基于多目標優(yōu)化的可變建筑反光構件設計研究*

石 峰，朱雨潔，劉 江

引言

隨著現(xiàn)代社會城市化和工業(yè)化的發(fā)展，白領勞動力人數逐漸增加，辦公室成為了現(xiàn)代人群的主要工作地點。其光環(huán)境舒適度對于工作者的工作效率及身體健康有重大意義[1]。在當今建筑發(fā)展的大環(huán)境下，“綠色建筑”、“可持續(xù)發(fā)展建筑”等概念已被廣泛應用于辦公建筑的設計與建造中。引進無污染、光色好的日光作為光源是綠色建筑光環(huán)境的一部分，舒適健康的光環(huán)境同時應包括易于觀看，安全美觀的亮度分布，眩光控制和照度均勻控制等。

多數辦公建筑在設計時重點聚焦立面造型及建筑形式，建筑窗洞口只是實現(xiàn)造型的一部分，并未嚴格按照現(xiàn)有采光標準來考慮其形式、構造，這就導致部分既有辦公建筑在工作時間段中無法合理利用自然光照，出現(xiàn)室內光環(huán)境舒適度不高，對人工照明依耐性強，能源消耗量大等問題[2]。有關研究發(fā)現(xiàn)辦公建筑的照明能耗占建筑總能耗的20%～40%[3]。

建筑反光構件作為一款經濟有效的輔助采光構件，經常架設在建筑窗洞口處以改善室內光環(huán)境。國外學者較早認識到反光構件對于室內光環(huán)境舒適度及建筑能耗的關系。美國勞倫斯伯克利國家實驗室（2000）研發(fā)了一種更高效率的反光構件系統(tǒng)——可變的反光構件系統(tǒng)，裝置可隨著太陽光線入射角的改變而變化位置，將光線反射到盡可能遠的室內深處[4]。瑞士學者 Jean-Louis Scartezzini（2002）開發(fā)出一款附著高鏡面反射率鋁箔的導光天花系統(tǒng)（圖1～5）。這種導光系統(tǒng)除能提高室內采光均勻度外還可阻擋部分熱輻射[5]。Ahmad Eltaweel 等學者（2017）提出一種自動百葉控制方法，通過百葉葉片反射及遮擋自然光以優(yōu)化其利用率。所提出的控制方法不僅可以保護乘員免受陽光直射，而且可以基于算法將日光穿透到辦公室中[6]。

圖1 模擬對象平面圖、立面圖

國內也有許多關于反光構件的研究。吉林建筑大學的李晨冉等（2016）通過模擬分析不同反光板對長春地區(qū)建筑光均勻度的影響，得出采用室內反光板且設置于距窗上沿高度為600mm，寬度為700mm的最優(yōu)結果[7]。廈門大學的石峰等（2017）對SD 競賽中應用到的反光構件進行了歸納總結[8]。孫健等（2017）以張家口地區(qū)為例研究南向外窗反光板設計分析，探討了反光板在不同情況下適宜的安置方式與朝向問題[9]。Xiujie Li 等（2018）設計了一種主動式光照收集裝置，通過這種裝置將太陽光均勻反射至室內，提供優(yōu)質照明[10]。黃晶晶等（2019）以深圳地區(qū)某內廊式辦公建筑大空間化改造為對象，結合反光板探討了自然采光設計的優(yōu)化方案[11]。

對于反光構件的研究，國外更注重于形式創(chuàng)新及智能化調控，研究基于的氣候條件與我國相差很大，其研究結果未必能夠很好地應用于我國的建筑設計。我國的研究多關注于其性能優(yōu)化效果，反光構件形式相對簡單且可調控案例較少。本文結合以往研究的優(yōu)缺點，采用多目標優(yōu)化的方式研究可變建筑反光構件的設計。

1 模擬對象及優(yōu)化平臺

1.1 模擬對象

為了研究可變建筑反光構件的變化過程，選取確實存在光環(huán)境問題的廈門市某單側南向采光普通辦公室（圖1）為模擬對象，辦公室開間3.3 m，進深6.0 m，凈高3.0 m，建筑朝向為南向，窗寬3m，高1.7m，窗臺高0.9m。GB50033-2013 《建筑采光設計標準》（GB/50033-2013）將模擬照度分析平面稱為參考平面（Reference Surface），將其定為高于室內地面0.75 m 的水平工作面，此次模擬采用此標準并將測點網格單元尺寸定為1 m×1 m。眩光測點s 定為室內中心點，高1.2m 處，視線方向正對窗戶。

