姚佳偉 陳侃（通訊作者） 鄭曉薇 李曉璐

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

在全球人口爆炸和環(huán)境惡化的大背景下，各行各業(yè)都在追求環(huán)境友好型設(shè)計(jì)。建筑行業(yè)作為消耗資源最大、造成污染最多的行業(yè)，其現(xiàn)代化對(duì)于人類發(fā)展刻不容緩。然而從工業(yè)革命至今，生產(chǎn)效率與自動(dòng)化水平在建筑領(lǐng)域提高緩慢。因此在建筑設(shè)計(jì)初期階段優(yōu)化建筑物的環(huán)境性能，避免后期對(duì)設(shè)計(jì)方案反復(fù)修改，對(duì)提高設(shè)計(jì)的總體效率有著重要意義。

我國(guó)是建設(shè)大國(guó)，過(guò)去的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式造成了2000年之前的建筑大多是高能耗建筑。隨著人民生活水平的提高，居民對(duì)美好環(huán)境與生活的向往越來(lái)越強(qiáng)烈，建筑環(huán)境性能對(duì)舒適性、能耗等的影響也隨之被重視起來(lái)。在此背景下，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施與推廣，不僅從政策層面上推動(dòng)了建筑設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)建筑環(huán)境性能的重視，同時(shí)也促使了建筑業(yè)針對(duì)環(huán)境性能開(kāi)展大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐工作。

1 建筑數(shù)字設(shè)計(jì)工具

數(shù)字技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展推動(dòng)了諸多行業(yè)的生產(chǎn)效率發(fā)生了革命性的提高，雖然建筑行業(yè)由于其特殊性在應(yīng)用數(shù)字技術(shù)上與其他行業(yè)相比基礎(chǔ)相對(duì)較差、起步相對(duì)較晚，但建筑設(shè)計(jì)在其輔助下已經(jīng)在效率上有了很大的提升。

在早期階段，計(jì)算機(jī)制圖工具開(kāi)始普及時(shí)，基本淘汰了手工繪圖，在以CAD為代表的工具軟件的幫助下實(shí)現(xiàn)了電子繪圖。傳統(tǒng)圖紙中的大量形狀、構(gòu)件和標(biāo)注信息也轉(zhuǎn)為電子存檔，大大增加了存儲(chǔ)效率與可靠性。在中期階段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，建筑信息模型在由二維轉(zhuǎn)向三維的同時(shí)還增加了時(shí)間維度，實(shí)現(xiàn)了建筑全生命周期信息數(shù)據(jù)的集成化（BIM），軟件工具以Revit、Catia為代表。而在現(xiàn)階段，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)以及人工智能的興起，參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，包括在建筑設(shè)計(jì)中運(yùn)用參數(shù)化工具從方案比選到根據(jù)算法自動(dòng)尋優(yōu)，參數(shù)化設(shè)計(jì)在以建筑性能為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)中越來(lái)越體現(xiàn)出其高效的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在以建筑師為主導(dǎo)的形式表達(dá)設(shè)計(jì)中，參數(shù)化設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行方案比選或解決建筑師常識(shí)外的疑難點(diǎn)。建模軟件以Rhino為主要平臺(tái)，建筑環(huán)境性能方面的參數(shù)化建模及分析以早期的Geco+Ecotect和現(xiàn)在的Grasshopper加各專項(xiàng)分析插件為代表，其中Grasshopper已經(jīng)在建筑形體和外表皮形態(tài)優(yōu)化以及構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中被成熟地應(yīng)用，但在建筑環(huán)境性能分析方面還處于起步階段。

2 多環(huán)境性能的建筑數(shù)字設(shè)計(jì)方法及代表性案例

建筑環(huán)境性能通常包括建筑日照、室內(nèi)采光、自然通風(fēng)、室外風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境和熱舒適度、室內(nèi)空氣質(zhì)量等。由于建筑環(huán)境性能既能影響使用者的舒適度，又是反映建筑本身好壞與對(duì)周邊環(huán)境影響大小的硬指標(biāo)，因此本研究主要調(diào)研了基于Grasshopper平臺(tái)的建筑環(huán)境性能優(yōu)化的相關(guān)研究。

