自然采光的参数化设计-专栏作家-云知光

自然采光的参数化设计

文/魏敏晨 Moses D.F. Ling

自然采光的参数化设计

随着人们对建筑能耗以及建筑环境要求的不断提高，建筑的外观、结构、照明、暖通系统的设计不再相互独立。对建筑综合设计( Integrated Design )的趋势要求建筑师、城市规划师、环境工程师、结构工程师、照明设计师、暖通工程师等在设计的初始阶段就开始相互配合，以探讨建筑能耗以及环境的整体性。

美国建筑工程协会( Architectural Engineering Institute )已经将对建筑的综合设计列为每年 Professional Project Award 评选的重要关注点，而在每年的学生设计大赛( Student Design Competition )中更是专门设立了综合设计奖( Integration Award )来鼓励建筑的综合设计。

综合设计的理念对于建筑照明设计而言最重要的就是自然采光的设计。自然采光的设计不仅影响照明质量，更是对建筑的暖通系统的能耗有重要影响，而且这两者的设计又受建筑所在城市的气候影响，因而并不能使用相同的设计手段。例如我国南京夏季炎热，如何通过合理的墙体或者窗户设计来降低太阳日晒以及空调负荷，但同时通过提高进入室内空间的日光量来减少电气照明的能耗对设计提出了很高的要求。因而对于照明设计师而言如何合理设计自然采光系统来达到照明和暖通能耗的平衡优化就变得格外重要。

对于照明设计师而言，比较常见的就将建筑模型导入照明模拟软件（例如：Dialux 或者 Agi32 ）来模拟计算自然采光在某一特定时间点对空间内照度或者亮度水平以及分布的影响，然后通过对若干时间点的计算来评价分析空间自然采光的质量。

这样的模拟分析：

1、无法从全年的角度综合评价空间自然采光的质量；
2、对于许多参数（例如水平遮阳板的尺寸、窗户大小、玻璃透光率）等大多依靠经验进行设计，并且参数以及尺寸的修改都会导致复杂的模型修改以及重复模拟计算；
3、将照明与暖通系统的能耗完全分离，照明设计师和暖通工程师很难通过高效合作来达到照明与暖通的平衡与优化。

图1：运用参数化设计的整体流程（来源: SmithGroup ）

随着计算机技术的不断发展，照明设计师和暖通工程师可以和建筑师、结构工程师一起通过参数化建模，并且合理地整合照明模拟计算以及建筑能耗计算模型将照明与暖通能耗做到最佳优化。整个设计过程其实是一个参数化建模、模拟计算各种组合情况、分析比较各种设计、选取最优设计的过程（如图1所示）。

参数化模型：建筑模型的各个参数不再固定，通过定义各个参数（建筑朝向、材料反射率、窗户尺寸、墙的厚度、窗户以及墙的热传透率等）的范围以及相互关系将整个建筑模型建立起来。

定义评价指标：根据客户要求或者设计理念将各个受建筑参数影响的评价指标定义在模拟软件中，例如平均照度、衡量全年自然采光质量的指标( DA, cDA, UDI, sDA )、空调制冷负荷、空调供暖负荷、太阳光在空间内的直射深度、电气照明用电等。

图2 : 通过改变设计参数引起各评价指标的改变（来源：Mostapha Roudsari ）

模拟计算与分析：通过定义模型的各个参数可变范围以及定义评价设计质量的指标，模拟软件便会自动改变各个参数后对各种组合情况进行模拟，并且将记录那些评价指标的数值。设计师可以根据对各个指标的比较选择最终的设计。图2展示了通过改变一个简单空间不同参数（深度、高度、朝向等）所引起各个评价指标的改变（制冷用电、供暖用电、电气照明用电等）；设计师可以通过选取某一特定参数组合来衡量该组合与其它组合的优劣，如图3所示。