陳瑾 朱子君 徐驍男

河北建筑工程學(xué)院 河北 張家口 075000

近年來，中國(guó)高校以及教學(xué)樓數(shù)量逐年增加，伴隨著教學(xué)樓在人工照明與自然采光方面特殊需求，使得該類型建筑在照明方面的能耗也呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。采光設(shè)計(jì)作為教學(xué)樓設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，對(duì)于學(xué)生的視力保護(hù)、使用舒適度以及建筑低碳節(jié)能等方面也都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前常規(guī)的教學(xué)樓建筑采光設(shè)計(jì)在模擬工具與建筑設(shè)計(jì)上的整合度不高，往往需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，無法高效的滿足該類建筑的采光需求。而隨著以Ladybug和Honeybee為代表的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具在整合模擬方面的不斷進(jìn)步，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具和思維方法，解決高校教學(xué)樓采光設(shè)計(jì)中的模擬計(jì)算問題也成為該建筑采光設(shè)計(jì)的新思路。

1 高校教學(xué)樓采光設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1.1 高校教學(xué)樓建筑采光特點(diǎn)

1.1.1 建筑布局

高校教學(xué)建筑，由于其功能的特殊性，采光設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)，而建筑布局對(duì)于采光的影響更為突出。國(guó)內(nèi)目前傳統(tǒng)的高校教學(xué)樓布局還是以一字型布局為主，此布局主要通過走廊將各功能空間進(jìn)行串聯(lián)布置，基本滿足了當(dāng)時(shí)的教學(xué)模式對(duì)教學(xué)樓的功能需求與采光需求。隨著社會(huì)與現(xiàn)代教育理念的發(fā)展，學(xué)科交叉和學(xué)生交流的建筑空間需求越來越得到使用者的重視。因此，在教學(xué)樓設(shè)計(jì)中開始注重對(duì)空間開放與延續(xù)設(shè)計(jì)，而高校教學(xué)樓建筑的布局也隨之產(chǎn)生變化，出現(xiàn)了更多靈活多變的布局形式。在布局形態(tài)更加復(fù)雜豐富的同時(shí)，也對(duì)高校教學(xué)樓建筑的采光提出了更高的要求。

通過對(duì)文獻(xiàn)書籍查閱、相關(guān)案例的調(diào)研分析總結(jié)，將高校教學(xué)樓布局整理為以下幾種具體形式，庭院形、U形、L形、直線形四類典型形體，這些布局皆由傳統(tǒng)一字型組合演變而來[1]。

1.1.2 教室尺寸

教室的形式、朝向、尺寸以及室內(nèi)教具布置都影響著建筑的采光設(shè)計(jì)。教室平面布局多為矩形，且根據(jù)不同需求有不同的尺寸。以張家口地區(qū)高校為例，一般階梯教室能夠容納200到250人左右，其面積為400㎡左右；普通教室一般能夠容納60人到100人左右，面積在100㎡左右。高校教學(xué)樓普遍教室尺寸進(jìn)深在6m-12m左右，開間在8m-16m左右，層高在3.3m-4.2m左右[2]。

1.2 目前高校教學(xué)樓采光設(shè)計(jì)方法的問題

目前建筑采光設(shè)計(jì)中常規(guī)的“模擬-優(yōu)化”的設(shè)計(jì)方法似乎已經(jīng)達(dá)到某種發(fā)展瓶頸，常規(guī)的采光模擬工具與建筑設(shè)計(jì)的整合度不高，模擬效率低，不利于高效達(dá)成采光節(jié)能目標(biāo)。這體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）軟件整合度低。在節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，常用的設(shè)計(jì)工具與模擬軟件之間的整合度不高，大部分建模軟件與模擬軟件都有特殊的文件格式與算法，因此在常規(guī)采光設(shè)計(jì)中需要在模型軟件與專業(yè)的建筑光環(huán)境模擬工具之間多次建模與調(diào)整模型，方案與模擬結(jié)果之間無法形成快速反饋機(jī)制，使得在采光節(jié)能設(shè)計(jì)過程中的工作效率較低。

