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—以厦门地区既有办公建筑为例
The Generation of Dynamic Eu订ding Skin Based on the Optimization of Daylighting Performance：Taking the Office Buildings in Xiamen as an Example
石峰I Shi Feng
陈艺丹I Chen Yidan
中图分类号TU113文献标识码B文章编号1003-739X(2021)05-0056-07收稿日期2019-12-20
摘要光环境是建筑室内环境的重要因素之一，充分利用自然釆光是实现建筑绿节能的重要策略。以厦门地区既有办公建筑空间为例，探讨通过可变建筑表皮的设计对室内的光环境进行优化。研究中设计了一种可变表皮系统，通过表皮形态的变化适应不同的室外光环境，利用参数化性能模拟工具一一Ladybug工具包对表皮进行逐时的形态生成，并比较分析六种不同表皮形式下的室内光环境，对室内光环境质量中的照度水平、釆光质量、眩光等方面进行评价。分析结果表明，设计的可变表皮能改善 室内采光分布不均匀的问题，增加室内舒适釆光的时间，减小室内不舒适眩光出现的概率，较好地调节自然采光的效果。 关键词可变建筑表皮参数化设计自然采光Ladybug工具包
Abstract The light environment is one of the important factors of the building interior environment.Taking the existing office building space in Xiamen as an example,we discuss how to optimize the indoor light environment through the design of dynamic building skin.A dynamic skin system was designed to adapt to different outdoor light environments through the change of its morphology.The Ladybug toolkit,a parameterized performance simulation tool,was used to generate the hourly morphology of the skin.And the indoor light environment under six different skin forms was compared and analyzed to evaluate the illumination level,lighting quality and glare.The results show that the designed dynamic skin can improve the uneven distribution of indoor lighting,increase the time of indoor comfortable lighting,and reduce the probability of indoor uncomfortable glare.
Keywords Dynamic building skin,Parametric design,Daylighting,Ladybug toolkit
1概述
可变建筑表皮能够随着室外环境的变化而变化，起到调节建筑室内环境的作用，进而达到节能的目的。可变建筑表皮在各地建筑中的应用，也造就了许多经典的案例，如阿拉伯世界研究中心南立面的光圈式表皮、Aedas事务所设计的巴哈尔塔的三角形表皮和德国弗莱堡的“Heliotrop”太阳能住宅能随着太阳的运行缓慢自转，以获得最佳的日照等。
室内光环境对于使用者来说极其重要，天然采光能够丰富室内光环境，还有利于节约能耗。天然釆光设计要尽量避免对人体的一些负面影响，可变表皮运用恰当能减少甚
至防止负面影响的产生，如增加采光量、减少
太阳辐射得热、减少能耗和避免眩光以及保
证个A隐私等"创。
提银机参数化性能模拟在设计阶段对于环境
的舒适度和能耗的把控，相较于人工经验更
加精准，使用计算机模拟辅助设计能够提
升效率。国外开展了一系列的研究与实验，
并取得了相应的成果，如荷兰代尔夫特理工
大学建筑界面研究小组(FRG)冋和德克萨
斯A&M大学的tranSTUDIO161等。Gyeong
Yun等(2014)171和Skarning等(2016)回等
人探讨了动态表皮与光环境、能耗之间的关
系。在国内，参数化设计结合建筑表皮的研
究和关注并不少见，同济大学袁烽回、东南大
学李飓何、哈尔滨工业大学孙澄等(2018)1111
等都对建筑表皮进行了相关的参数化研究和
实践。在可变建筑表皮的研究方面，李保峰
(2004)冋、林涛等(2017)141釆用计算机模
拟的方法对可变表皮进行了参数化研究。
在可变建筑表皮的研究当中，设计结合
性能模拟优化的研究多以静态模拟分析为
主，而可变建筑表皮性能模拟是动态的过程：
需要通过不断地修改参数，快速准确地生成
一系列不同形态，择优录用。因此，可变建
筑表皮设计与参数化平台结合的研究尚显不
输入空间模型、占象资料、材料参
数、测点网格第元尺寸等信息
I 选取感应器位置——测点SP N 种表皮形态输入
（state 1为完全开启状态,state N
为完全关闭状态,N^10）
1
3
J 表皮形态state"!
