吳 蔚，石延安

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

全年動(dòng)態(tài)光模擬軟件DAYSIM在傳統(tǒng)園林建筑中的應(yīng)用研究

吳 蔚，石延安

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

基于傳統(tǒng)建筑技術(shù)和文化的雙重影響，中國(guó)園林建筑內(nèi)的天然光環(huán)境獨(dú)具特色，值得深究。然而受時(shí)間、經(jīng)費(fèi)及相關(guān)管理部門等的各種條件限制，實(shí)地測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)有限，往往僅能代表所測(cè)氣候情況下的建筑光環(huán)境特征。近些年開始廣泛應(yīng)用的天然采光模擬軟件DAYSIM，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)模擬全年采光情況,但如何利用DAYSIM來模擬中國(guó)傳統(tǒng)園林建筑卻面臨著很多困難和問題。本文以蘇州古典園林中具有代表性網(wǎng)師園小山叢桂軒為研究對(duì)象，嘗試?yán)肈AYSIM還原和分析其全年光環(huán)境，并探討利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)天然光模擬技術(shù)在傳統(tǒng)園林建筑光環(huán)境研究中的有效性和可行性。

蘇州園林建筑; 天然采光；計(jì)算機(jī)模擬；DAYSIM

引言

受中國(guó)傳統(tǒng)建筑技術(shù)和人文文化的雙重影響，中國(guó)傳統(tǒng)園林建筑的室內(nèi)天然光環(huán)境獨(dú)具特色，值得研究。然而受時(shí)間、經(jīng)費(fèi)和相關(guān)管理部門的多種限制，實(shí)地測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)往往有限且不夠全面，有時(shí)候僅能代表所測(cè)量時(shí)間和特定氣象情況下的室內(nèi)光環(huán)境特征。而真實(shí)的室內(nèi)天然采光是隨著時(shí)間、天氣的變化處于動(dòng)態(tài)的變化過程中，某一個(gè)時(shí)刻或者某一天的采光情況并不一定能真實(shí)有效地反映天然光隨時(shí)間變化而變化的情況。

先進(jìn)的計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)因其方便快捷，節(jié)省資源，在天然采光研究和設(shè)計(jì)上發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。尤其是近些年開發(fā)出來的全年動(dòng)態(tài)光模擬軟件DAYSIM，它以傳統(tǒng)的天然光模擬軟件Radiance為基礎(chǔ)，可以根據(jù)氣象資料模擬全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境，包括評(píng)估傳統(tǒng)的天然采光系數(shù)，以及一些新的采光參數(shù)，如天然光自主參數(shù)(Daylight autonomy)和有效天然采光照度(Useful daylight illuminance)[2]。盡管DAYSIM本身并不提供建立模型的功能，但它為多個(gè)較常用的CAD軟件如Autodesk-ECOTECT、Rhinoceros(犀牛)和Google Sketch Up提供轉(zhuǎn)接插口，因而受到廣大研究人員的喜愛[3-5]。

盡管DAYSIM已經(jīng)被驗(yàn)證可以較為準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)代辦公建筑[6]，但對(duì)于模擬中國(guó)傳統(tǒng)園林建筑，還存在以下幾個(gè)問題和難點(diǎn)：

1)中國(guó)傳統(tǒng)園林建筑周邊環(huán)境復(fù)雜，花草樹木、假山、廊道、粉墻等環(huán)繞周圍。筆者在實(shí)地調(diào)研和測(cè)量里發(fā)現(xiàn)，由于花草樹木、假山和建筑物等的遮擋，蘇州園林庭院里的光照強(qiáng)度往往是室外無遮擋處的一半。中國(guó)園林追求光影變化，其中粉墻即白色高墻是我國(guó)傳統(tǒng)園林中重要的造園手法, 它不僅分隔了空間, 還是造園大師的畫紙,即所謂的“弄影粉墻”。[7]然而這些白色高墻的反射光往往對(duì)園林建筑室內(nèi)光環(huán)境有較大影響。如何準(zhǔn)確有效地模擬這些復(fù)雜的室外遮擋物，一直是計(jì)算機(jī)天然光模擬技術(shù)所面臨的問題之一。