1 哈薩克斯坦阿斯塔納國(guó)家圖書(shū)館

2 根據(jù)模擬結(jié)果的表面形狀生成

目前，國(guó)內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)建筑環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法開(kāi)展了具有代表性的研究，主要集中在設(shè)計(jì)方案初期階段基于能耗與采光的建筑平面或形態(tài)設(shè)計(jì)（表1）。

但在實(shí)際建筑項(xiàng)目中，更好的設(shè)計(jì)往往源自更加理性與綜合的分析與判斷。因此基于以環(huán)境性能為目標(biāo)的建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)，本研究將從多個(gè)國(guó)內(nèi)外典型數(shù)字化設(shè)計(jì)案例中，結(jié)合采光、風(fēng)環(huán)境、日照、能耗、輻射等性能指標(biāo)，采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入剖析。

2.1 光環(huán)境性能

建筑物的光環(huán)境是使用者進(jìn)入建筑物時(shí)首先能夠被感知并影響其舒適度甚至心理的環(huán)境因素，自然采光往往與熱輻射以及建筑物的能耗、節(jié)能減排有重要聯(lián)系。

哈薩克斯坦阿斯塔納國(guó)家圖書(shū)館（National Library in Astana Kazakhstan）是BIG事務(wù)所的設(shè)計(jì)作品，形體復(fù)雜，斷面可抽象為連續(xù)矩形組成的莫比烏斯環(huán)（圖1）。在優(yōu)化其窗洞的設(shè)計(jì)中，郭芳團(tuán)隊(duì)[13]介紹了使用連接Grasshopper與建筑性能分析軟件Ecotect的接口插件Geco進(jìn)行優(yōu)化的方法，其優(yōu)化目標(biāo)是使得入射至建筑室內(nèi)的熱輻射量較為均勻，最終設(shè)計(jì)出了每個(gè)窗洞洞口面積都不一樣的設(shè)計(jì)方案。

為了便于窗口構(gòu)件的工業(yè)化建造，窗口大小通過(guò)每個(gè)網(wǎng)格的頂點(diǎn)向其對(duì)角方向移動(dòng)來(lái)控制。具體步驟是將每個(gè)窗洞大小一致的模型作為初始模型，利用Ecotect計(jì)算射入室內(nèi)的熱輻射量，得到室內(nèi)某一目標(biāo)平面的熱輻射量分布，再優(yōu)化熱輻射分布使其相比初始狀態(tài)更加均勻，將這一結(jié)果通過(guò)Geco反饋到Grasshopper模型中，再反推窗洞的大小分布。繼續(xù)用Ecotect計(jì)算此工況下室內(nèi)目標(biāo)平面上的熱輻射分布，如此循環(huán)往復(fù)尋優(yōu)，直至結(jié)果收斂至得到目標(biāo)平面上熱輻射量分布最為均勻的各窗洞大小的最優(yōu)解群。

北京市大興區(qū)金星路與新華大街處新建圖書(shū)館形態(tài)也類似于莫比烏斯環(huán)，西南科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)[14]用相同的方法對(duì)其進(jìn)行了類似的窗洞尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。這兩個(gè)案例都通過(guò)Ecotect對(duì)洞口面積一定的情況下圖書(shū)館室內(nèi)的全年輻射量進(jìn)行了計(jì)算，并借助Ecotect反饋的結(jié)果使用Grasshopper控制窗洞參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化窗洞面積的目的。此方法也可以擴(kuò)展到建筑物采光和能耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。