（2）模擬精度較低。在傳統(tǒng)的采光節(jié)能設(shè)計(jì)方法中，需要根據(jù)模擬軟件所反饋的結(jié)果數(shù)值對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，此過程往往都是人工主觀調(diào)整，人工優(yōu)化形式的變化區(qū)間是極為有限的，無法快速尋找方案中采光性能的最優(yōu)解，因而模擬精度較低。

（3）單一的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的采光節(jié)能設(shè)計(jì)的操作流程需要來回反復(fù)的修正與模擬來尋找采光效果更好的方案，但這種方法所設(shè)計(jì)的方案單一，無法對(duì)滿足采光需求的優(yōu)化結(jié)果一一列舉，因此無法做到滿足特定采光目標(biāo)和形式邏輯的最優(yōu)方案解。

2 參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法

2.1 參數(shù)化的概念

參數(shù)化設(shè)計(jì)是基于算法思維的設(shè)計(jì)過程，其過程是通過合理的設(shè)置設(shè)計(jì)過程中的參變量，使得設(shè)計(jì)結(jié)果由一系列可控變量協(xié)同控制，調(diào)整相關(guān)參數(shù)就可以修改與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。通過“參數(shù)”與“程序”協(xié)同定義來生成特定的建筑采光節(jié)能算法，從而引導(dǎo)計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成建筑采光設(shè)計(jì)的性能模擬和優(yōu)化，最終找到滿足采光需求和形式邏輯的方案最優(yōu)解[3]。

2.2 以Ladybug+Honeybee為代表的節(jié)能設(shè)計(jì)軟件

Rhino&grasshopper參數(shù)化建模技術(shù)近幾年在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，以Ladybug+Honeybee為代表的節(jié)能設(shè)計(jì)軟件發(fā)展迅速，其在Grasshopper設(shè)計(jì)平臺(tái)上整合專業(yè)節(jié)能模擬軟件的計(jì)算內(nèi)核，既可以保證其模擬計(jì)算的專業(yè)性與準(zhǔn)確度，也能大大提升方案設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，通過對(duì)Grasshopper平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化編程，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)層面性能模擬與方案設(shè)計(jì)的整合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中模型創(chuàng)建、性能模擬以及自動(dòng)尋優(yōu)的協(xié)同控制。

2.3 高校教學(xué)樓建筑中的參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法模型

常規(guī)的教學(xué)樓建筑采光設(shè)計(jì)方法在模擬工具與建筑設(shè)計(jì)上的整合度不高，導(dǎo)致在方案光環(huán)境模擬過程中的效率較低。參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用可以大大提升采光設(shè)計(jì)過程中的效率以及準(zhǔn)確性問題。具體設(shè)計(jì)過程可以分為三個(gè)步驟：

（1）策略制定?；诮虒W(xué)樓的相關(guān)建筑采光標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，制定符合設(shè)計(jì)理念的、合理的采光設(shè)計(jì)策略，從而形成整體的采光設(shè)計(jì)邏輯。

（2）方案優(yōu)化。通過Rhino&grasshopper對(duì)基地周邊、建筑主體、建筑細(xì)部構(gòu)件等進(jìn)行參數(shù)化建模，并輸入當(dāng)?shù)氐膃pw氣象數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)尋優(yōu)算法生成方案的適建范圍、位置與布局、初步形態(tài)等。

（3）方案決策。將參數(shù)化軟件遵循既定形式優(yōu)化邏輯進(jìn)行方案窮舉后，以采光節(jié)能目標(biāo)為需求，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行展示與排列，再通過建筑師的主觀評(píng)判，如結(jié)構(gòu)、審美等因素，對(duì)方案進(jìn)行選擇與下一步細(xì)化設(shè)計(jì)。