2)受中國(guó)傳統(tǒng)建筑技術(shù)影響，園林建筑結(jié)構(gòu)形式及室內(nèi)界面復(fù)雜，如不同的屋頂制式、斗拱、挑檐或檐廊(有柱或無柱)等都對(duì)會(huì)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生影響。以網(wǎng)師園小山叢桂軒為例，其東、南、西三個(gè)方向的檐廊寬1.3 m，北面的挑檐也為1.15 m左右，而室內(nèi)為斜屋頂，天花用軒，深色的軒、梁枋、斗拱等只能提供較少的反射光。因而軒內(nèi)很少有直射陽光，其光線主要由室外遮擋物透射出的漫射光和室內(nèi)外周圍的反射光組成。如何準(zhǔn)確模擬這種與現(xiàn)代建筑不同的室內(nèi)光線組成和流動(dòng)方向，是計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)所面臨的問題。

3)傳統(tǒng)中國(guó)園林建筑中的采光口，其花樣復(fù)雜的漏雕門窗無疑對(duì)室內(nèi)采光起著一定的影響。但這些復(fù)雜采光口也為計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)提出了一個(gè)問題，即數(shù)字模型的精度、模擬準(zhǔn)確度及模擬時(shí)間之間的關(guān)系。先進(jìn)的三維建模軟件已經(jīng)可以較為準(zhǔn)確地建立復(fù)雜的門窗模型，但建立復(fù)雜的數(shù)字模型不僅需要較長(zhǎng)的建模時(shí)間，更大大地延長(zhǎng)了模擬計(jì)算時(shí)間，對(duì)于變化幅度大的天然采光而言，是否需要建立這些復(fù)雜采光口或如何能夠有效地簡(jiǎn)化它們值得探討。

綜上所述，如何利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)來研究中國(guó)傳統(tǒng)園林建筑中的光環(huán)境還存在著不少問題和疑問，因而有必要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

1 小山叢桂軒建模及參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)師園為蘇州四大名園之一，始建于宋朝，是我國(guó)江南中小型古典園林的代表作品。小山叢桂軒是網(wǎng)師園內(nèi)的主要花廳之一，為乾隆末年(公元1795元)太倉富商瞿遠(yuǎn)村買下網(wǎng)師園后增建，其形制為四面廳，軒內(nèi)四周均為漏雕門窗，東、南、西側(cè)有檐廊。軒周圍有假山、樹木、粉墻等經(jīng)典江南園林景觀。有關(guān)小山叢桂軒建筑圖紙和基地周圍環(huán)境介紹詳見潘谷西、劉先覺先生編著的《江南園林圖錄》[8]。

筆者選取Ecotect建立小山叢桂軒的三維數(shù)字模型。Ecotect被選取的原因是該軟件同時(shí)具有Radiance和DAYSIM轉(zhuǎn)接平臺(tái)，可以同時(shí)進(jìn)行天然光模型的準(zhǔn)確性和應(yīng)用性研究。盡管Sketchup和Rhino這兩款專業(yè)的三維建模軟件可以較容易建立復(fù)雜的三維模型，但僅有DAYSIM轉(zhuǎn)接插口，較難根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證性研究。

由于模型的復(fù)雜程度直接關(guān)系著模擬運(yùn)算時(shí)間和精度，根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗(yàn)，在初次建模時(shí)，對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，主要是在保證檐廊和挑檐的長(zhǎng)度、高度與原屋頂一致的情況下對(duì)屋頂進(jìn)行了簡(jiǎn)化，漏雕門窗簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的采光口，未考慮木質(zhì)窗欞的遮擋。四周環(huán)境先是建立了建筑周邊的高墻、連廊及假山等不變的物理遮擋物，三維模型都里都按照真實(shí)的尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。小山叢桂軒周邊的樹木，由于較難測(cè)量和模擬，因此在初次建模時(shí)并沒有建立。

初次建模后，筆者按照在小山叢桂軒實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)在Ecotect里進(jìn)行材質(zhì)設(shè)定，材料的光物理參數(shù)詳見表1。小山叢桂軒的玻璃為單層透明無色玻璃，玻璃透射率則根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)定為0.80。由于小山叢桂軒室內(nèi)面積較小，為了提高模擬的精確度，選擇的模擬網(wǎng)格尺寸設(shè)置為100 mm×100 mm，距地0.8 m。

筆者選取2014年3月下旬兩個(gè)晴天和一個(gè)全陰天對(duì)小山叢桂軒進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。測(cè)量時(shí)間為9:00—15:00，每隔一小時(shí)記錄一次測(cè)量數(shù)據(jù)，全天記錄共7個(gè)小時(shí)的測(cè)量記錄，小山叢桂軒平面圖、測(cè)點(diǎn)分布及編號(hào)如圖1所示。

