王會(huì)一，金 晶，田 真（.北京綠建軟件股份有限公司， 北京 00098；. 湖南大學(xué)建筑學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙4008）

天然光環(huán)境是人們長(zhǎng)期習(xí)慣和喜愛的工作環(huán)境。各種光源的視覺試驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣照度條件下，天然光的辨認(rèn)能力優(yōu)于人工光，有利于工作、生活、保護(hù)視力和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。充分利用天然光，對(duì)于創(chuàng)造良好光環(huán)境、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和構(gòu)建綠色建筑具有重要的意義。

目前大部分建筑采光相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都是以采光系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采光系數(shù)因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，采光系數(shù)是室內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)上的照度與全陰天下室外無(wú)遮擋水平面上照度的比值，表征全年中較不利的全陰天空條件下的采光情況。但這種評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)也顯而易見，既未考慮建筑的朝向，也未考慮采光隨天空狀況改變的變化性，無(wú)法預(yù)測(cè)建筑各朝向的遮陽(yáng)措施以及無(wú)法預(yù)測(cè)眩光問題等。

隨著天然光采光應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，區(qū)別于計(jì)算采光系數(shù)的靜態(tài)模擬方法，近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展起來(lái)基于全年光氣候的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算方法，計(jì)算全年中不同天空狀況下隨時(shí)間步長(zhǎng)變化的逐時(shí)照度。在動(dòng)態(tài)采光計(jì)算基礎(chǔ)上提出一些新的天然采光評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中采光閾占比 Spatial Daylight Autonomy（sDA）、年日照時(shí)數(shù) Annual Light Exposure（ASE）[1]等動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)得到廣泛應(yīng)用。

1 動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)體系

1.1 國(guó)外認(rèn)證

美國(guó)綠色建筑委員會(huì) LEED 認(rèn)證是最知名的綠色建筑評(píng)價(jià)體系之一。LEED 由美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)建立，并于 2003年開始推行，在美國(guó)部分州和一些國(guó)家已被列為法定強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。截至目前，國(guó)內(nèi)申請(qǐng) LEED 認(rèn)證的項(xiàng)目近 4 500 個(gè)，總建筑面積達(dá) 1.6 億 m2，已得到認(rèn)證的項(xiàng)目超過 2 000 個(gè)。2015 年，綠色建筑認(rèn)證協(xié)會(huì)（GBCI）和美國(guó) WELL 建筑研究所（IWBI）將 WELL 建筑標(biāo)準(zhǔn)引入中國(guó)，將建筑的健康性能作為衡量基礎(chǔ)，在 LEED 要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升建筑環(huán)境指標(biāo)。

LEED v 4 和 WELL v 1 的認(rèn)證都對(duì)動(dòng)態(tài)采光提出了明確的指標(biāo)要求。將采光閾占比（sDA300，50%）和年日照時(shí)數(shù)（ASE1000，250）作為光環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在全年運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)，對(duì)常用空間中適宜照度的面積比例提出要求。

以 WELL 為例，健康陽(yáng)光照射一節(jié)要求如下所示。①至少 55% 的空間每年至少 50% 的運(yùn)營(yíng)時(shí)間至少能獲得 300 lx 的陽(yáng)光照射。② 每年有 250 h 可獲得 1 000 lx 以上陽(yáng)光照射的區(qū)域不超過 10%。

LEED 標(biāo)準(zhǔn)的要求與 WELL 大致相同，區(qū)別在于 LEED針對(duì)不同建筑類型要求的達(dá)標(biāo)面積比例略有不同。國(guó)外認(rèn)證中對(duì)動(dòng)態(tài)采光的計(jì)算要求相對(duì)來(lái)說(shuō)發(fā)展比較成熟，北美照明學(xué)會(huì)發(fā)布的 LES LM-83-12 文件詳細(xì)說(shuō)明了計(jì)算 sDA、ASE的建模要求和計(jì)算模擬參數(shù)等條件。