2.05 2. 13 2.22 2.19 2. 13 1.98
2.09 2. 19 2.18 2.25 2. 15 2.07
2.2A 2.36 2.39 2. 41 2.29 2,20
2.51 2.66 2.70 2.68 2.86 2.69
3.15 X2I 3.20 X 42 3.25 3.033.96
4.08 L01 4.13 3.98 X 876.34 7.05 7.37 7.29 6.86 6.40
4,99 5. 17 5.33 9.32 5,26 -1.87
采光系数分布图|
10.00<
8.336.67
5.001
3.33
1.67
<0.00
lux
6000.00<5000.00
4000.003000.002000.00■ 1000.00
■ <0.00
全阴天空模型下的照度值分布图
4
进行下一单位时间的
表皮形态生成
|进行采光喩拟，得到匸 测点“甬照度Ex 完成单位时间的表皮
形态生成
模拟结果可视化
图2设计思路流程图
图2办公室立面图和平面图
图3办公室采光模拟结果示意图
图4基于Ladybug 工具的模拟优化流程图图5 Grasshopper 电池连接示意图
图6采光性能优化的可变表皮设计示意图
5
j
O 9
O O O
表皮功能
反光区
自然光通过反射区表
皮进入室内，增加房间深处采光
避光区
阻挡太阳直射光，避 免工作台面出现不舒
适眩光
室外
室内
可变表皮功能示意图§
遮阳表皮
可变表皮运动模式示意图
26
夏至日6月21日10时照度分布图
10:00TypeO Typel Type2Type3
排线焊接
Type4Type5Type6
■■
1toco 00< socooo ■
2 3 z S 3
30CO00
「「
P"弋单■
匸：芯暑：：二二:：二二
Ill
照度平均值 1706 lx
1311 lx
920 lx
436 lx 920 lx 964 lx
982 lx
藥光均匀度
―
0.350.330.200.33
0.360.39
%
“甲冊虽
血叵宜
100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%
图8办公室UDI 平均值统计图表
U70
TYPEO TYPE 1TYPE 2TYPE 3TYPE 4TYPE 5TYPE 6
■ UDI>2000lx 40.633.921.47.4 3.5 2.90.2
■ UDI100-2000IX
59.466.1
78.585
73.584.493.5■ UDKlOOIx 0
00.17.623
12.7光纤器件
6.3
图7照度模拟结果示意图o
o o o o O
2 0 8 6 4 21 1* “甲舟
TYPE 0 TYPE 1 TYPE 2 TYPE 3 TYPE 4 TYPE 5 TYPE 6
房间类型
* “归<；蛋匡fe
40
35
30
25
图W 眩光测点出现不舒适眩光(DGP>0.4)时长对比图
U
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月■ TYPEO 26.713.1
1.6
1.300001
11.9
29533.9
■ TYPE124.4630.50
000
0.5 4.820.5
27.4
■ TYPE 2
10.8 1.9 1.1000000.5
4.2 4.51L9
■ TYPE 30
0000
0000000■ TYPE 4 2.80
00000
1.8■ TYPE 5
5.1
1.20
000.5 2.4 4.5
7.1
图9单元测点UDI100-20001X 值大于50%所占的面积百分比统计图足。本文选用Grasshopper 作为可变表皮的 参数化设计平台，其具有可视化、数据分类处
理等功能，可以通过控制参数实现对表皮形 态的把控。
2光环境优化指标
采光评价指标是对建筑天然采光质量进 行评价的基础。随着釆光技术的发展，愈加凸 显了采光系数等传统评价指标的局限性。在 此背景下，一系列动态评价指标随之被提出，
如DA ［13\ UDI ［⑸等，它们考虑了全年的天空变 化情况，并对室内照度水平在一定范围内的 时间
长度进行评价，更适合评价建筑空间的 实际釆光效果。
本章节对国内外相关的釆光评价指标进行 了整理，以厦门地区办公建筑为例(表1)。依 据GE50033—2013《建筑采光设计标准》,
厦门属于IV 类光气候区，光气候系数为1.1，办 公室采光等级为皿级，一般参考平面高度为 0.75m o
在对环境进行评价时，应综合多种评价
指标来衡量室内的环境质量。对设有可变表
皮的室内光环境进行评价时，需要考虑表皮在 不同时刻的不同形态。釆光系数缺少对室外
