吳 揚

(廣西華藍設(shè)計 (集團)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)計中重要的一環(huán)。良好的設(shè)計不但能夠為使用者營造優(yōu)良舒適的室內(nèi)光環(huán)境，而且能夠降低建筑照明能耗。當前的建筑采光設(shè)計中已經(jīng)廣泛地使用天然采光計算軟件對室內(nèi)環(huán)境的天然采光狀況進行預測。常用的天然采光計算軟件包括 Radiance、Desktop Radiance、Ecotect、Dialux、AGi32、DAYSIM、IES ＜ VE ＞、Daylight Visualizer等［1］。根據(jù)模擬對象及狀態(tài)的不同，天然采光計算軟件大致可以分為天然采光靜態(tài)計算軟件和天然采光動態(tài)計算軟件。天然采光靜態(tài)計算軟件可對單一時刻特定天空條件下固定場景參數(shù)的天然采光狀況進行計算。天然采光動態(tài)計算軟件可對多個時間點上變化天空條件下多種場景參數(shù)的天然采光狀況進行計算。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)計算軟件。國際上主要的動態(tài)天然采光計算軟件包括ADELINE，DAYSIM、Lightswitch wizard、SPOT 等［2］。天然采光靜態(tài)計算軟件是當前天然采光計算軟件的主流，能否利用這些成熟的天然采光靜態(tài)計算軟件實現(xiàn)天然采光動態(tài)計算，是個值得研究的課題。因此，研究利用腳本控制天然采光靜態(tài)計算軟件的方法以達成這一目標。

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

2 方法研究

2.1 天然采光靜態(tài)與動態(tài)計算差異分析

天然采光靜態(tài)計算軟件能夠計算靜態(tài)光環(huán)境評價指標，主要包括照度、照度均勻度、采光系數(shù)。天然采光靜態(tài)計算軟件的特點是能夠?qū)我粫r間點單一場景條件的天然采光狀況進行計算。若要進行隨時間變化的多種天空狀況下的天然采光計算，或是與空間使用者行為聯(lián)系的動態(tài)遮陽狀況下的天然采光計算，以及針對動態(tài)光環(huán)境評價指標的計算，則天然采光靜態(tài)計算軟件依靠其自身的功能無法完成。

天然采光動態(tài)計算軟件能夠計算連續(xù)時間序列多個時間點的多場景天然采光狀況，每個計算場景可以有不同的天空狀況和設(shè)備作息的變化。因此，天然采光動態(tài)計算軟件能夠與光控、遮陽控制等系統(tǒng)耦合，實現(xiàn)復雜的天然采光計算功能，并計算諸如全自然采光時間百分比 (DA)等動態(tài)光環(huán)境評價指標。

總結(jié)以上對比，天然采光動態(tài)計算軟件較天然采光靜態(tài)計算軟件增加了以下功能:

1)對給定時間區(qū)間上連續(xù)時間序列的天然采光場景進行計算;

2)每個采光場景可以有獨立的天空狀況;

3)每個采光場景可以有獨立的燈光、遮陽等設(shè)備的作息情況;

4)可以實現(xiàn)光環(huán)境與設(shè)備作息的耦合計算;

5)能夠計算動態(tài)光環(huán)境評價指標。

2.2 腳本控制機制

根據(jù)天然采光靜態(tài)與動態(tài)計算差異分析，提出用腳本控制天然采光靜態(tài)計算軟件的方法。在該方法中，天然采光靜態(tài)計算軟件應(yīng)具備較好的擴展性，以便通過編寫腳本的方式對天然采光靜態(tài)計算軟件的運行進行控制，完成動態(tài)計算。利用腳本語句，可將擬計算時間區(qū)間離散為多個時間點，在每個時間點上的天然采光計算由天然采光靜態(tài)計算軟件完成。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)計算軟件對多個采光場景進行連續(xù)的計算。采用這一方法，天然采光靜態(tài)計算軟件的擴展性應(yīng)能夠讓腳本進行以下的基本控制:

1)設(shè)置計算的時間與日期;

2)設(shè)置天空類型;