2.2 日照輻射環(huán)境性能

日照輻射不但會(huì)影響室內(nèi)的光熱環(huán)境，同時(shí)在居住類建筑中還會(huì)涉及到日照權(quán)的問(wèn)題。與上節(jié)相同的方法還可以應(yīng)用在建筑物遮陽(yáng)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。在湖南大學(xué)暑期工作營(yíng)[15]關(guān)于“透明表皮”的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)勝方案從改進(jìn)湖南大學(xué)建筑學(xué)院老系樓原有的錐形玻璃采光天棚入手，目的是解決其夏季陽(yáng)光直射導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境惡劣的問(wèn)題。由于Rhino可以與后期的數(shù)字加工有效結(jié)合，團(tuán)隊(duì)利用Rhino建模和Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并借助Ecotect進(jìn)行光照強(qiáng)度分析，將結(jié)果反饋到Grasshopper，并結(jié)合季節(jié)太陽(yáng)高度角變化引起的入射光角度的變化，同時(shí)考慮夏季盡可能遮擋太陽(yáng)光而冬季盡可能將太陽(yáng)光引入室內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖2），最終得到構(gòu)件優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案（圖3）。這個(gè)方案也有利于使用重量輕、易加工的4mm厚復(fù)合鋁板作為加工單元，在實(shí)驗(yàn)室里拼接出實(shí)際的遮陽(yáng)構(gòu)件（圖4）。

表1 建筑環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)代表性研究

上述兩項(xiàng)研究都利用了Ecotect工具對(duì)室內(nèi)熱輻射量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是隨著Grasshopper附帶插件的完善，今后設(shè)計(jì)師與學(xué)者也可以嘗試使用其自帶的建筑物理分析插件Ladybug與Honeybee進(jìn)行環(huán)境分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

同樣，李慧莉團(tuán)隊(duì)[16]在遮陽(yáng)互動(dòng)實(shí)踐方面也進(jìn)行了嘗試，目的是發(fā)掘建筑構(gòu)件和建筑結(jié)構(gòu)互動(dòng)的可能性，從而實(shí)現(xiàn)建筑環(huán)境與使用者的自適應(yīng)。設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)同樣是源于解決巨大天窗系統(tǒng)引起的夏季高溫問(wèn)題，通常的做法是使用百葉，但采暖和遮陽(yáng)的措施具有矛盾性，尋找天窗百葉的最佳角度成為優(yōu)化設(shè)計(jì)須解決的難題。將Rhino的幾何建模通過(guò)Grasshopper的邏輯建模與熱輻射、采光分析軟件Ecotect進(jìn)行連接，將冬、夏兩季的環(huán)境模擬結(jié)果反饋到模型角度控制中，并且利用GALAPAGOS插件的遺傳算法反復(fù)尋優(yōu)，求解出百葉的最佳角度，從而得到最優(yōu)解群。同時(shí)選擇結(jié)構(gòu)合理的方案進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)（圖5），采用輕盈且具有弱透光性的亞克力作為百葉的加工材料（圖6）。

以上兩個(gè)案例在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了建筑構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造，為我們提供了利用參數(shù)化設(shè)計(jì)在優(yōu)化建筑物性能的基礎(chǔ)上，使用相同的軟件工具進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)化建造的思路。

賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)[7]研究了高層住宅小區(qū)的日照優(yōu)化，其研究對(duì)象在典型密集型城市的東亞地區(qū)，具體以首爾的高層住宅小區(qū)為例，這類小區(qū)有日照優(yōu)化的需求。由于住宅建筑都希望南向有直射陽(yáng)光，尤其是在冬天，而高層建筑在冬天建筑物陰影范圍變廣，容易對(duì)小區(qū)內(nèi)其他建筑的日照產(chǎn)生遮擋，且依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)布局有其局限性[17]，難以高效解決某些位置的日照遮擋問(wèn)題，最終導(dǎo)致土地資源的浪費(fèi)。因此這項(xiàng)研究的目的是開(kāi)發(fā)和測(cè)試一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，使其滿足高層小區(qū)內(nèi)建筑朝向和布局要求，如9:00～15:00連續(xù)日照超過(guò)2h以及8:00～16:00累計(jì)日照超過(guò)4h。研究使用了NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）模型和GA（遺傳算法）。NURBS可以進(jìn)行參數(shù)化建模，Grasshopper中的GA可以優(yōu)化建筑布局和建筑高度。為了高效優(yōu)化建筑布局，研究使用了逐級(jí)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于NURBS建模工具中，只需將一組隨機(jī)高度、朝向、布局的高層建筑群作為優(yōu)化的初始條件。研究使用日照模擬工具（Direct SunliGrasshoppert Hours Simulator）計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化直至滿足預(yù)設(shè)的日照條件。逐級(jí)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和作為次級(jí)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的各個(gè)建筑中心點(diǎn)連接，各次級(jí)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)連接建筑各角的子點(diǎn)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的平移、旋轉(zhuǎn)和擴(kuò)展控制建筑群的間距、高度和朝向，因此將建筑群錯(cuò)綜復(fù)雜的變量轉(zhuǎn)化成了較為單一的變量，實(shí)現(xiàn)了降維（圖7～9）。研究還以首爾市內(nèi)的一處高層住宅項(xiàng)目作為測(cè)試對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，可為后期的建造提供參考（圖10）。但此研究也有一定的局限性，因其僅僅探究了特定場(chǎng)地的一種情況，并且僅針對(duì)日照時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化的方案并不一定能使其他環(huán)境因素達(dá)到最佳，如風(fēng)環(huán)境。

