吳 揚(yáng)

(廣西華藍(lán)設(shè)計(jì) (集團(tuán))有限公司，廣西南寧 530011)

1 概述

建筑天然采光是建筑物理環(huán)境設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。良好的設(shè)計(jì)不但能夠?yàn)槭褂谜郀I造優(yōu)良舒適的室內(nèi)光環(huán)境，而且能夠降低建筑照明能耗。當(dāng)前的建筑采光設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛地使用天然采光計(jì)算軟件對(duì)室內(nèi)環(huán)境的天然采光狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。常用的天然采光計(jì)算軟件包括 Radiance、Desktop Radiance、Ecotect、Dialux、AGi32、DAYSIM、IES ＜ VE ＞、Daylight Visualizer等［1］。根據(jù)模擬對(duì)象及狀態(tài)的不同，天然采光計(jì)算軟件大致可以分為天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件和天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件。天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件可對(duì)單一時(shí)刻特定天空條件下固定場(chǎng)景參數(shù)的天然采光狀況進(jìn)行計(jì)算。天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件可對(duì)多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上變化天空條件下多種場(chǎng)景參數(shù)的天然采光狀況進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)這一分類原則，常用的 Radiance、Desktop Radiance、Ecotect、AGi32和Dialux等軟件可歸為天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件。國際上主要的動(dòng)態(tài)天然采光計(jì)算軟件包括ADELINE，DAYSIM、Lightswitch wizard、SPOT 等［2］。天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件是當(dāng)前天然采光計(jì)算軟件的主流，能否利用這些成熟的天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算，是個(gè)值得研究的課題。因此，研究利用腳本控制天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件的方法以達(dá)成這一目標(biāo)。

天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算是天然采光計(jì)算中較新的一個(gè)研究方向，對(duì)中文文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，國內(nèi)研究人員在這一方向進(jìn)行研究并做出公開報(bào)告的主要有云朋在文獻(xiàn) ［1］中系統(tǒng)論述了當(dāng)前主流的建筑光環(huán)境模擬軟件，其中對(duì)天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件DAYSIM及使用均有詳細(xì)介紹。南京大學(xué)的吳蔚、劉坤鵬在文獻(xiàn) ［3］中對(duì)DAYSIM這一主要的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件進(jìn)行了介紹。劉昆明在文獻(xiàn)［2］中，探討了主要的4種天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件的特點(diǎn)，并研究了DAYSIM在南京地區(qū)天然采光設(shè)計(jì)中的適用性。羅濤、林若慈等研究人員在文獻(xiàn)［4］中研究了天然導(dǎo)光系統(tǒng)，并利用SkyVision軟件對(duì)導(dǎo)光系統(tǒng)的全年采光動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬。王洪珍在文獻(xiàn)［5］中探討了地域性光氣候的建筑采光模擬中動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)的計(jì)算。根據(jù)所述，當(dāng)前國內(nèi)的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算研究中，主要基于DAYSIM軟件實(shí)現(xiàn)天然采光的動(dòng)態(tài)計(jì)算，而在如何利用現(xiàn)有成熟的天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)算的研究仍然較少。

2 方法研究

2.1 天然采光靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)算差異分析

天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件能夠計(jì)算靜態(tài)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括照度、照度均勻度、采光系數(shù)。天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件的特點(diǎn)是能夠?qū)我粫r(shí)間點(diǎn)單一場(chǎng)景條件的天然采光狀況進(jìn)行計(jì)算。若要進(jìn)行隨時(shí)間變化的多種天空狀況下的天然采光計(jì)算，或是與空間使用者行為聯(lián)系的動(dòng)態(tài)遮陽狀況下的天然采光計(jì)算，以及針對(duì)動(dòng)態(tài)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算，則天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件依靠其自身的功能無法完成。

天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件能夠計(jì)算連續(xù)時(shí)間序列多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的多場(chǎng)景天然采光狀況，每個(gè)計(jì)算場(chǎng)景可以有不同的天空狀況和設(shè)備作息的變化。因此，天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件能夠與光控、遮陽控制等系統(tǒng)耦合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的天然采光計(jì)算功能，并計(jì)算諸如全自然采光時(shí)間百分比 (DA)等動(dòng)態(tài)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。