1.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)對(duì)動(dòng)態(tài)采光的研究相對(duì)較晚，但是近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)明確提出了動(dòng)態(tài)采光的模擬計(jì)算要求。動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)更真實(shí)全面地反映了室內(nèi)天然采光狀況，其已逐漸成為國(guó)內(nèi)天然采光評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)。

2016 年，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) T/ASC 02—2016 《健康建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)公共建筑的動(dòng)態(tài)采光評(píng)價(jià)提出要求，即：“公共建筑室內(nèi)主要功能房間至少 75% 面積比例區(qū)域的天然光照度值不低于 300 lx 的時(shí)數(shù)平均不少于 4 h/d，得 5分”。

2019 年，GB/ T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行修訂，對(duì)公共建筑和住宅建筑均提出了明確要求，即：“住宅建筑室內(nèi)主要功能空間至少 60% 的面積比例區(qū)域，其采光照度值不低于 300 lx 的小時(shí)數(shù)平均不少于 8 h/d；公共建筑室內(nèi)主要功能空間至少 60% 的面積比例區(qū)域，其采光照度值不低于采光要求的小時(shí)數(shù)平均不少于 4 h/d” 。

值得注意的是，GB/ T 50378—2019 條文中給出的照度值指的是平均照度，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通常采用的逐點(diǎn)照度有所不同。

2 動(dòng)態(tài)采光模擬工具

2.1 國(guó)外采光軟件

動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)在國(guó)際上提出較早，國(guó)外很多采光軟件已基本實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)采光分析功能，如 DAYSIM、DIVA-for-Rhino、IES-VE、Ladybug+Honeybee、SPOT 等。目前國(guó)外商業(yè)采光軟件的動(dòng)態(tài)采光計(jì)算普遍采用 DASYIM 內(nèi)核，類似于 Radiance 軟件在靜態(tài)采光計(jì)算中的地位，DAYSIM 是目前國(guó)際公認(rèn)的動(dòng)態(tài)采光計(jì)算引擎。DAYSIM 采用 Perez 天空模型，可以根據(jù)太陽(yáng)直射輻射、水平散射輻射和其他相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算天空亮度信息，這樣就能取得全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬所需的天空亮度分布數(shù)據(jù)[2]。

與 Radiance 類似，DAYSIM 軟件本身有多個(gè)計(jì)算子程序組成，調(diào)用關(guān)系比較復(fù)雜，雖然提供了簡(jiǎn)單的用戶界面，但實(shí)際使用體驗(yàn)并不友好。DAYSIM 軟件本身未提供建模功能，一次只能進(jìn)行一個(gè)空間的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果僅能輸出簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)報(bào)告。目前 DAYSIM 主要被科研院所的研究人員使用，很難直接在普通建筑設(shè)計(jì)人員中普及應(yīng)用。

DIVA-for-Rhino 在犀牛軟件平臺(tái)上開發(fā)，解決了建模問題、操作簡(jiǎn)單，但自定義材料參數(shù)較難。其他的國(guó)外采光軟件也表現(xiàn)出建模支持不夠、計(jì)算精度不足、交互界面不友好等問題。最關(guān)鍵的是國(guó)外軟件對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)支持不足，無(wú)法自動(dòng)匹配國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)要求，成果報(bào)告形式無(wú)法達(dá)到國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的需求[3-4]。

2.2 國(guó)內(nèi)采光軟件

綠建斯維爾采光軟件 DALI（下文簡(jiǎn)稱 DALI）支持 GB 50033—2016 《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和 GB/T 50378—2019的采光模擬計(jì)算，并已通過國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的鑒定。DALI 動(dòng)態(tài)采光計(jì)算核心為 DAYSIM 軟件，以蒙特卡羅反向光線跟蹤算法為基礎(chǔ)進(jìn)行天然采光分析。在保證了計(jì)算精度的同時(shí)，DALI 基于國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)師廣泛應(yīng)用的AutoCAD 平臺(tái)而開發(fā)，提供了友好的 Window 用戶操作界面，只需要簡(jiǎn)單設(shè)置各項(xiàng)采光計(jì)算參數(shù)（如材料的反射比）后，即可進(jìn)行動(dòng)態(tài)采光計(jì)算。如果用戶同時(shí)在工程中應(yīng)用其他綠建斯維爾系列軟件（如建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件 BECS），則可以實(shí)現(xiàn)一模多算，避免重復(fù)建模過程。