3 基于實(shí)驗(yàn)的光影關(guān)系調(diào)整和材料灰度分析

4 實(shí)驗(yàn)室拼裝和建成效果

5 百葉形態(tài)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

6 組裝與電筒實(shí)驗(yàn)

7 逐級(jí)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖

8 通過(guò)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)控制系統(tǒng)控制建筑群布局和高度示意圖

9 附加驅(qū)動(dòng)點(diǎn)控制

10 通過(guò)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)控制建模及優(yōu)化日照的全流程示意圖

11 三棟建筑和兩個(gè)中庭的原始方案表現(xiàn)示意圖

2.3 采光與能耗性能

采光和能耗一直都是建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)權(quán)衡的一個(gè)難點(diǎn)，特別是夏季采光和能耗具有矛盾性。早期固有的設(shè)計(jì)方法是按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定建筑物的形態(tài)、朝向和窗洞大小等。伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[5]嘗試同時(shí)優(yōu)化采光和能耗來(lái)設(shè)計(jì)高性能的辦公建筑，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更具有基于數(shù)值計(jì)算優(yōu)化的理論依據(jù)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在建筑初期設(shè)計(jì)階段介入，對(duì)基本方案進(jìn)行采光和能耗分析（圖11），方案為三棟異形的辦公建筑和通過(guò)對(duì)其建筑物間的空間加玻璃天窗形成的兩個(gè)中庭空間組成，中庭采取冬季封閉采光和夏季通風(fēng)散熱的策略。研究在保持原方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制改變尺寸、距離、角度等對(duì)原方案感官影響較小的方式進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一步用Rhino和Grasshopper對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化建模，并設(shè)置A～K為變量（圖12）。第二步以參數(shù)化建筑形態(tài)作為變量，用EnergyPlus進(jìn)行能耗模擬，用Radiance進(jìn)行采光模擬，得到結(jié)果與變量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第三步利用MATLAB編程的遺傳算法對(duì)能耗這一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并設(shè)立目標(biāo)函數(shù)，以得到最優(yōu)解群（圖13）。第四步對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，是否比基準(zhǔn)工況的能耗低，這里綜合考慮了夏季的空調(diào)和冬季的采暖能耗。最終得到夏季冷卻負(fù)荷降低55%、冬季采暖能耗降低2%和全年綜合能耗降低29%的最優(yōu)方案。此項(xiàng)研究開(kāi)始時(shí)預(yù)設(shè)了兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，但最終并沒(méi)有同時(shí)納入采光指標(biāo)進(jìn)行綜合優(yōu)化。

