吳 蔚，聶柏慧

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

引言

天然光不僅具有視覺(jué)功效，還會(huì)通過(guò)非視覺(jué)效應(yīng)作用于人體的生理節(jié)律[1，2]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究顯示采光照明的非視覺(jué)效應(yīng)對(duì)人體健康具有重要意義[3]，一系列現(xiàn)代社會(huì)高發(fā)疾病如睡眠障礙、糖尿病、心血管疾病、阿爾茲海默癥等都與光的非視覺(jué)效應(yīng)存在著密切關(guān)聯(lián)[4-6]，有時(shí)甚至?xí)绊慏NA修復(fù)從而誘發(fā)癌癥[5]，這些研究使得人們重新審視和思考采光照明的需求，即不僅要滿足視看要求，還需滿足人體健康需求[6，7]。然而，天然采光下的非視覺(jué)效應(yīng)在影響因素、評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)上都與傳統(tǒng)的視看效應(yīng)不同，目前所開(kāi)發(fā)出來(lái)的計(jì)算機(jī)非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)插件，如Lightsolve[8]和Lark[9]，由于原理和計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜性，還主要適用于研究領(lǐng)域，在使用上仍有較大的局限性，較難為建筑設(shè)計(jì)人員所用。

在總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外非視覺(jué)研究最新成果的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)嘗試探索開(kāi)發(fā)一種適合建筑設(shè)計(jì)人員的天然光非視覺(jué)計(jì)算機(jī)模擬工作流，并在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)了一款基于Rhino+GH平臺(tái)上的非視覺(jué)評(píng)價(jià)工具。本文主要介紹非視覺(jué)計(jì)算機(jī)模擬工作流思路和工具開(kāi)發(fā)，以及相應(yīng)的應(yīng)用驗(yàn)證研究，研究顯示該方法能較為便捷準(zhǔn)確地評(píng)估不同地域、建筑類型和設(shè)計(jì)影響因素下的非視覺(jué)光環(huán)境，從而幫助設(shè)計(jì)師創(chuàng)造出更為健康舒適的光環(huán)境。

1 非視覺(jué)效應(yīng)下的天然采光計(jì)算機(jī)模擬

要開(kāi)發(fā)一種適合建筑設(shè)計(jì)人員的天然光非視覺(jué)計(jì)算機(jī)模擬方法，最簡(jiǎn)單的方法是采用一款被建筑師廣泛運(yùn)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)工作流的形式將不同既有軟件串聯(lián)起來(lái)。由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和非視覺(jué)研究日新月異，該平臺(tái)中所采用的非視覺(jué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件和計(jì)算機(jī)光模擬軟件或插件，都可以根據(jù)需要進(jìn)行更換和升級(jí)更新。由于天然光的非視覺(jué)效應(yīng)在影響因素、評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)都與視覺(jué)效應(yīng)不同，研究團(tuán)隊(duì)將非視覺(jué)效應(yīng)下的天然采光計(jì)算機(jī)模擬分成三個(gè)步驟：首先是在進(jìn)行計(jì)算機(jī)非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)前，根據(jù)非視覺(jué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；然后進(jìn)行非視覺(jué)光環(huán)境模擬計(jì)算；最后是為了方便閱讀模擬結(jié)果，進(jìn)行可視化處理。圖1為計(jì)算機(jī)天然光非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)的方法步驟。

圖1 計(jì)算機(jī)天然光非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)的相應(yīng)步驟Fig.1 Corresponding steps of computer non-visual simulation evaluation in daylighting environment