總結(jié)以上對(duì)比，天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件較天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件增加了以下功能:

1)對(duì)給定時(shí)間區(qū)間上連續(xù)時(shí)間序列的天然采光場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算;

2)每個(gè)采光場(chǎng)景可以有獨(dú)立的天空狀況;

3)每個(gè)采光場(chǎng)景可以有獨(dú)立的燈光、遮陽等設(shè)備的作息情況;

4)可以實(shí)現(xiàn)光環(huán)境與設(shè)備作息的耦合計(jì)算;

5)能夠計(jì)算動(dòng)態(tài)光環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 腳本控制機(jī)制

根據(jù)天然采光靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)算差異分析，提出用腳本控制天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件的方法。在該方法中，天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件應(yīng)具備較好的擴(kuò)展性，以便通過編寫腳本的方式對(duì)天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件的運(yùn)行進(jìn)行控制，完成動(dòng)態(tài)計(jì)算。利用腳本語句，可將擬計(jì)算時(shí)間區(qū)間離散為多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的天然采光計(jì)算由天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件完成。腳本語言的循環(huán)控制結(jié)構(gòu)可以控制天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件對(duì)多個(gè)采光場(chǎng)景進(jìn)行連續(xù)的計(jì)算。采用這一方法，天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件的擴(kuò)展性應(yīng)能夠讓腳本進(jìn)行以下的基本控制:

1)設(shè)置計(jì)算的時(shí)間與日期;

2)設(shè)置天空類型;

3)讀取計(jì)算結(jié)果。

2.3 流程分析

根據(jù)腳本控制機(jī)制的分析，可以繪制出基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算流程圖如圖1所示。流程的第一步是完成采光計(jì)算場(chǎng)景的建模，通常包括擬計(jì)算房間的地面、墻壁、天花、家具等構(gòu)件的幾何模型。流程的第二步是對(duì)計(jì)算場(chǎng)景進(jìn)行定義，包括場(chǎng)景內(nèi)各物體表面的可見光反射比、透明物體的可見光透射比、天空類型、計(jì)算的日期和時(shí)間等參數(shù)。流程的第三步是根據(jù)場(chǎng)景模型及場(chǎng)景定義進(jìn)行天然采光計(jì)算或渲染。流程的第四步是在天然采光渲染或計(jì)算結(jié)束后，輸出單次天然采光計(jì)算的結(jié)果。流程的第五步是進(jìn)行循環(huán)控制判斷，判斷天然采光計(jì)算軟件是否需要進(jìn)入下一采光場(chǎng)景的計(jì)算，若需要?jiǎng)t重復(fù)流程的第二至第四步，若不需要?jiǎng)t進(jìn)入流程的第六步。在循環(huán)控制中，通過循環(huán)的初值、終值以及步長對(duì)計(jì)算時(shí)間區(qū)間進(jìn)行離散。流程的第六步是數(shù)據(jù)處理，即對(duì)每一場(chǎng)景計(jì)算中輸出的計(jì)算結(jié)果根據(jù)需要進(jìn)行運(yùn)算或統(tǒng)計(jì)處理。流程的第七步是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，輸出天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的結(jié)果。

圖1 基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算流程圖Fig.1 Daylighting dynamic calculation process based on Script Control

3 軟件工具與計(jì)算實(shí)現(xiàn)