1.2 多目標優(yōu)化平臺——Octopus

Octopus 是基于Grasshopper 平臺的多目標優(yōu)化運算器，該運算器結合帕累托最優(yōu)原理與進化算法，提供自定義個數目標的方案生成搜索功能，針對多目標優(yōu)化問題提供多種自定義的優(yōu)化參數選項[12]。其軟件面板的G 端可接入多個控制參數，O 端可接入多個與G 端參數相關的評價參數（優(yōu)化目標），以此實現(xiàn)多目標優(yōu)化計算的目的。選用octopus 平臺可以通過多個評價指標來找尋方案最優(yōu)解集，適用于可變反光構件對于室內光環(huán)境優(yōu)化及節(jié)約能耗效果的研究設計過[13]。

2 可變反光構件多目標優(yōu)化設計流程——以夏至日15:00 為例

本例采用多目標優(yōu)化的方式研究針對具體氣候條件的可變建筑反光構件狀態(tài)，同時考慮室內光環(huán)境優(yōu)化和降低能耗的效果。研究選取的既有辦公室模型位于廈門，廈門屬于典型的夏熱冬暖地區(qū)，長熱無冬，一年中有較多時間段都需要開啟空調設備制冷，在極少數較冷日期需要使用空調制熱。本文將照明能耗及暖通空調能耗相加作為建筑能耗用來評價構件降低能耗的效果。

研究以夏至日模擬為例，在盡可能提高采光均勻度，降低DGI 的情況下同時降低能耗能耗，其優(yōu)化流程如圖2 所示[14]。

圖2 優(yōu)化流程圖

2.1 反光構件運動模式及原型設定

反光構件對于室內光環(huán)境優(yōu)化效果的優(yōu)劣很大程度上取決于整塊構件對光線的偏轉能力及其接受光線的面積。由于太陽位置是在一個三維立體空間運動，自然光入射角的變化也是三維的，已有研究經常使用的單軸旋轉方式不足以應對自然入射光線的變化，因此使用兩種旋轉方式疊加可更好地實現(xiàn)光線偏轉。圖3 中面對同一方向的太陽入射光線，可變建筑反光構件使用了兩種旋轉方式將入射光偏轉至室內深處，更有利于提高室內照度分布均勻度。反光構件的設置高度也會影響室內光環(huán)境優(yōu)化效果。因此研究為反光構件設置三種運動方式來探討具體時刻的最優(yōu)狀態(tài)。

圖3 太陽光線入射偏轉示意

本文借鑒哈佛大學Jae Wan Park 等人[15]對表皮運動形式圖形化的表達方式對反光構件的運動模式進行圖解，將其分解為標準點、控制點、以及固定邊、鉸接邊、不閉合邊進行運動模式展示，同一種基本型因其點和邊的功能設置可完成多種運動（圖4）。

圖4 運動模式示意

傳統(tǒng)的反光構件一般為長度為房間面寬，寬度0.5m～1.5m 的矩形反光板，若其長度過長，進行旋轉2 的運動模式時會導致起翹過高甚至超過窗洞口高度，因此需對其進行單元劃分。研究針對模擬對象將長3.3m、寬0.8m 的傳統(tǒng)反光板均分為4 個單元，為了達到規(guī)定設置區(qū)域的全覆蓋，選用矩形作為單元形狀，其架設在建筑上的簡易參數化模型如圖4 所示，每個運動模式對應的變化模式如圖5 所示。

圖5 運動模式變化示意

2.2 優(yōu)化流程參數設定

研究設定3 種運動模式，即為最終形態(tài)的3 個參數變量。旋轉1 的角度設為M，旋轉2 的角度設為N，設置高度設為H。它們的設置范圍及對應滑竿參數如表1 所示。在參數化建模平臺實現(xiàn)這3 種運動，并用滑桿控制需要一套特定的電池組，其建模電池組如圖6 所示。

表1 多目標優(yōu)化參數設定

圖6 運動模式參數化建模電池組圖

整個優(yōu)化流程涉及到的參數輸入主要有城市氣象數據，模擬時間段，網格分析尺寸，玻璃透射率，構件反射率及反射次數。模擬將玻璃透射率設為0.65，構件反射率設置為0.84，反射次數定為5，其余在Ladybug tools 技術平臺上有具體的參數輸入（表2）。