3)讀取計算結(jié)果。

2.3 流程分析

根據(jù)腳本控制機制的分析，可以繪制出基于腳本控制的天然采光動態(tài)計算流程圖如圖1所示。流程的第一步是完成采光計算場景的建模，通常包括擬計算房間的地面、墻壁、天花、家具等構(gòu)件的幾何模型。流程的第二步是對計算場景進行定義，包括場景內(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、計算的日期和時間等參數(shù)。流程的第三步是根據(jù)場景模型及場景定義進行天然采光計算或渲染。流程的第四步是在天然采光渲染或計算結(jié)束后，輸出單次天然采光計算的結(jié)果。流程的第五步是進行循環(huán)控制判斷，判斷天然采光計算軟件是否需要進入下一采光場景的計算，若需要則重復流程的第二至第四步，若不需要則進入流程的第六步。在循環(huán)控制中，通過循環(huán)的初值、終值以及步長對計算時間區(qū)間進行離散。流程的第六步是數(shù)據(jù)處理，即對每一場景計算中輸出的計算結(jié)果根據(jù)需要進行運算或統(tǒng)計處理。流程的第七步是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，輸出天然采光動態(tài)計算的結(jié)果。

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

3 軟件工具與計算實現(xiàn)

3.1 腳本工具及天然采光計算軟件

根據(jù)方法研究，基于腳本控制的天然采光動態(tài)計算方法要求天然采光計算軟件應(yīng)具備較好的可擴展性，以便利用腳本對天然采光計算軟件進行控制。在常用的天然采光靜態(tài)計算軟件中，Radiance計算精度高，擴展性強，因此選擇該軟件用于基于腳本控制的天然采光動態(tài)計算方法的實現(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景定義參數(shù)輸出為Radiance場景文件，供Radiance進行渲染和計算。而且，Ecotect軟件提供了一個基于Lua語言的腳本工具，該腳本工具能利用命令對Ecotect做全面的控制，且腳本語法符合Lua語言語法規(guī)則，并能實現(xiàn)Lua語言的基本功能。Ecotect能夠快速地進行采光場景的建模及場景定義，其與Radiance的接口能夠靈活地調(diào)用Radiance進行天然采光靜態(tài)計算，因此選擇Ecotect軟件的腳本工具作為實現(xiàn)天然采光動態(tài)計算控制的腳本工具。

3.2 主要腳本語句介紹

通過Ecotect的腳本工具控制Radiance進行天然采光動態(tài)計算，涉及到一系列的命令及參數(shù)設(shè)置，下面對腳本編寫中主要的采光場景參數(shù)設(shè)置命令及運行控制命令進行介紹［7］。Ecotect軟件的腳本命令在不同版本中會有一些差異，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)場景日期及時間設(shè)置命令。set(“date”，day，month，［time］)命令用于設(shè)置場景的日期及時間，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)置天然采光計算時的天空類型，skytype為取值［0，6］的整數(shù)，分別對應(yīng)“No sky”，“Sunny with sun”，“Sunny without sun”，“Intermediate with sun”， “Intermediate no sun”， “Overcast sky”，“Uniform sky”。

3)模型細節(jié)設(shè)置命令。set(“radiance.detail”，detail)命令用于設(shè)定天然采光計算中模型的精細程度，detail為取值 ［0，2］的整數(shù)，分別對應(yīng)模型的精細程度等級為“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渲染計算的圖像類型，type為取值［0，3］的整數(shù)，分別對應(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)置光線追蹤計算時，投射到每個采樣點的光線在場景物體表面上的反射次數(shù)。bounces為取值 ［0，12］的整數(shù)，數(shù)值越高計算的光線反射次數(shù)越多，計算時間越長。

6)分析點設(shè)置命令。set(“radiance.pointdata”，type)命令用于設(shè)置Ecotect環(huán)境中哪些分析點需要在Radiance中進行分析，type為取值［－1，3］的整數(shù)，分別對應(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為計數(shù)器變量;start為計數(shù)器初值;end為計數(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)對天然采光動態(tài)計算方法的的研究和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進行天然采光動態(tài)計算的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給出了每一步驟要調(diào)用的Ecotect命令。天然采光動態(tài)計算中的多場景計算和擬計算時間區(qū)間的離散，通過Ecotect腳本工具中Lua語言的For語句實現(xiàn)，也可以采用while語句、repeat語句等循環(huán)控制結(jié)構(gòu)實現(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)，以保證腳本運行的穩(wěn)定性。

圖2 采用Ecotect實現(xiàn)天然采光動態(tài)計算的腳本流程圖Fig.2 Script Control process of daylighting dynamic calculation using Ecotect

4 案例研究

在天然采光動態(tài)模擬計算的案例研究中，將采用一個矩形平面的教室做為研究對象，研究其能否滿足LEED 2009 NC中IEQ 8.1項對天然采光的要求［10］，并對其逐時室內(nèi)照度進行評價。LEED 2009 NC中IEQ 8.1項要求室內(nèi)常用空間在晴天空條件下，9月21日上午9時和下午3時，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，地理坐標為北緯22.6度，東經(jīng)108.2度。該教室的朝向為正南北向，教室的面寬為8.4m，進深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行面積計算，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大于窗框面積，模擬分析模型中對窗框進行了簡化。為了比較精確的評價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)格布置計算分析點，同時限定計算分析點與墻體內(nèi)表面的最近距離為0.5m。