犀牛(Rhino)是一款建筑設(shè)計(jì)員常用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，Grasshopper則是在Rhino平臺(tái)上的可視化節(jié)點(diǎn)式編程插件[10]，具有非常強(qiáng)大的參數(shù)化控制功能，能夠方便地對(duì)于各種設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此研究團(tuán)隊(duì)選擇Rhino+GH作為平臺(tái)進(jìn)行非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)工具的開(kāi)發(fā)。目前國(guó)際上根據(jù)既有的三種非視覺(jué)光譜響應(yīng)曲線，即Gall曲線[11]、Rea曲線[12，13]和Lucas曲線[14]，發(fā)展出了三種評(píng)價(jià)方法，即生物照度閾值法、多通道計(jì)算法和CEA法[15]，其中CEA法出現(xiàn)最晚，無(wú)論從模型的復(fù)雜度、因素考慮完整度還是使用標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威性等方面都具有一定優(yōu)勢(shì)，因此被選為此次模擬評(píng)價(jià)工具的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)[16]。Well建筑標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上最早加入非視覺(jué)光照要求的標(biāo)準(zhǔn)，在WELL Building Standard 2018中，規(guī)定需在每天的9:00—13:00滿足照度閾值為200EML(Equivalent Melanopic Illuminance，等值黑視素勒克斯)的要求，以滿足使用者的非視覺(jué)要求[17]。因此，本模擬評(píng)價(jià)工作流主要依據(jù)WELL Building Standard 2018和CEA評(píng)價(jià)法編寫(xiě)。根據(jù)上述步驟，在使用GH平臺(tái)上的VB.net腳本編輯器進(jìn)行編寫(xiě)后，利用既有的采光模擬插件構(gòu)建出一套模擬分析工作流(圖2)。工作流共分為氣象數(shù)據(jù)處理、采光模擬計(jì)算和可視化分析三大模塊，共包含5個(gè)VB組件，可對(duì)非視覺(jué)照度、刺激頻率、有效節(jié)律區(qū)域百分比等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。建構(gòu)具體步驟如下：

圖2 計(jì)算機(jī)天然光非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)工作流示意Fig.2 Computer Evaluation workflow of non-visual effects

1)在Grasshopper中通過(guò)VB.net語(yǔ)言編寫(xiě)腳本程序，根據(jù)WELL Building Standard 2018計(jì)算每種天空類型的非視覺(jué)照度轉(zhuǎn)換系數(shù)，然后利用計(jì)算機(jī)光模擬軟件如 Ladybug中的時(shí)間分析組件，包括：時(shí)間間隔分析(Analysis Period)、日出日落時(shí)間(Sunrise Sunset)、圖形輸入(ImportEPW)組件來(lái)提取因變量參數(shù)。

2)在計(jì)算機(jī)三維輔助軟件Rhino或Grasshopper中建立室內(nèi)空間的三維數(shù)字模型，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)光模擬軟件或插件可識(shí)別的數(shù)據(jù)模型，然后在光模擬軟件里設(shè)定室內(nèi)材料的光學(xué)參數(shù)和模擬參數(shù)。非視覺(jué)光環(huán)境評(píng)價(jià)關(guān)注的是人眼，因此視看方向的確定對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)非常重要，需要使用view direction組件來(lái)設(shè)置分析點(diǎn)和人眼的視看方向。其次根據(jù)對(duì)非視覺(jué)模擬的目的，選擇不同的模擬類型進(jìn)行模擬計(jì)算，包括：利用年分析組件進(jìn)行非視覺(jué)照度的計(jì)算；提取年分析組件的輸出端數(shù)據(jù)進(jìn)行每月、每季或一年中選定時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)分析；使用SF analysis 組件對(duì)刺激頻率數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，計(jì)算設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)滿足指定刺激頻率級(jí)別的時(shí)間占比以及空間占比sfCEA；利用emlCEA analysis組件求取每天的emlCEA值和總體平均值，并判斷分析范圍內(nèi)每天是否滿足 CEA 閾值要求。