圖1 小山叢桂軒平面圖及室內(nèi)外測(cè)點(diǎn)分布圖(自繪)Fig.1 Floor plan of Xiaoshan Chonggui Hall and illuminance measuring positions

室內(nèi)室外地面墻圍天花(暗紅色)梁柱及花窗木質(zhì)家具黃石假山白色高墻0.30.270.090.050.060.160.80

2 計(jì)算機(jī)光模擬模型驗(yàn)證及調(diào)整

計(jì)算機(jī)光模擬研究分為兩步：首先是驗(yàn)證性研究，根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)的氣象條件和時(shí)間在Radiance進(jìn)行光模擬，將實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬值互相對(duì)比，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)三維模型及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和驗(yàn)證；其次是應(yīng)用性研究，在確保Radiance光環(huán)境模擬相對(duì)準(zhǔn)確的情況下，再利用全年動(dòng)態(tài)光模擬軟件DAYSIM對(duì)調(diào)整后的模型進(jìn)行全年光環(huán)境模擬。

圖2是9:00—15:00時(shí)間段內(nèi)，實(shí)地測(cè)量的室內(nèi)平均照度值與調(diào)整前、后模型的Radiance模擬值的比較曲線。從圖2可以看出即使是調(diào)整前的數(shù)字模型，在9:00—15:00時(shí)段內(nèi)其變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值是一致的，這說明該數(shù)字模型本身較為準(zhǔn)確。但圖2也顯示出初次建模所模擬出來的室內(nèi)照度值遠(yuǎn)高于實(shí)測(cè)值。造成計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較大差異的原因很多，除一些較客觀的原因如實(shí)測(cè)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差、Radiance所用的理想天空模型與真實(shí)的天空狀況不同外，本次研究有兩個(gè)較為明顯的主觀原因：①初次建模時(shí)沒有考慮樹木對(duì)光線的遮擋。圖3所示的是實(shí)測(cè)值與模型修改前后的Radiance模擬的誤差百分比值?？梢钥闯鲈谀Ｐ托薷那?，其實(shí)測(cè)值與模擬值的誤差百分比的均值為641%，模擬誤差較小的在軒北側(cè)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)7～9。對(duì)比實(shí)測(cè)和數(shù)字模型，可以發(fā)現(xiàn)因軒北側(cè)樹木較少，僅有大片的假山，這是在初次建?？紤]范圍內(nèi)。同理，測(cè)點(diǎn)2也就是靠近大門處的較為開闊、樹木較少的測(cè)點(diǎn)，因而較為接近測(cè)量值。由此可見，樹木的遮擋必須考慮到建模范圍內(nèi)。②初次建模時(shí)過分簡(jiǎn)化采光口，未考慮漏雕門窗的影響；而筆者在實(shí)地調(diào)研中注意到窗欞對(duì)光的遮擋較為明顯，因而有必要在模型調(diào)整中加以考慮。

針對(duì)上述兩個(gè)問題，筆者首先根據(jù)當(dāng)?shù)貥淠镜膶?shí)際情況，在數(shù)字模型中增添了垂直遮擋物，在有濃密樹木環(huán)境下，還適當(dāng)增加水平遮擋物。因樹木不僅有遮擋作用，還具有一定的透光度，筆者首先嘗試將其材質(zhì)設(shè)置成半透明體，但卻發(fā)現(xiàn)原因不明的模擬誤差。在多次嘗試后，決定將樹木設(shè)置為反射率為0.13的非透明體，利用降低采光口透光率的方法來模擬樹木的遮擋和投射。而漏雕門窗對(duì)光影響方面，筆者曾嘗試建立較詳細(xì)的窗欞模型，卻因計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，不得不放棄，最后采用修改采光口玻璃材質(zhì)來解決窗欞遮光影響。經(jīng)過與實(shí)測(cè)值的反復(fù)對(duì)比和調(diào)試后，將玻璃的材質(zhì)設(shè)置為毛玻璃，透光率由原先的0.80調(diào)整為0.28。圖4為調(diào)整后的小山叢桂軒數(shù)字模型。

比較調(diào)整后模型的模擬值與實(shí)測(cè)值，9:00—15:00時(shí)間段內(nèi)的室內(nèi)平均照度變化趨勢(shì)大致相同(圖2)，唯一不同的地方是模擬平均值在15:00時(shí)呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)檫@時(shí)有直射光線進(jìn)入室內(nèi)，但筆者在實(shí)測(cè)時(shí)避開了直射陽光。模型調(diào)整后，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)從9:00—15:00的實(shí)測(cè)照度平均值與模擬值的平均誤差值為15%，盡管有個(gè)別測(cè)點(diǎn)誤差值較高，但考慮到天然光變化幅度大這一特性，基本上是在可接受的范圍內(nèi)。