在天然采光動態(tài)計算腳本的編制中，分析點設(shè)置命令set(“radiance.pointdata”，type)的 type取值為0;模型細節(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］。計算時間的變化通過 For語句中的循環(huán)控制計數(shù)器和場景日期時間設(shè)置命令共同控制，計算的起始時間為9月21日9:00，終止時間為9月21日15:00，步長為1h，共計算7個天然采光靜態(tài)場景。

4.3 計算結(jié)果

根據(jù)計算，對計算結(jié)果統(tǒng)計了7個計算場景中照度的最大值，最小值，平均值，采光均勻度以及房間內(nèi)208個計算點中照度值(lx)在［110，5400］區(qū)間內(nèi)的計算分析點數(shù)占計算分析點總數(shù)的比例分數(shù)。對各時間點照度最大值、最小值和平均值進行數(shù)據(jù)繪圖，如圖4所示。計算結(jié)果顯示，研究案例的教室中，在9月21日9時～15時晴天空條件下，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。計算時段的7個時間點中，各時間點照度最小值均大于110lx，照度最大值均小于5400lx，照度的平均值在671.93lx～1006.27lx之間。

對研究案例在計算條件下的照度均勻度以及室內(nèi)各計算點照度值滿足LEED 2009 NC中采光照度要求的比例分數(shù)進行數(shù)據(jù)繪圖，如圖5所示。計算結(jié)果顯示，在計算時段的7個時間點中，照度均勻度在0.41～0.44之間。該教室不僅在9月21日9時和15時這兩個時刻的晴天空條件下，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～15時整個時段內(nèi)以1小時間隔進行模擬分析，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 逐時照度指標折線圖Fig.4 Hourly illuminance index line graph

圖5 照度均勻度及照度值滿足LEED2009NC比例分數(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

通過對天然采光靜態(tài)計算和動態(tài)計算的差異分析，研究了天然采光動態(tài)計算的腳本控制機制和腳本編制流程。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態(tài)計算的一種具體實現(xiàn)方式。通過案例的研究，該天然采光動態(tài)計算實現(xiàn)方法能夠良好地完成天然采光動態(tài)計算。

在該天然采光動態(tài)計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態(tài)計算方法的軟件實現(xiàn)上，可做以下的進一步研究:

(1)基于Ecotect腳本控制的Radiance天然采光動態(tài)計算的實現(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算中對天空類型的需求。然而，常用的氣象數(shù)據(jù)中并未包含光氣候的測量結(jié)果，造成無法獲得逐時天空類型數(shù)據(jù)用于全年的天然采光動態(tài)計算。因此，如何獲得逐時天空類型數(shù)據(jù)有待進一步研究。

(2)Radiance是一個可擴展性很高的天然采光計算軟件，文章中僅給出了利用Ecotect腳本工具的天然采光動態(tài)計算實現(xiàn)方法，可研究其他的腳本工具應(yīng)用于天然采光動態(tài)計算，以豐富和拓展基于腳本控制的天然采光動態(tài)計算方法的具體實現(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.全年動態(tài)模擬軟件DAYSIM在天然采光設(shè)計中的適用性研究［D］.南京:南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，2011.

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

［4］羅濤，林若慈，王書曉.天然光導光系統(tǒng)分類及全年采光動態(tài)模擬［J］.建筑科學，2007，23(6):4～8.

［5］王洪珍.基于地域性光氣候的建筑采光模擬研究［D］.天津:天津大學建筑學院，2011.

［6］Cindy Larson.Radiance User's Manual［OL］.http: radsite.lbl.gov radiance refer usman1.pdf

［7］Autodesk Ecotect Analysis 2011.

［8］Roberto Ierusalimschy， Luiz Henrique de Figueiredo，Waldemar Celes.Reference Manual of the Programming Language Lua 4.0［OL］.http: www.lua.org manual 4.0 manual.html

［9］Roberto Ierusalimschy.Programming in Lua［M］.Lua.org，2013.

［10］U.S.Green Building Council.LEED Reference Guides for Green Building Design＆ Construction［M］.U.S.Green Building Council，2009.

［11］EnergyPlus Weather Data［DB OL］.http: apps1.eere.energy.gov buildings energyplus cfm weather_data3.cfm region=2_asia_wmo_region_2 country=CHN cname=China.

［12］ISO 15469—2004.Spatial distribution of daylight-CIE standard general sky［S］.

［13］何滎，楊春宇.CIE天空亮度分布新標準［J］.照明工程學報，2007，18(2):1～4.