3)通過(guò)評(píng)價(jià)工具中各個(gè)組件的配合使用，生成與各種指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，再借助grasshopper即可在Rhino界面中以圖示表達(dá)計(jì)算結(jié)果。另外也可借助其它插件實(shí)現(xiàn)與Excel的聯(lián)動(dòng)，將處理的數(shù)據(jù)錄入Excel中生成各式圖表。需要指出的是，分析結(jié)果的圖示化表達(dá)是開(kāi)放性的，研究團(tuán)隊(duì)提出的圖表只是一種示例，使用者可以根據(jù)自己的需要對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行其他類型的處理。

2 應(yīng)用研究

以南京市某高級(jí)中學(xué)教室為例，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所開(kāi)發(fā)出來(lái)的評(píng)價(jià)工具進(jìn)行有效性研究。研究顯示，該工具的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的非視覺(jué)評(píng)估在趨勢(shì)上基本一致，時(shí)間都是在10:00之前表現(xiàn)較弱，空間上都是在講臺(tái)附近區(qū)域難以達(dá)到非視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明該評(píng)價(jià)工具對(duì)現(xiàn)有建筑空間的非視覺(jué)評(píng)估具有一定的有效性[18]。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)選擇朝向、地域、窗地比這三個(gè)對(duì)天然光非視覺(jué)影響較大的設(shè)計(jì)因素對(duì)評(píng)價(jià)工具進(jìn)行進(jìn)一步的適用性研究[19]。由于文章篇幅問(wèn)題，本文僅以不同朝向?yàn)槔接懱烊还夥且曈X(jué)效應(yīng)的影響。教室的計(jì)算機(jī)建模及參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)《南京市中學(xué)教室天然光非視覺(jué)效應(yīng)研究》一文[20]。在模擬分析時(shí)間上，選用非視覺(jué)效應(yīng)水平變化較大的8:00—9:00時(shí)間段，這段時(shí)間是人體對(duì)光照最為敏感的生物節(jié)律重置期[20]，并選擇教室正中間測(cè)點(diǎn)的刺激頻率全年雷達(dá)圖來(lái)探討各因素對(duì)生物暗區(qū)的影響。在模擬工具上修改朝向，只需要通過(guò)給annual daylight simulation組件的noth端輸入不同方向的GH向量，就可改變教室的主朝向，如圖3所示。調(diào)用Daysim分別對(duì)南、北、東、西四個(gè)方向進(jìn)行全年天然光模擬計(jì)算，然后利用可視化分析模塊生成圖表，評(píng)價(jià)不同朝向的非視覺(jué)效應(yīng)水平。

圖3 改變朝向組件連接Fig.3 Connection of orientation Components

圖4是不同朝向的emlCEA指標(biāo)(滿足EML閾值要求的區(qū)域占比)。其中CE (Circadian-Effective，有效晝夜節(jié)律)指若建筑內(nèi)某點(diǎn)某一方向接受的等值黑視素勒克斯(EML)的平均值達(dá)到WELL Building Standard 2018 規(guī)定的非視覺(jué)效應(yīng)最小光照刺激標(biāo)準(zhǔn)200等值黑視素勒克斯(EML)，即認(rèn)為這一天在該點(diǎn)產(chǎn)生了有效的晝夜節(jié)律。由于評(píng)價(jià)一個(gè)建筑空間非視覺(jué)效應(yīng)的天然采光是對(duì)該空間內(nèi)所有點(diǎn)的綜合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，故引入有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比，簡(jiǎn)稱CEA(Circadian Effective Area)。CEA表示一天中該空間內(nèi)所有計(jì)算測(cè)量點(diǎn)中達(dá)到或超過(guò)設(shè)定的Stim.freq(刺激頻率)的百分比。而emlCEA全年分布圖表示的是全年每一天中滿足EML閾值要求的區(qū)域占比，從圖4可以看出，四個(gè)朝向的emlCEA全年分布情況非常相似，都是在3月至10月能夠基本達(dá)到75%標(biāo)準(zhǔn)值，而1月、2月和11月、12月則基本處于10%以下的較低水平；單從emlCEA年均值來(lái)看，四個(gè)朝向的差別并不大，東向會(huì)略好于其他朝向。