圖2 小山叢桂軒從9:00—15:00實(shí)測(cè)的室內(nèi)平均照度值與計(jì)算機(jī)模型調(diào)整前、后的模擬值Fig.2 Interior on-site measured and simulated mean illuminance levels from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall

圖3 小山叢桂軒9:00—15:00時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的平均照度值與模型調(diào)整前后模擬值的誤差百分比Fig.3 Percentage error of on-site measurements at different measuring points from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall and mean illuminance levels simulated by original and adjusted models

圖4 小山叢桂軒最終的數(shù)字模型Fig.4 Final digital model of Xiaoshan Chonggui Hall

為了再次驗(yàn)證調(diào)整后數(shù)字模型的可靠性，筆者另外選取了一個(gè)全陰天的實(shí)地測(cè)量結(jié)果與調(diào)整后的模型進(jìn)行了天然采光系數(shù)(Daylight Factor)的比較，發(fā)現(xiàn)全陰天空下調(diào)整后模型的模擬值更接近實(shí)測(cè)值，室內(nèi)平均天然光系數(shù)的模擬值為1.4%，僅略高于實(shí)測(cè)值(1.3%)。而比較小山叢桂軒各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的采光系數(shù)與模擬值，實(shí)測(cè)的各測(cè)點(diǎn)天然采光系數(shù)變化幅度相較于模擬值大，但基本較為吻合。由此可見，調(diào)整后的模型已經(jīng)可以較為準(zhǔn)確地模擬天然光環(huán)境，因此可以進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)天然光環(huán)境模擬研究。

3 DAYSIM全年天然動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬

全年動(dòng)態(tài)光模擬軟件DAYSIM可以模擬全年的天然采光系數(shù)(Daylight Factor，以下簡(jiǎn)稱DF)、DA (Daylight autonomy，天然光自主參數(shù))、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)這三個(gè)天然采光評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中DA和UDI是兩個(gè)較新的天然采光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也更能精確的描述室內(nèi)天然光環(huán)境，有關(guān)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)介紹參見《淺析可取代采光系數(shù)的新天然采光評(píng)價(jià)參數(shù)》[2]。

利用上述已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)字模型，其它相關(guān)材質(zhì)參數(shù)和氣象參數(shù)設(shè)定不變。DAYSIM內(nèi)的參數(shù)是按其所推薦的設(shè)置，最主要的幾個(gè)參數(shù)設(shè)置如下：ambient bounces設(shè)為5，ambient divisions設(shè)為1000，ambient accuracy設(shè)為0.1，direct sampling設(shè)為0.2，direct relays設(shè)為2。

小山叢桂軒的全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬結(jié)果如下：

1)圖5是DAYSIM所模擬的小山叢桂軒內(nèi)的天然采光系數(shù)，其值僅為1.37%，可以看出相較于Radiance天然采光系數(shù)模擬結(jié)果(1.4%)，DAYSIM模擬結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)值(1.3%)。這表明在其室內(nèi)天然采光照度值較低，室內(nèi)光線偏向于柔和陰暗。

2)DAYSIM軟件模擬中(見圖6(a))，小山叢桂軒內(nèi)的天然光自主參數(shù)值(DA_300lx)范圍為11%～51%，DA_300lx均值為34.3%。這說明在全年的工作時(shí)間(9:00—17:00)內(nèi)，室內(nèi)能利用天然采光達(dá)到300lx的時(shí)間平均達(dá)到全年工作時(shí)間的34.3%，即超過三分之一的日照時(shí)間可以達(dá)到300lx的照度值。

圖5 小山叢桂軒DAYSIM的DF模擬結(jié)果Fig.5 DAYSIM simulation results of DF

圖6 小山叢桂軒DAYSIM模擬結(jié)果：DA(a)及UDI_100_2000(b)Fig.6 DAYSIM simulation results of DA_300lx(a) and UDI_100_2000 (b) in Xiaoshan Chonggui Hall