环境变化的考量；DA 问作为全年动态评价指 标，只考虑到照度的临界最小值，忽略了室内
照度值过高产生眩光的情况；而UDI ［⑸不仅考 虑到照度值过高和过低的情况，同时可以反 映天然光的有效利用率。因此，本研究适宜采 用UDI 釆光评价指标对采光质量进行评价。
国内评价室内眩光质量只针对DGI 指标 作出要求。国外提出的DGP 指标既有对不舒
适眩光计算方法，也融合了基于人的感性评价
的实验方法，综合考虑了视线内的总体亮度、 眩光光源的位置以及视觉对比度等信息阿，
在本研究中尝试用DGP 作为不舒适眩光的评
价指标。
3可变表皮的设计3.1设计思路
在方案设计阶段，表皮的形态可能会随 着功能的叠加出现矛盾，如遮阳与通风、遮阳 与得热、釆光与遮阳等。这些矛盾主要表现
为表皮在应对不同需求时的不同响应方式。
在设计阶段，尝试结合计算机模拟技术对表
皮形态进行生成，以寻到一种解决矛盾的 平衡状态。本研究利用Grasshopper 平台对 表皮单元进行建模，并根据一定的算法进行
变量参数的调整，生成各种表皮形态。运用
Ladybug 工具包对设有不同表皮形态的空间
模型进行光环境模拟，对模拟结果进行数据
表2自然采光相关评价指标
GB50033—2013《建卿光蹄标准》
室内天然光照度标准值
不应低于4501X 采光系数标灘
不应低于3.3%
眩光指SDGI
不命于25
静态评价指标GB50034—2013《建筑照明设计标准》
GB/T50378—2019《绿建筑评价标准》
GB/T50908—2013《绿办公建筑评价标准》
0.75m高的工作台面平均照度不应低于3001X，一般照明照度均匀度不应低于0.60。
当室内照度低于3001X时需要开启人工照明。
内区采光系数满足采光要求的面积比例达到60%，得3分；
室内主要功能空间至少60%面积比例区域的采光照度值不低千采光要求的小时数
平均不少于4h/d，得3分。
主要间有眩光控制措施，得3分。
建筑宜鼓励釆用反光、遮光、导光等新装置、新材料作为辅助设施，改善室内或地下空间的天然釆光质
量，控制眩光”
普通办公室采光系数最低值应达到2%，室内天然光临界照度应达到1001X。
釆光系数达标面积比例X:60%WX<65%，得1分；65%WX<70%，得2分；70%WX<75%，得3分；
75%WX<80%，彳畀分；80%WX，得5分。
动态评价指标DA
Daylight Autonomy
DAcon
Continuous Daylight
Autonomy
针对工作面上每一个计算点，全年范围
内照度不小于给定值的时间占全年时
间的比重，以百分数表示
最低采光照度可根据《建筑釆光设计标准》GB50033—2013中
的照度标准<»施择。
在天然光照度值小于最小设计照度
时，釆用天然光照度值与标准值进行80-100：优秀
比值，权衡系数的方式来综合考虑釆60-80：良好
光质量。满足系数的也纳入整体平均40〜60：及格
DAcon值计算网。
UDI
Useful Daylight
Illuminance
在全年范围内，分析面上每一个计算点
的照度值处于给定有效照度区间的时
间占全年的比重，以百分数表示⑮。
UDI underlit：照度值E vlOOlx表示采光量不足，办公需要开启
人工照明。
UDI:1001X<；照度值E<20001X有效照度区间
UDI overlit：照度值E>20001x表示室内过于明亮，人眼的不舒
适感会明®±升，容易产生不離眩光。
DGP
Daylight Glare
Probability
该指标基于既有的不舒适眩光计算方
法，同时也融合了基于人的感性评价的
实验方法，舲考虑了视线内的总体亮
度、眩光光源的位置以及视觉对比度
等信息［⑹。
Intolerable Glare:0.45<D GP
Disturbing Glare:0.40W D GP<0.45
Perceptible Glare:0.35DGP<0.40
Imperceptible Glare:DGP<0.35
处理，择出表皮形态的最优解（图1）。
3.2研究对象
研究对象为厦门市某既有南向釆光办公室，开间3.3m，进深6.0m，净高3.0m，窗宽3.3m，窗高1.6m，窗台高1.1m。测点SP1距窗户1发，处于水平工作面上；根据GB 50033—2013《建筑釆光设计标准》规定，厦门办公建筑釆光等级BI级，眩光测点设置于窗中心线上，窗对面墙向房间内偏移lm的位置（图2）；水平工作面选取离地0.75高，测点网格单元尺寸均为O.5mxo.5m。