圖4 不同朝向下全年emlCEA分布(8:00—9:00)Fig.4 Annual emlCEA distribution in different orientations (8:00—9:00)

圖5是四個(gè)朝向下室內(nèi)滿足天然光非視覺(jué)刺激頻率全年分布(sfCEA)疊加圖。sfCEA指標(biāo)是指滿足特定刺激頻率的區(qū)域占比的時(shí)間分布圖，sfCEA全年分布圖表示的是全年每一天中各個(gè)刺激頻率級(jí)別的區(qū)域占比。從圖5可以看出，sfCEA全年分布在朝向改變后，也無(wú)太大差別，在3月至9月時(shí)間范圍內(nèi)表現(xiàn)較好，超過(guò)臨界值(即Stim.freq ≥ 5d/wk of 7d/wk，A、B等級(jí))的有效區(qū)域百分比基本都接近100%。在10月整體空間的主導(dǎo)刺激頻率是3～4d/wk(C級(jí)),部分時(shí)間能夠有超過(guò)90%的區(qū)域達(dá)到臨界值。但在冬季1月、2月和11月、12月則明顯存在刺激不足的問(wèn)題，1月和2月的部分時(shí)間能夠有部分區(qū)域達(dá)到3～4d/wk的刺激頻率，大部分時(shí)間沒(méi)有sfCEA，意味著所有區(qū)域均無(wú)法達(dá)到200EML的閾值,刺激頻率為0d/wk(F級(jí)別)。單從sfCEA年均值來(lái)看，在1～4d/wk刺激頻率下，東向會(huì)略好于其他朝向，在臨界值以上的級(jí)別，朝向的影響傾向于越來(lái)越小，至7d/wk刺激頻率下達(dá)到一致。

圖6是四個(gè)朝向Stim.freq≥5d/wk占比空間分布，可以看出四個(gè)朝向較為一致，且都處于較為均勻的分布水平，除西北角、西南角和靠近講臺(tái)區(qū)域外，其他區(qū)域全年Stim.freq≥5d/wk的時(shí)間占比基本都能達(dá)到70%以上，靠窗區(qū)域更能夠達(dá)到80%。另外結(jié)合圖7的教室中間點(diǎn)的全年非視覺(jué)天然光刺激頻率Stim.freq分布圖，還可看出全年?yáng)|向相比其他朝向?qū)拷v臺(tái)的生物暗區(qū)有略微提振作用，對(duì)冬季的刺激頻率也有稍許改善。

圖6 不同朝向下全年Stim.freq≥5d/wk占比空間分布Fig.6 Annual Stim.freq≥5d/wk spatial distribution ratio in different orientations

圖7 不同朝向在教室中間點(diǎn)全年天然光非視覺(jué)刺激頻率分布Fig.7 Annual Stim.freq distribution in different orientations in the classroom

既往研究顯示出朝向?qū)Ψ且曈X(jué)光環(huán)境有著重要影響，單泓景[21]、蔣靖才[22]在對(duì)我國(guó)醫(yī)院病房和老年公寓的前期研究中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于單側(cè)采光的房間，東向的非視覺(jué)天然光環(huán)境會(huì)比其他朝向有明顯的優(yōu)勢(shì)。但本次研究則發(fā)現(xiàn)對(duì)于雙向采光的教室，朝向?qū)μ烊还夥且曈X(jué)效應(yīng)影響并不是很大。就emlCEA、sfCEA全年分布、全年Stim.freq≥5d/wk 比空間分布以及中間測(cè)點(diǎn)的刺激頻率結(jié)果來(lái)看，盡管東向的非視覺(jué)效果會(huì)略好些，但總體上無(wú)太大差別。