3 高校教學(xué)樓參數(shù)化采光設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

3.1 高校教學(xué)樓采光標(biāo)準(zhǔn)與策略制定

采光設(shè)計(jì)是教學(xué)類建筑方案設(shè)計(jì)的重中之重，但建筑的采光設(shè)計(jì)并不是一個(gè)單一的、特定的設(shè)計(jì)過程，它貫穿建筑的整個(gè)設(shè)計(jì)階段，包括場(chǎng)地布局階段、建筑單體形態(tài)設(shè)計(jì)階段、建筑細(xì)化設(shè)計(jì)階段等，但各階段的參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法思路一致。因此，筆者以張家口地區(qū)高校為例，針對(duì)高校教學(xué)樓建筑單體形態(tài)設(shè)計(jì)階段中的采光設(shè)計(jì)展開應(yīng)用。

3.1.1 策略制定

在教學(xué)樓建筑單體設(shè)計(jì)階段，需要通過單體形態(tài)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)采光目標(biāo)。教學(xué)樓采光性能與建筑的開窗方式、建筑形態(tài)以及建筑朝向等因素有著密不可分的關(guān)系。因此，綜合考慮上述因素，在尋優(yōu)算法程序中合理設(shè)置方案模擬的參變量，確定教學(xué)樓建筑最有利于采光的建筑朝向開窗方式，以而形成滿足采光需求與形式邏輯的單體形態(tài)。

3.1.2 采光標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于高校教學(xué)樓建筑的采光標(biāo)準(zhǔn)，在《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013中已明確提出：教育建筑的普通教室的采光不應(yīng)低于采光等級(jí)Ⅲ級(jí)的采光標(biāo)準(zhǔn)值，側(cè)面采光的采光系數(shù)不應(yīng)低于3.0%，室內(nèi)天然光照度不應(yīng)低于450lx[4]。側(cè)面采光時(shí)，窗地比不宜小于1/5；頂部采光時(shí)，Ⅰ～Ⅳ采光等級(jí)的采光均勻度不宜小于0.7。眩光指數(shù)值控制在25以下。

關(guān)于教室內(nèi)部照度，《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013中也有明確要求，教育建筑中教室的課桌面照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)≥300lx，課桌面眩光值≥19，課桌面照度均勻度≥0.6，黑板照度均勻度應(yīng)≥0.7[5]。

3.2 參數(shù)化建模

3.2.1 基礎(chǔ)建模

通過Rhino&grasshopper建立參數(shù)化模型是整個(gè)模擬優(yōu)化的基礎(chǔ)，為使設(shè)計(jì)過程更具有普遍性，本文以張家口地區(qū)最為普遍的一字型教學(xué)樓作為典型模型。教學(xué)樓模型為4層，層高為3.6m，長(zhǎng)度48m。在通過Grasshopper軟件建立參數(shù)化模型時(shí)，將建筑旋轉(zhuǎn)角度、教室的開間、進(jìn)深、層高以及窗墻比設(shè)置為可優(yōu)化參量，通過數(shù)值滑桿設(shè)置參量區(qū)間，以便于后續(xù)多目標(biāo)自動(dòng)尋優(yōu)設(shè)計(jì)。

圖1 各步驟Grasshopper電池組

3.2.2 常量設(shè)置

本文基于建筑的旋轉(zhuǎn)角度和教室的開間、進(jìn)深等參量對(duì)教學(xué)樓建筑單體進(jìn)行控制，采光模擬中應(yīng)減少其他因素的影響，對(duì)參數(shù)化模型部分常量進(jìn)行了以下控制：

1）基礎(chǔ)模型的初始朝向?yàn)檎狈剑抑辉诮ㄖＰ偷哪媳绷⒚嫔显O(shè)置開窗；

2）選取標(biāo)準(zhǔn)層的標(biāo)準(zhǔn)間教室作為模擬計(jì)算對(duì)象；

3）建筑層高3.6m，窗臺(tái)高0.9m；

4）數(shù)值模擬中導(dǎo)入的地理數(shù)據(jù)為河北張家口地區(qū)epw格式的地理氣候數(shù)據(jù)。

3.3 性能評(píng)價(jià)