3)如圖6(b)顯示小山叢桂軒內(nèi)的UDI_100_2000模擬值為82.6%，這個(gè)模擬值是指一年中在工作面上的天然光在100～2 000lx范圍內(nèi)有效照度的數(shù)據(jù)。由此看出雖然小山叢桂軒內(nèi)的平均照度值并不高，但八成以上是在有效照度范圍內(nèi)。此外，模擬結(jié)果還顯示平均照度低于100lx的時(shí)間占全年有效計(jì)算時(shí)間的16.9%，超過2 000lx標(biāo)準(zhǔn)的有效時(shí)間為0.1%。這說明盡管小山叢桂軒四個(gè)立面均為通透的玻璃花窗，但四周的檐廊、挑檐、假山、和常青樹木的遮擋了大部分直射光線。但由于采光口面積大，房間面積相對(duì)較小，仍有大量漫射光和反射光進(jìn)入室內(nèi)，因此室內(nèi)有較為充足的光線。

筆者的實(shí)地調(diào)查和測(cè)量也再次印證上述計(jì)算機(jī)光模擬結(jié)果。通過DAYSIM還原的所測(cè)廳堂建筑的全年光環(huán)境狀況，可以看出即使是在傳統(tǒng)園林建筑中以通透著稱的四面廳，其全年室內(nèi)光環(huán)境都是以陰翳為基調(diào)，和“暗”有著割不斷的聯(lián)系，這正是與我國(guó)傳統(tǒng)文化與建造技術(shù)共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文選擇蘇州園林建筑中具有代表性的四面廳堂建筑——蘇州網(wǎng)師園小山叢桂軒為研究對(duì)象，嘗試?yán)孟冗M(jìn)的計(jì)算機(jī)光模擬軟件DAYSIM來還原和分析所測(cè)廳堂建筑的全年光環(huán)境狀況,并著重探討和總結(jié)了在模擬中所遇到的問題和困難。

本次研究揭示出園林建筑周圍復(fù)雜的自然和人工環(huán)境、傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式及繁復(fù)的室內(nèi)界面，加之風(fēng)格多樣的漏雕門窗等，都對(duì)計(jì)算機(jī)天然光模擬的準(zhǔn)確性提出了挑戰(zhàn)。而要想達(dá)到較為精準(zhǔn)的光模擬結(jié)果，則是需要配合實(shí)地測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和驗(yàn)證。因此，利用計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)來研究和設(shè)計(jì)環(huán)境較為復(fù)雜的傳統(tǒng)園林建筑時(shí)，應(yīng)該慎重使用

盡管DAYSIM所模擬出來的結(jié)果再次證實(shí)了我國(guó)傳統(tǒng)園林建筑室內(nèi)天然光環(huán)境的獨(dú)特性，但需要指出的是計(jì)算機(jī)所模擬出來的客觀結(jié)果并不能代替主觀感受，特別是在深受道家思想影響，講究“道法自然”，追求意境的中國(guó)園林中。如小山叢桂軒庭院中的“少陽”環(huán)境，檐廊內(nèi)豐富的光影變化，及室外—檐廊—室內(nèi)所形成的“白—灰—黑”的多層次光環(huán)境，都有效地調(diào)節(jié)和豐富了室內(nèi)陰暗柔和的光環(huán)境，而四處通透的以景為框的雕花欞窗，更叫人感覺到室內(nèi)陰而不暗，舒適平和的氛圍。筆者認(rèn)為要體驗(yàn)和設(shè)計(jì)這種不同于現(xiàn)代建筑的豐富而獨(dú)特的天然光環(huán)境，需要研究和設(shè)計(jì)人員從實(shí)地出發(fā)，以實(shí)地調(diào)研為主，再配合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)，才能達(dá)到比較滿意的效果。

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An Application of Annual Dynamic Daylighting Simulation Software DAYSIM to Study Traditional Landscape Architecture in Suzhou Classical Gardens

WU Wei, SHI Yanan

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Based on impacts of Chinese traditional building technology and culture, daylighting in landscape architecture of Suzhou classical gardens is very unique and worth studying. However, due to time, economic and other facts, the data collected on the field is limited. It may represent certain interior daylighting environments under the measured sky condition only. Annual dynamic daylight software DAYSIM which based on a weather climate file is widely used in recently years. This study applied DAYSIM to study daylighting in Xiaoshan Chonggui Hall, which is one of the main landscape architectures in Suzhou classical gardens. This paper analyzes problems and difficulties for applying DAYSIM to study daylighting in this four-sides Hall, and explores the possibility of using advanced daylighting software to study Chinese traditional landscape architectures.

landscape architecture of suzhou；daylighting; computer simulation; DAYSIM

TU13.5

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.009