2.4 風(fēng)環(huán)境性能

室外場(chǎng)地的風(fēng)環(huán)境是建筑設(shè)計(jì)初期就需要考慮優(yōu)化的因素。大連理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[18]探索了以建筑群室外風(fēng)環(huán)境為優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，以提高室外的風(fēng)熱舒適性。研究使用Rhino和Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化建模，流體動(dòng)力學(xué)軟件Phoenics模擬室外風(fēng)環(huán)境。研究調(diào)研和分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)環(huán)境有特定改善作用的實(shí)際案例中所采取的措施，并且針對(duì)大連市中心的實(shí)際街區(qū)進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬（圖14），發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中存在的問(wèn)題，并對(duì)照以往案例，選擇相應(yīng)的有效措施進(jìn)行街區(qū)形態(tài)的優(yōu)化，最終對(duì)改進(jìn)方案的實(shí)際效果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。此項(xiàng)研究使用了和以往案例措施類比的方法嘗試優(yōu)化街區(qū)室外風(fēng)場(chǎng)，雖然提供了一種思路，但并沒(méi)有發(fā)揮參數(shù)化建模自動(dòng)尋優(yōu)的優(yōu)勢(shì)，建議未來(lái)可以使用Grasshopper自帶的CFD數(shù)值模擬插件Butterfly進(jìn)行室外風(fēng)模擬并結(jié)合GA算法實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)化。

天津中鋼大廈的案例[19]則以建筑物表面的風(fēng)壓作為控制的目標(biāo)參數(shù)，首先利用CFD模擬得到建筑物外表面上加載的風(fēng)壓分布，將外表面上的風(fēng)壓分為5個(gè)等級(jí)，依照風(fēng)壓越大開(kāi)口越小的原則，對(duì)外表皮開(kāi)口大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成5種開(kāi)口，使之分布于建筑表皮之上，形成風(fēng)環(huán)境優(yōu)化的表皮的同時(shí)兼顧了美觀（圖15）。此案例將傳統(tǒng)建筑物對(duì)周邊街區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響拓展到建筑物周邊風(fēng)環(huán)境對(duì)建筑物自身的影響上，開(kāi)拓了設(shè)計(jì)思路。

倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)[20]設(shè)計(jì)了一種建筑外表皮形狀，并對(duì)其室外風(fēng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)3D打印模型在野外進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比。研究首先使用Rhino和Grasshopper對(duì)該模型進(jìn)行了參數(shù)化建模（圖16），再使用Grasshopper對(duì)應(yīng)的插件Butterfly調(diào)用CFD模擬內(nèi)核OpenFOAM進(jìn)行室外風(fēng)模擬（圖17），最后進(jìn)行優(yōu)化。研究嘗試了通過(guò)改變建筑外表皮對(duì)室外風(fēng)環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的方法，但還局限于模型而非實(shí)際復(fù)雜的城區(qū)，并且優(yōu)化時(shí)CFD模擬的速度成為快速尋優(yōu)的瓶頸。

2.5 熱環(huán)境性能

和風(fēng)環(huán)境連帶出現(xiàn)的還有場(chǎng)地?zé)岘h(huán)境問(wèn)題，特別是在現(xiàn)代城市熱島現(xiàn)象年年加劇的背景下，室外熱環(huán)境的優(yōu)化也具有一定的迫切性。挪威科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)[21]嘗試了對(duì)實(shí)際城市的輻射、風(fēng)、熱環(huán)境進(jìn)行耦合預(yù)測(cè)的研究，以歐洲智慧城市試點(diǎn)的意大利博爾扎諾的一個(gè)街區(qū)作為模擬分析對(duì)象。研究先準(zhǔn)備了模擬需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)EPW氣象數(shù)據(jù)文件和歷史氣象數(shù)據(jù)，利用工具Climate Consultant、Grasshopper的插件Ladybug得到當(dāng)?shù)刂饡r(shí)的太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和濕度等數(shù)據(jù)。第一步進(jìn)行日照分析，根據(jù)氣象參數(shù)、城區(qū)材料屬性和3D模型（圖18），利用工具Rhino和Grasshopper、DIVA for Rhino分析得到各表面的太陽(yáng)輻射量（圖19）和產(chǎn)生的太陽(yáng)能，并嘗試了手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。第二步進(jìn)行微氣候分析，根據(jù)氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向和城市3D模型，利用Grasshopper的插件Ladybug作為接口調(diào)用Envi-met組件對(duì)街區(qū)進(jìn)行微氣候分析，得到街區(qū)的表面溫度、局部體感溫度和局部的風(fēng)速風(fēng)向（圖20）。第三步進(jìn)行街區(qū)氣流性狀分析，根據(jù)氣溫、風(fēng)速風(fēng)向和街區(qū)3D模型，利用Grasshopper的插件Butterfly作為接口調(diào)用CFD模擬工具OpenFOAM，得到街區(qū)的風(fēng)速分布。此項(xiàng)研究不是分析單一的環(huán)境因素，而是綜合考慮了街區(qū)的風(fēng)、熱、輻射等環(huán)境，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮后的街區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