3.1 腳本工具及天然采光計(jì)算軟件

根據(jù)方法研究，基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法要求天然采光計(jì)算軟件應(yīng)具備較好的可擴(kuò)展性，以便利用腳本對(duì)天然采光計(jì)算軟件進(jìn)行控制。在常用的天然采光靜態(tài)計(jì)算軟件中，Radiance計(jì)算精度高，擴(kuò)展性強(qiáng)，因此選擇該軟件用于基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的實(shí)現(xiàn)［6］。Ecotect軟件是美國Autodesk公司開發(fā)的綜合建筑性能模擬軟件，該軟件提供了良好的接口將模型和場(chǎng)景定義參數(shù)輸出為Radiance場(chǎng)景文件，供Radiance進(jìn)行渲染和計(jì)算。而且，Ecotect軟件提供了一個(gè)基于Lua語言的腳本工具，該腳本工具能利用命令對(duì)Ecotect做全面的控制，且腳本語法符合Lua語言語法規(guī)則，并能實(shí)現(xiàn)Lua語言的基本功能。Ecotect能夠快速地進(jìn)行采光場(chǎng)景的建模及場(chǎng)景定義，其與Radiance的接口能夠靈活地調(diào)用Radiance進(jìn)行天然采光靜態(tài)計(jì)算，因此選擇Ecotect軟件的腳本工具作為實(shí)現(xiàn)天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算控制的腳本工具。

3.2 主要腳本語句介紹

通過Ecotect的腳本工具控制Radiance進(jìn)行天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算，涉及到一系列的命令及參數(shù)設(shè)置，下面對(duì)腳本編寫中主要的采光場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置命令及運(yùn)行控制命令進(jìn)行介紹［7］。Ecotect軟件的腳本命令在不同版本中會(huì)有一些差異，因此除非特別說明，下面介紹的命令適用于Autodesk Ecotect Analysis 2011版本。

1)場(chǎng)景日期及時(shí)間設(shè)置命令。set(“date”，day，month，［time］)命令用于設(shè)置場(chǎng)景的日期及時(shí)間，day為取值 ［1，31］的整數(shù)，month為取值［1，12］的整數(shù)。time為可選參數(shù)，用于設(shè)定時(shí)間，為取值 ［0.0，23.99］的小數(shù)。需要注意的是，在Autodesk Ecotect Analysis 2010版本中，該命令為 set( “model.date”，day，month，［time］)。

2)天空類型設(shè)置命令。set(“radiance.sky”，skytype)命令用于設(shè)置天然采光計(jì)算時(shí)的天空類型，skytype為取值［0，6］的整數(shù)，分別對(duì)應(yīng)“No sky”，“Sunny with sun”，“Sunny without sun”，“Intermediate with sun”， “Intermediate no sun”， “Overcast sky”，“Uniform sky”。

3)模型細(xì)節(jié)設(shè)置命令。set(“radiance.detail”，detail)命令用于設(shè)定天然采光計(jì)算中模型的精細(xì)程度，detail為取值 ［0，2］的整數(shù)，分別對(duì)應(yīng)模型的精細(xì)程度等級(jí)為“Low”、“Medium”、“High”。

4) 圖像類型設(shè)置命令。set(“radiance.imagetype”，type)命令用于設(shè)置Radiance渲染計(jì)算的圖像類型，type為取值［0，3］的整數(shù)，分別對(duì)應(yīng)的圖像類型為“Luminance(cd m2)”、“Illuminance(Lux)”、“Daylight Factor(%)”、“Sky Component(%)”。

5) 反射次數(shù)設(shè)置命令。set(“radiance.reflections”，bounces)命令用于設(shè)置光線追蹤計(jì)算時(shí)，投射到每個(gè)采樣點(diǎn)的光線在場(chǎng)景物體表面上的反射次數(shù)。bounces為取值 ［0，12］的整數(shù)，數(shù)值越高計(jì)算的光線反射次數(shù)越多，計(jì)算時(shí)間越長。

6)分析點(diǎn)設(shè)置命令。set(“radiance.pointdata”，type)命令用于設(shè)置Ecotect環(huán)境中哪些分析點(diǎn)需要在Radiance中進(jìn)行分析，type為取值［－1，3］的整數(shù)，分別對(duì)應(yīng) “No point data generated”、 “Current 2D analysis grid”、 “Current 3D analysis grid”、“Objects tagged as shaded”、“Currently selected objects”。

7)For語句［8］［9］。For語句是 Ecotect腳本工具中Lua語言的一種循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其語法為:For counter=start，end，［step］do block end。counter為計(jì)數(shù)器變量;start為計(jì)數(shù)器初值;end為計(jì)數(shù)器終值;step為可選參數(shù)，為counter的步長;block為一條或多條語句，它們將被執(zhí)行指定的次數(shù)。