此外，研究團(tuán)隊(duì)也利用該評(píng)價(jià)工具對(duì)不同地域、窗地比這兩個(gè)設(shè)計(jì)因素進(jìn)行非視覺(jué)評(píng)價(jià)的適用性研究。在對(duì)不同地域和窗地比的比較性研究中發(fā)現(xiàn)，不同地域?qū)淌姨烊还夥且曈X(jué)效應(yīng)影響較大，Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類光氣候區(qū)的代表城市明顯好于Ⅳ類、Ⅴ類光氣候區(qū)的代表城市。另外，隨著窗地比的增大，室內(nèi)空間的非視覺(jué)表現(xiàn)會(huì)越來(lái)越好，但是上升趨勢(shì)在0.25之前較大，在0.25之后明顯減緩。在我國(guó)現(xiàn)行《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)規(guī)范下(窗地比是0.2)[23]，教室天然光非視覺(jué)水平并不是很好，從非視覺(jué)采光的角度，該教室較為適合的窗地比約在0.3左右。

3 結(jié)語(yǔ)

上述研究顯示，研究團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)天然光非視覺(jué)模擬工具能適用于不同設(shè)計(jì)因素、不同地域光環(huán)境下的非視覺(jué)效應(yīng)評(píng)價(jià)。由于可以在Rhino平臺(tái)上建立不同類型的建筑空間，在分析時(shí)允許自定義360°視場(chǎng)中的任意視看方向，能夠同時(shí)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的不同視看方向進(jìn)行分析計(jì)算，因此評(píng)估不同類型建筑的非視覺(jué)光效應(yīng)也不是問(wèn)題。此外，評(píng)價(jià)工具在輸入設(shè)置上也提供了多種可能，還能夠讓使用者進(jìn)行全年任意時(shí)間段或任意時(shí)間點(diǎn)的分析，以及根據(jù)需要進(jìn)行各指標(biāo)閾值的設(shè)定，因此該評(píng)價(jià)工具在有效性和靈活性上，適用范圍也較為廣泛，與之相配的是在工作流可視化分析模塊上提供了多種圖示表達(dá)的方法，能夠較為直觀地呈現(xiàn)出非視覺(jué)效應(yīng)在時(shí)間和空間上的分布狀況，讓建筑師清楚了解天然光非視覺(jué)效應(yīng)的模擬結(jié)果。

目前國(guó)際上非視覺(jué)計(jì)算機(jī)模擬評(píng)價(jià)方法還處于初級(jí)階段，盡管本工具所采用的CEA法無(wú)論是從計(jì)算過(guò)程復(fù)雜度、因素考慮完整度，還是使用標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威性等方面都具有一定優(yōu)勢(shì)，但本身也具有較多的不足之處。如在完成視覺(jué)照度向非視覺(jué)照度的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算時(shí)，只是將照度結(jié)果轉(zhuǎn)化為眼部EML的方法，并沒(méi)有考慮玻璃(如光譜選擇透過(guò)性玻璃)或非中性內(nèi)表面(如彩色墻壁、地板或天花板)對(duì)相對(duì)光譜的修正，即并沒(méi)有考慮天然光在室內(nèi)多次反射后光譜的變化。此外，該方法也沒(méi)有考慮不同朝向的天空光譜的系數(shù)修正。在其后的研究里，研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)根據(jù)該工作流，繼續(xù)簡(jiǎn)化軟件內(nèi)容，選用更為先進(jìn)的非視覺(jué)模擬評(píng)價(jià)方法，并嘗試在其他CAAD平臺(tái)上進(jìn)行工具的開(kāi)發(fā)研究工作，隨著計(jì)算機(jī)CAAD軟件、光模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，以及非視覺(jué)光效應(yīng)基礎(chǔ)研究進(jìn)一步深入，可以預(yù)見(jiàn)建筑光環(huán)境非視覺(jué)效應(yīng)的評(píng)估將會(huì)更加準(zhǔn)確便捷。