DALI 動(dòng)態(tài)采光功能可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的驗(yàn)證計(jì)算，如全自然采光時(shí)間百分比（DA）、有效天然采光照度（UDI）的計(jì)算，支持 LEED、WELL、GB/T 50378—2019和 T/ASC 02—2016 的采光指標(biāo)驗(yàn)算。

動(dòng)態(tài)采光對(duì)每一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)全年 8 760 h 的逐時(shí)計(jì)算，完成計(jì)算后，可在 DWG 圖上直接標(biāo)注對(duì)應(yīng)類型的計(jì)算結(jié)果，DALI 使用數(shù)值和符號(hào)代表每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的結(jié)果和達(dá)標(biāo)情況。并且在動(dòng)態(tài)采光計(jì)算完成之后可以對(duì)多區(qū)域的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便對(duì)該建筑全年采光情況進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷標(biāo)準(zhǔn)得分情況。DALI 提供多種計(jì)算結(jié)果的呈現(xiàn)方式，如達(dá)標(biāo)率統(tǒng)計(jì)表、分析結(jié)果區(qū)間色、過渡色彩圖和逐日、逐月達(dá)標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖等，全方位多角度反應(yīng)項(xiàng)目全年動(dòng)態(tài)采光效果。動(dòng)態(tài)采光效果圖如圖 1 所示。

圖 1 動(dòng)態(tài)采光效果圖

DALI 可作為綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)標(biāo)驗(yàn)算軟件，提供了直接輸出綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)動(dòng)態(tài)采光條文的計(jì)算報(bào)告書功能。報(bào)告書的主要內(nèi)容包括每個(gè)計(jì)算房間的統(tǒng)計(jì)表格、全部房間的匯總統(tǒng)計(jì)表格、逐日逐月統(tǒng)計(jì)圖以及項(xiàng)目整體達(dá)標(biāo)結(jié)論和得分情況等內(nèi)容。

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)于一款計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是最重要的。選擇 DALI 軟件和國(guó)外采光模擬軟件 DIVA for Riho 進(jìn)行對(duì)比，該軟件具有建模方便、計(jì)算精度較高和操作相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。鑒于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)不一樣，因此選用 LEED 動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果精度，通過多個(gè)采光計(jì)算模型在相同氣象數(shù)據(jù)和計(jì)算參數(shù)條件下進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，如模型 1 的簡(jiǎn)單房間、模型 2 的典型辦公室、模型 3 的廠房等，具體如圖 2 所示，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表 1 所示。

圖 2 模型情況

表 1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩款軟件的計(jì)算結(jié)果基本保持一致，ASE 和 sDA 兩項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的差異控制在合理范圍以內(nèi)。造成差異的原因可能是兩款軟件取點(diǎn)方法不同，采樣點(diǎn)位置不能完全一致，從而影響了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3 DALI 軟件的創(chuàng)新點(diǎn)

作為國(guó)內(nèi)一款商業(yè)化采光軟件，DALI 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)采光方面的空白。DALI 采用 DAYSIM 作為計(jì)算引擎，保證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，基于友好的交互界面提高了軟件的易用性。

3.1 支持國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)計(jì)算

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)給出了動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)的計(jì)算要求，而國(guó)外采光軟件目前尚未有針對(duì)性的支持國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。DALI 率先支持了國(guó)內(nèi)健康建筑和綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)中與采光相關(guān)的條文，解決了國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)標(biāo)驗(yàn)算問題。

