不設表皮的Type1室外無遮擋，室內照度分布不均，采光窗附近的照度過高，產(chǎn)生的不舒適眩光和太陽直射光會對使用者造成不良影響。

固定表皮中，Type1能起到減弱強光的作用，但效果不足，采光窗附近區(qū)域的照度值過高，導致眩光出現(xiàn)的概率過大；Type2在Type1的基礎上有所改善，但優(yōu)化效果依然不足；Type3總體優(yōu)化效果最佳，在眩光調節(jié)方面起到了最佳的效果，但是由于其表皮形態(tài)會過多地遮擋采光窗，導致自然采光和視野不足的可能性也相對增加。

本研究中的可變表皮在各方面表現(xiàn)均優(yōu)于固定表皮。在可變表皮中，動態(tài)百葉的光環(huán)境優(yōu)化效果略優(yōu)于三角形狀可變表皮。在三角形狀的可變表皮中，分段式相比于一體式可變表皮調節(jié)室內光環(huán)境綜合效果更佳。其中，分段式調節(jié)的可變表皮在提高室內有效采光時間和維持光環(huán)境穩(wěn)定等方面成效更佳。

結語

本研究以改善室內光環(huán)境為目標，結合表皮的設計探討了可變表皮形態(tài)生成的方法，并比較分析了不同表皮形式對室內光環(huán)境的影響。研究中利用參數(shù)化平臺進行了光環(huán)境的模擬和優(yōu)化，以Rhino和Grasshopper為建模平臺，Ladybug工具包為性能模擬優(yōu)化平臺，根據(jù)既有辦公室室內光環(huán)境的缺陷，進行改善室內采光性能的可變表皮設計與形態(tài)生成。通過模擬優(yōu)化和對比分析，生成一系列表皮形態(tài)，并綜合了各類采光評價指標對其的室內光環(huán)境進行評價。研究結果表明：對參數(shù)化平臺的合理運用能夠自動生成最優(yōu)的可變表皮形態(tài)組合，達到改善室內環(huán)境的目的。同時，也證明了合理的可變表皮設計能夠改善室內采光分布不均勻的問題，增加室內舒適采光的時間以及減小室內不舒適眩光出現(xiàn)的概率。

本文的可變表皮設計僅涉及辦公建筑室內光環(huán)境優(yōu)化的研究?？勺儽砥ぷ鳛榻ㄖ摹捌つw”，可以從熱環(huán)境、光環(huán)境、風環(huán)境等多方面調節(jié)室內環(huán)境的作用，可變表皮對其他環(huán)境因素的調節(jié)以及不同因素之間的耦合依然是有待研究的課題。

資料來源：

文中圖表均為作者自繪。