12 優(yōu)化設(shè)計(jì)中各變量參數(shù)的定義

13 來(lái)自第10、11、12 子代生成的最優(yōu)解方案

14 大連市中心某區(qū)域夏季10m 處風(fēng)場(chǎng)（左：優(yōu)化前；右：優(yōu)化后）

15 中鋼國(guó)際大廈立面效果及外表面風(fēng)壓分布

16 參數(shù)化定義的表皮建模邏輯

17 3D 打印建筑外表皮的CFD 模擬（Grasshoper+Butterfly）

18 3D 模型

19 綠墻附近的熱輻射分布

20 地上1m 高度處15:00 時(shí)的溫度

21 折疊表面的理念：每個(gè)折疊單元的尺寸和折疊角度為變量

22 四維解空間：圖示最優(yōu)解群和次優(yōu)解

2.6 建筑物表皮的多目標(biāo)優(yōu)化

建筑物的空間形態(tài)會(huì)對(duì)建筑環(huán)境性能產(chǎn)生很大影響。丹麥技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[6]嘗試了對(duì)建筑物表皮的多目標(biāo)優(yōu)化，具體是以建筑物表皮褶皺的角度和長(zhǎng)度作為變量參數(shù)（圖21），用Rhino和Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化建模，并以采光和室內(nèi)熱環(huán)境這兩個(gè)對(duì)變量反應(yīng)相互矛盾的性能指標(biāo)同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo)，再加上造價(jià)進(jìn)行綜合考慮權(quán)衡（圖22）。參數(shù)化模擬工具選用Grasshopper的插件Honeybee，優(yōu)化工具選用GA，使用多目標(biāo)函數(shù)，取離原點(diǎn)最近的點(diǎn)群作為最優(yōu)解群，同時(shí)可以直觀地為建筑師提供其他選擇，比如側(cè)重優(yōu)化采光或側(cè)重優(yōu)化室內(nèi)熱環(huán)境，則可選擇相對(duì)應(yīng)軸上數(shù)值小的點(diǎn)。此研究嘗試了多目標(biāo)優(yōu)化的方法，但是優(yōu)化目標(biāo)還僅限于3個(gè)。

3 結(jié)語(yǔ)

上述介紹了基于單目標(biāo)或多目標(biāo)環(huán)境性能優(yōu)化的大量建筑設(shè)計(jì)案例。在目前建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域或科學(xué)研究領(lǐng)域，主要是針對(duì)日照采光等參數(shù)開(kāi)展單目標(biāo)環(huán)境參數(shù)優(yōu)化工作。盡管多目標(biāo)耦合優(yōu)化求解能滿足更可持續(xù)的建筑設(shè)計(jì)，但現(xiàn)階段的計(jì)算用軟硬件配置及相關(guān)算法仍有待提升，以避免設(shè)計(jì)初期為了追求全性能的優(yōu)化而消耗大量的時(shí)間成本。此外，部分案例體現(xiàn)了在環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的同時(shí)，也應(yīng)考慮后期建造效率與節(jié)材的整體性思維。通過(guò)這些案例分析，以期為讀者提供數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在以環(huán)境性能優(yōu)化為目標(biāo)的可行性與實(shí)際應(yīng)用性的參考。盡管現(xiàn)階段環(huán)境尋優(yōu)設(shè)計(jì)仍存在一定的局限性，但這也指明了未來(lái)該領(lǐng)域研究的潛力與方向。