本文研究对象为满足日常办公功能的办公室，通过对该办公室进行建模和采光性能的模拟，得到以下结果（图3）：全阴夭空模型下初步模拟得出室内照度分布不均匀，采光窗附近区域照度值较高，最高为3162.91X，并随着进深方向逐渐降低。以优化该空间的采光性能为目的，借助可变表皮系统来调节室
内釆光分布。
3.3模拟优化方法及软件设置
优化是一个反馈式的过程，通过不断地
模拟寻优化的设计方案，直到得到最优的
设计结果，形成设计上的闭环系统。通过模
拟来反馈设计，可预测评价可变表皮的使用
效果。现有的环境模拟工具多为模拟静态的
建筑元素。在评价动态的建筑环境性能时，
必须在一系列不同状态的条件下分析，才能
进行正确的优化与评价。Ladybug工具包是
基于Grasshopper平台的插件，其Dynamic
Shading模块具有优化功能，可得到逐时的
最佳表皮形态，组合而成一系列可变表皮
形态。本研究选用Grasshopper作为参数
化建模与调节的界面，输入不同的表皮形态
作为变量参数，表皮形态的输入由完全开启
至完全关闭，输入端依次为stately state2
至stateN,statel为完全开启状态，stateN
为完全关闭状态。采光性能的模拟则通过
Ladybug工具包调用Daysim和Radiance
进行逐时的采光模拟（图5）。根据设置的感
应器（测点SP1）接收到的照度值Ex选取合
适的表皮形态输出。优化目标的设置为：当
1001xWExW20001x表皮形态可直接输出；
当Ex>20001x时，调整表皮形态再进行模
拟，直到满足"1001xWExW20001x”条件方
可输出；当Ex<1001x时，确保表皮形态呈现
完全开启状态后直接输出，后期需考虑结合
人工照明进行室内光环境优化。模拟流程参
看图4。
在参数化平台Grasshopper中的模拟参
数设置（图5）主要包括几个方面：基地气象
数据、分析网格单元尺寸、分析精度、材料参
表2模拟实验电池组输入端一览表
模块名称参数参数输入参数说明备注
Ladybug_Open EPWWeather File_open CHN_XiamenFujian.epw输入厦门气象资料
_gridsize0.5输入测点网格单元尺寸
Honeybee_GenerateTest Points
_disBaseSrf0.75设置测点高度
_quality1渲染质量：中等设置环境参数的精度越高，计算时间越
_ab_5漫反射光线次数:5次久，具体的设置应根据需要综合考虑。渲染质量：低、中等、高。
ad1000环境分样值：精确参数精度设置分为：最低、快、精确、Honeybee_RadParameters
_as_20环境超采样值：快
非常精确和最高。
_ar_300环境分辨率设置：精确
_aa_0.1环翳度设置：精确
_write true输出计算结果文件
Honeybee_Annual Daylight Simulation
_runRad true开始计算
表43种可变表皮的全年逐时形态示意图表
表3表皮设计形式示意图
名称类型模型方壬意图变化示意图
旋转0。旋转30*旋转60°旋转90°无TypeO无表皮
：宫5
Type6动态百
森林防火预警系统
叶名
称全年逐时形态示意图
■State2
State4■State2
TTI u111iiil
…，ds
State3
■State8■State7■State6■State5State4L State3State2 TWIT O H"*11irKi HI j x™I h
■State4■State3
数等，这些方面在Lmdybug工具中可设置具体的参数（表2）。部分参数依据GB50033—2013《建筑采光设计标准》及JGJ/T449—2018《民用建筑绿性能计算标准》中的有关规定设定：反射次数为5次，窗户透射比参数为0.75，办公室内部的顶棚反射系数0.80，墙面反射系数0.60，地面反射系数0.3
0，表皮的反射系数0.85。
3.4表皮形态设计与生成
百叶是常见的调节室内采光的方式之
一，传统百叶状表皮的调节因素存在一定的
局限性。三角形形式的单元表皮相较于方形
百叶状的表皮适用范围更广：具有较强的灵
活性，能提供表皮运动的多种可能性，构造
出形式多变的表皮系统；可多角度调节适应
不同方向的采光特征，用以应对多变的环境
指尖文字识别因素；三角形表皮在建筑立面塑造更具美学
特征。
以优化以上空间的采光性能为目的，经
过反复的优化模拟，最终得到了表3中Type5
所示的分段式表皮设计形式。分段式表皮设
打点计时器
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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