表2 Ladybug Tools 輸入端口一覽表

2.3 優(yōu)化目標

反光板作為輔助采光構件并不能如人工照明一般極大程度地改變室內照度，且過度使用人工照明的情況多數是由于遠窗處照度過低，室內照度分布不均勻；近窗處眩光嚴重導致遮陽構件的使用所致。因此本例針對的光環(huán)境優(yōu)化參數為不舒適眩光指數DGI（圖7）和采光均勻度（圖8），其規(guī)范要求如表3 所示。（圖9）加入優(yōu)化目標中，能耗的計算需要設定一個時間段，本研究以每兩個小時為求優(yōu)時間段，將優(yōu)化設定時刻后的每兩小時的能耗作為第三個優(yōu)化目標。

表3 光環(huán)境評價標準

圖7 運動模式變化示意

圖8 采光均勻度計算電池組

圖9 能耗計算電池組

基于研究的優(yōu)化目標，模擬精度以及模擬時長的綜合考慮，研究在Octopus 技術平臺上有著具體的參數輸入（表4），其電池連接方式如圖10 所示。

表4 copus 輸入端口一覽

圖10 Octopus 電池接入端

2.4 優(yōu)化結果

通過50 代的計算之后，求解面板趨于穩(wěn)定（圖11）。通過面板可以看到所有變化狀態(tài)的模擬結果DGI 為20.27～22.29；采光均勻度為0.38～0.5；能耗四舍五入后均為2.67。使用show 2D Front Line 功能顯示每一代的帕累托前沿，并提出包含九組數據的第50 代帕累托最優(yōu)解集，九組解的參數設定及模擬結果如表5 所示。

圖11 48～50 代求解空間示意圖

表5 帕累托最優(yōu)解集構件狀態(tài)及模擬結果

使用可變建筑反光構件的目的是提高室內光環(huán)境質量及降低能耗，模擬結果中DGI 值均處于23 以下。每組DGI 值、能耗差別均不大，因此選擇這九組中采光均勻度最高的7 組作為夏至日15 時可變建筑反光構件的最優(yōu)形態(tài)。將7 組優(yōu)化過的光環(huán)境數據代入能耗計算中的lighting schedule，使用優(yōu)化后的室內光環(huán)境重新進行能耗計算，得出其若維持15:00 的形態(tài)，15:00～17:00 的能耗為1.367KWh，原始模型夏至日光環(huán)境計算出的既有辦公室在15:00～17:00 的能耗為1.373KWh，夏至日15:00～17:00 室內光環(huán)境優(yōu)化后能耗有小幅度的減少。

反光構件在將自然光線導入室內深處時，其遮陽效果也會對室內光照度產生影響，研究對15:00 的室內照度進行更精細的模擬，將網格分析尺寸設為0.5，模擬結果如圖12 所示。結果表明進過多目標優(yōu)化后得出的15:00 可變反光構件在提高室內采光均勻度的同時也提高了整體照度。

圖12 室內照度變化情況

2.5 夏至日構件狀態(tài)

通過同樣的模擬方式對夏至日從9:00 開始的工作時間段內，每隔兩個小時進行一次多目標優(yōu)化求解，每個時刻最優(yōu)狀態(tài)及室內光照模擬圖如圖13 所示。

圖13 夏至日可變建筑反光構件狀態(tài)及室內光線圖

為了更直觀地展示可變建筑反光構件的優(yōu)化效果，將既有南向辦公室的原始光環(huán)境與架設可變建筑反光構件后的優(yōu)化數值DGI 與采光均勻度列圖表對比（表6，圖14、15），沒有架設構件的模擬組為A 組，架設構件的模擬組為B 組。每個時刻的構件最終優(yōu)化狀態(tài)都使得DGI指數保持在23 以下，并在夏至日所有模擬時刻提高了采光均勻度，達到了光環(huán)境優(yōu)化的研究目的。

表6 夏至日DGI 及采光均勻度

圖14 夏至日DGI 變化折線圖

圖15 夏至日采光均勻度變化折線圖

由于之前的多目標優(yōu)化在計算制冷能耗時使用的是ladybug tools自帶的燈光控制時間表，對于實際能耗的模擬不夠準確，因此將每個最優(yōu)解的光環(huán)境代入能耗計算中的lighting schedule 進行暖通空調及照明能耗的計算。

將每組每個時間段能耗相加，A組總能耗為4.89KWh，B組為3.55KWh，架設可變建筑反光構件后，夏至日9:00～17:00 時間段的能耗降低了27.4%（圖16）。