3.2 支持國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)

DALI 軟件還可以自行選擇不同數(shù)據(jù)源的計(jì)算氣象文件，支持清華大學(xué)的 CSWD 氣象數(shù)據(jù)文件進(jìn)行動(dòng)態(tài)采光計(jì)算，為國(guó)內(nèi)的用戶提供了本地化服務(wù)。

3.3 計(jì)算速度優(yōu)化

基于動(dòng)態(tài)采光的內(nèi)部計(jì)算原理，動(dòng)態(tài)采光要完成全年8 760 h 的逐時(shí)照度計(jì)算，以sDA的計(jì)算為例，需要考慮計(jì)算多種工況下的照度（包括太陽(yáng)直射照度、遮陽(yáng)條件下的照度和不考慮遮陽(yáng)的照度），逐時(shí)多工況計(jì)算大幅增加了軟件的計(jì)算復(fù)雜度。在 DAYSIM 原生的單線程計(jì)算模式下，一棟多層的住宅樓的動(dòng)態(tài)采光計(jì)算動(dòng)輒需要數(shù)個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

DALI 在 DAYSIM 軟件的基礎(chǔ)上，為提高計(jì)算速度，做了以下方面的嘗試和改進(jìn)。

（1）支持并行計(jì)算。DAYSIM 本身不支持并行計(jì)算，DALI 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，可以一次支持多個(gè)房間并行計(jì)算。如對(duì) 16 核的電腦可以一次同時(shí)進(jìn)行 16 個(gè)房間的模擬計(jì)算。

（2）對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提供粗算和精算兩種精度模式。精算采用 DAYSIM 的默認(rèn)計(jì)算參數(shù)，反射次數(shù)多相對(duì)精度高，對(duì)計(jì)算結(jié)果也較為有利。但是計(jì)算速度很慢，十幾個(gè)房間的精算可能需要幾個(gè)小時(shí)才能完成。粗算模式使用優(yōu)化后的計(jì)算參數(shù)，在略微損失計(jì)算精度的前提下，可在十幾分鐘內(nèi)完成十幾個(gè)房間的計(jì)算，大幅提高了計(jì)算效率。相對(duì)于精算模式而言，只是計(jì)算結(jié)果值略為偏低，非常適合于建筑設(shè)計(jì)師在前期進(jìn)行方案調(diào)整階段使用，可以大幅節(jié)省計(jì)算時(shí)間成本。

（3）支持云計(jì)算，充分利用云端計(jì)算資源進(jìn)行并行計(jì)算。云計(jì)算是一種可伸縮、彈性、共享的計(jì)算模式，根據(jù)云端資源核數(shù)，可以充分利用云端優(yōu)勢(shì)并行計(jì)算。此外，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)房間地計(jì)算，房間數(shù)可達(dá) 40 個(gè)以上，突破了本地計(jì)算機(jī)的計(jì)算瓶頸。同時(shí)提交到云端的計(jì)算不影響客戶的本地工作，計(jì)算更穩(wěn)定，管理更容易。DALI 云計(jì)算框圖如圖 3 所示。

圖 3 DAL I云計(jì)算框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

綠建斯維爾 DALI 采光軟件率先在國(guó)內(nèi)基于 DAYSIM 計(jì)算引擎開發(fā)了動(dòng)態(tài)采光計(jì)算功能，并在對(duì)標(biāo)驗(yàn)算和計(jì)算速度等多個(gè)方面做了很多大膽的嘗試和改進(jìn)。但不可忽略的是，國(guó)內(nèi)動(dòng)態(tài)采光起步較國(guó)外相對(duì)晚一些，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文對(duì)于計(jì)算細(xì)節(jié)缺乏具體的規(guī)定和解釋。如何結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和軟件，使得動(dòng)態(tài)采光指標(biāo)能夠更好地促進(jìn)國(guó)內(nèi)建筑采光設(shè)計(jì)的發(fā)展，未來(lái)還有很多工作要做。