3.3 Ecotect腳本流程分析

根據(jù)對(duì)天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的的研究和Ecotect軟件及其天然采光的主要腳本語句介紹，可以編制控制Radiance進(jìn)行天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的Ecotect腳本，該Ecotect腳本的流程如圖2所示。圖2在說明Ecotect腳本編制流程的同時(shí)給出了每一步驟要調(diào)用的Ecotect命令。天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算中的多場(chǎng)景計(jì)算和擬計(jì)算時(shí)間區(qū)間的離散，通過Ecotect腳本工具中Lua語言的For語句實(shí)現(xiàn)，也可以采用while語句、repeat語句等循環(huán)控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。推薦采用For語句這類循環(huán)次數(shù)確定的循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，以保證腳本運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖2 采用Ecotect實(shí)現(xiàn)天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的腳本流程圖Fig.2 Script Control process of daylighting dynamic calculation using Ecotect

4 案例研究

在天然采光動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的案例研究中，將采用一個(gè)矩形平面的教室做為研究對(duì)象，研究其能否滿足LEED 2009 NC中IEQ 8.1項(xiàng)對(duì)天然采光的要求［10］，并對(duì)其逐時(shí)室內(nèi)照度進(jìn)行評(píng)價(jià)。LEED 2009 NC中IEQ 8.1項(xiàng)要求室內(nèi)常用空間在晴天空條件下，9月21日上午9時(shí)和下午3時(shí)，室內(nèi)常用空間獲得最小110lx，最大5400lx的天然光照度水平。

4.1 模型概況

擬研究案例位于廣西南寧市，地理坐標(biāo)為北緯22.6度，東經(jīng)108.2度。該教室的朝向?yàn)檎媳毕?，教室的面寬?.4m，進(jìn)深7.2m，高3.6m。其南向外墻上開有兩扇2.7m×2.2m的外窗，窗間墻為0.8m。教室位于一層且不考慮室外遮擋。該教室的平面、立面及Ecotect模型透視圖如圖3所示。根據(jù)該教室的幾何尺寸及窗戶尺寸進(jìn)行面積計(jì)算，教室窗面積為11.88m2，地面積為60.48m2，窗地面積比為19.64%。

圖3 分析案例的平面、立面及模型透視圖Fig.3 Plane，elevation and model perspective graph of the analysis samples

4.2 參數(shù)設(shè)置

模擬計(jì)算中采用的氣象數(shù)據(jù)為Energyplus氣象數(shù)據(jù)庫中南寧市的氣象數(shù)據(jù)Nanning_CSWD［11］。模型中，教室地面可見光反射比為0.30，墻體及頂棚的可見光反射比為0.70，門板的可見光反射比為0.40。教室外窗采用Low-E中空玻璃窗，可見光透射比為0.55。由于窗玻璃的面積遠(yuǎn)大于窗框面積，模擬分析模型中對(duì)窗框進(jìn)行了簡化。為了比較精確的評(píng)價(jià)常用空間中天然光照度的滿足情況，本研究中采用0.5m×0.5m的網(wǎng)格布置計(jì)算分析點(diǎn)，同時(shí)限定計(jì)算分析點(diǎn)與墻體內(nèi)表面的最近距離為0.5m。

在天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算腳本的編制中，分析點(diǎn)設(shè)置命令set(“radiance.pointdata”，type)的 type取值為0;模型細(xì)節(jié)設(shè)置命令 set(“radiance.detail”，detail)的detail取值為2;圖像類型設(shè)置命令set(“radiance.imagetype”，type)的type取值為1;反射次數(shù)設(shè)置命令 set(“radiance.reflections”，bounces)的 bounces取值為5。LEED 2009 NC中針對(duì)9月21日晴天空條件下的室內(nèi)天然采光狀況提出了要求，因此，天空類型設(shè)置命令 set(“radiance.sky”，skytype)的 skytype取值為2［12］［13］。計(jì)算時(shí)間的變化通過 For語句中的循環(huán)控制計(jì)數(shù)器和場(chǎng)景日期時(shí)間設(shè)置命令共同控制，計(jì)算的起始時(shí)間為9月21日9:00，終止時(shí)間為9月21日15:00，步長為1h，共計(jì)算7個(gè)天然采光靜態(tài)場(chǎng)景。