圖16 夏至日能耗對比

2.6 春分日、秋分日和冬至日模擬結果

通過同樣的方式對一年中其余3 個典型節(jié)氣（春分日、秋分日、冬至日）的可變建筑反光構件進行狀態(tài)求優(yōu)，由于多目標求優(yōu)的最終目的是調整合適的構件狀態(tài)使得3 個優(yōu)化目標達到帕累托最優(yōu)狀態(tài)，因此本小節(jié)僅對比構件架設前后的光環(huán)境及能耗變化，不做構件狀態(tài)的可視化展示。

從表7 的數據來看，DGI 值除冬至日17:00 有所增加外，其余模擬時刻均有不同幅度的降低；采光均勻度除春分日17:00 略有下降外，其余模擬時刻均有增加。在某些時刻某些指標經過優(yōu)化后出現(xiàn)劣于初始值的情況，這是在多個優(yōu)化目標的制約求優(yōu)下出現(xiàn)帕累托最優(yōu)狀態(tài)的結果，即不可能在不使任何其他優(yōu)化目標受損的情況下再改善某優(yōu)化目標的境況。

表7 春分日、秋分日及冬至DGI 和采光均勻度

統(tǒng)計四個節(jié)氣架設可變建筑反光構件前后的總能耗（圖17），4 個節(jié)氣架設構件前總能耗為15.73KWh，優(yōu)化后總能耗為13.905KWh，減少了11.6%的能耗。

圖17 春分日、夏至日、秋分日及冬至日能耗對比

2.7 構件構造設計

研究對可變建筑反光構件進行了粗略的構造設計，組成整個構件的零件包括各部分桿件，反光板、反射膜、電動豎直導軌、電動滑塊、電機、橫桿等（圖18）。整個構件的3種運動模式依靠電機和電動豎直軌道帶動，其機械控制示意圖19 如所示。

圖18 可變建筑反光構件構造示意

圖19 構件機械運動方式展示

可變建筑反光構件是脫離于建筑主體外的獨立系統(tǒng)，不需依托建筑就可獨立完成設定的運動模式。整體架設于建筑上時，只需要使用基礎連接構件將其固定于建筑上即可，這些特性使其十分適用于建筑改造領域。

結語

研究以Rhino、Grasshopper 為建模平臺，建立廈門地區(qū)既有南向辦公室模型作為模擬對象，并通過參數化編程建立擁有3 種運動形式的可變建筑反光構件模型；以Ladybug Tools 為性能模擬平臺，Octopus為數據處理平臺，通過夏至日15:00 可變建筑反光構件狀態(tài)多目標求優(yōu)流程的詳細介紹作為方法展示，對整個“建?！M—優(yōu)化”的流程、方法和關鍵數據輸入都進行了完善和整理。之后使用同樣的求優(yōu)方法求出一年中最具代表性的4 個節(jié)氣（春分日、夏至日、秋分日、冬至日）的可變建筑反光構件狀態(tài)表，對比了架設構件前后的既有辦公室光環(huán)境與能耗變化。模擬結果表明，既定運動方式下的多個建筑反光構件狀態(tài)可通過多目標優(yōu)化求解的方式得到某一特定時刻的最優(yōu)狀態(tài)解集，并通過一定篩選機制得到一組最優(yōu)狀態(tài)，這組最優(yōu)狀態(tài)使得模擬對象在眩光指數DGI 及能耗盡可能低的情況下采光均勻度盡可能高。

相比于模擬對象的原始光環(huán)境，使用多目標優(yōu)化求得的可變建筑反光構件后，不僅整體光環(huán)境得到了優(yōu)化，4 個模擬節(jié)氣的總能耗對比于原始光環(huán)境在工作時間段節(jié)省了11.6 %。由于廈門屬于夏熱冬暖地區(qū)，一年中有較多的時間使用制冷設備，圖17 的能耗對比顯示在需要使用制冷設備的夏至日和秋分日的能耗有明顯下降，可以推斷可變建筑反光構件應用于經常需要使用制冷設備的夏熱冬暖地區(qū)能夠更好地發(fā)揮節(jié)能作用。

考慮到多目標優(yōu)化模擬的時間，本文并未對運動形式的每個變化區(qū)間做更精細的劃分。若電腦運行速度允許，可更進一步細分旋轉運動的角度及滑動運動的距離，且可對更多時間段的構件狀態(tài)進行多目標求解。筆者團隊基于本文研究進行了實測研究，由于篇幅限制不在此詳述。本文是以多目標優(yōu)化的方法設計出一款以性能優(yōu)化為目標的可變建筑反光構件，為建筑師的設計研究工作提供了更多的方法與思路。

圖、表來源

文中圖、表均由作者繪制。