3.3.1 模擬參數(shù)設(shè)置

教學(xué)樓建筑模型根據(jù)相關(guān)規(guī)范，將建筑外立面的反射系數(shù)設(shè)為0.50、樓板反射系數(shù)為0.30、屋內(nèi)墻面為0.60。將分析面高度設(shè)定為0.8m的桌面高度，教室設(shè)計(jì)算點(diǎn)設(shè)置為0.1m間隔布置。

夏至日是北半球一年中白晝最長(zhǎng)的一天，太陽高度角也最大，所以模擬天空選擇全晴天的夏至日（6月21日14時(shí)）來進(jìn)行模擬，可以在最大限度上分析普通教室室內(nèi)天然采光可能出現(xiàn)的采光不均勻現(xiàn)象和眩光現(xiàn)象。將教學(xué)樓模型在主要采光面上不同朝向、教室不同開間、進(jìn)深時(shí)的天然光照度平均值和采光均勻度作為方案比較標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)HB-radiance模擬輸出未尋優(yōu)的模擬結(jié)果，以作為方案自動(dòng)尋優(yōu)后對(duì)比參考數(shù)值。模擬測(cè)試教室在正北方向，開間為12m，進(jìn)深為9m時(shí)的照度最小值為416Lx，最大值為1388Lx，平均照度為621Lx，采光均勻度為0.4。

3.4 自動(dòng)尋優(yōu)算法

將教學(xué)樓的旋轉(zhuǎn)角度、教室的開間進(jìn)深以及窗墻比作為控制教學(xué)樓整體形態(tài)的參數(shù)變量（圖2），這4個(gè)系數(shù)可以控制建筑的平面形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)建筑體量在平面方向上的尺度變化，以保證每一層的建筑平面在既定建筑尺度的約束下，能夠形成不同的開間進(jìn)深和朝向變化。通過控制各墻面的窗墻比與開窗方式，以在自動(dòng)尋優(yōu)過程中生成不同的窗口形態(tài)，從而滿足教學(xué)樓建筑的光照需求。

圖2 參數(shù)化模型與自動(dòng)尋優(yōu)算法參變量設(shè)置

3.5 方案決策

在自動(dòng)尋優(yōu)計(jì)算后，根據(jù)Galapagos模塊所窮舉的結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，從程序所列出的所有最優(yōu)解中進(jìn)一步篩選出采光性能與形態(tài)邏輯均符合要求的單體建筑方案。如圖3所示為部分采光表現(xiàn)優(yōu)異的單體形態(tài)方案，其中，方案2、3、4的采光表現(xiàn)更好，故可以在此基礎(chǔ)上，對(duì)選中的形態(tài)方案在能耗、結(jié)構(gòu)和功能的其他方面進(jìn)行下一步細(xì)化設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)師既定的要求。

圖3 Galapagos模塊窮舉方案

4 結(jié)語

本文通過探索參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法在高校教學(xué)樓建筑采光設(shè)計(jì)各個(gè)階段中的應(yīng)用，旨在優(yōu)化高校教學(xué)樓采光設(shè)計(jì)過程，由于建筑采光性能的影響要素過多，因此優(yōu)化結(jié)果是基于理想的建筑模型，故模擬數(shù)值結(jié)果存在一定誤差。本次應(yīng)用研究從高校教學(xué)樓的自然采光需求出發(fā)，通過在高校教學(xué)樓采光設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)化應(yīng)用和設(shè)計(jì)優(yōu)化流程的詳細(xì)說明，旨在方案階段，對(duì)教學(xué)樓建筑的采光性能進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。通過運(yùn)營(yíng)參數(shù)化節(jié)能設(shè)計(jì)方法，將采光設(shè)計(jì)與建筑方案設(shè)計(jì)相結(jié)合，為高校教學(xué)樓建筑整體的采光設(shè)計(jì)提供了新思路。