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)了7個(gè)計(jì)算場(chǎng)景中照度的最大值，最小值，平均值，采光均勻度以及房間內(nèi)208個(gè)計(jì)算點(diǎn)中照度值(lx)在［110，5400］區(qū)間內(nèi)的計(jì)算分析點(diǎn)數(shù)占計(jì)算分析點(diǎn)總數(shù)的比例分?jǐn)?shù)。對(duì)各時(shí)間點(diǎn)照度最大值、最小值和平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖，如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示，研究案例的教室中，在9月21日9時(shí)～15時(shí)晴天空條件下，室內(nèi)照度的最大值、最小值和平均值的峰值均出現(xiàn)在13時(shí)。計(jì)算時(shí)段的7個(gè)時(shí)間點(diǎn)中，各時(shí)間點(diǎn)照度最小值均大于110lx，照度最大值均小于5400lx，照度的平均值在671.93lx～1006.27lx之間。

對(duì)研究案例在計(jì)算條件下的照度均勻度以及室內(nèi)各計(jì)算點(diǎn)照度值滿足LEED 2009 NC中采光照度要求的比例分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖，如圖5所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在計(jì)算時(shí)段的7個(gè)時(shí)間點(diǎn)中，照度均勻度在0.41～0.44之間。該教室不僅在9月21日9時(shí)和15時(shí)這兩個(gè)時(shí)刻的晴天空條件下，100%常用空間滿足LEED 2009 NC中規(guī)定的照度值要求，而且在規(guī)定日期的9時(shí)～15時(shí)整個(gè)時(shí)段內(nèi)以1小時(shí)間隔進(jìn)行模擬分析，其常用空間也100%滿足LEED 2009 NC規(guī)定的照度值要求，該教室室內(nèi)天然采光狀況良好。

圖4 逐時(shí)照度指標(biāo)折線圖Fig.4 Hourly illuminance index line graph

圖5 照度均勻度及照度值滿足LEED2009NC比例分?jǐn)?shù)折線圖Fig.5 Line graph of the illumination evenness and illuminance satiesfying LEED2009NC proportion fraction

5 總結(jié)與討論

通過對(duì)天然采光靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算的差異分析，研究了天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的腳本控制機(jī)制和腳本編制流程。利用建筑性能化分析軟件Ecotect及其腳本工具給出了腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的一種具體實(shí)現(xiàn)方式。通過案例的研究，該天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法能夠良好地完成天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算。

在該天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的研究過程中發(fā)現(xiàn)，基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的軟件實(shí)現(xiàn)上，可做以下的進(jìn)一步研究:

(1)基于Ecotect腳本控制的Radiance天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)中，利用Ecotect的天空類型腳本命令僅能給出有限的天空類型，其基本滿足天然采光計(jì)算中對(duì)天空類型的需求。然而，常用的氣象數(shù)據(jù)中并未包含光氣候的測(cè)量結(jié)果，造成無法獲得逐時(shí)天空類型數(shù)據(jù)用于全年的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算。因此，如何獲得逐時(shí)天空類型數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步研究。

(2)Radiance是一個(gè)可擴(kuò)展性很高的天然采光計(jì)算軟件，文章中僅給出了利用Ecotect腳本工具的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法，可研究其他的腳本工具應(yīng)用于天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算，以豐富和拓展基于腳本控制的天然采光動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的具體實(shí)現(xiàn)方式。

［1］云朋.建筑光環(huán)境模擬［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］劉昆明.全年動(dòng)態(tài)模擬軟件DAYSIM在天然采光設(shè)計(jì)中的適用性研究［D］.南京:南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，2011.

［3］吳蔚，劉坤鵬.全年動(dòng)態(tài)天然采光模擬軟件DAYSIM［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(3):30 ～34.

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