基于SketchUp建筑性能模拟软件的介绍与展望

高莹

摘 要方案设计阶段的建筑性能模拟是实现建筑低能耗目标的关键阶段，基于SketchUp的建筑性能模拟插件的应用为建筑师提供了进行建筑性能分析的可能性。实际应用中由于性能插件信息的专业性和复杂性，其在方案设计阶段的应用并不普遍。通过比较目前基于SketchUp平台的常用建筑性能模拟软件的应用特点，来探讨适应方案设计阶段的性能模拟软件开发的发展趋势。

关键词SketchUp 性能模拟软件 插件 方案设计阶段

0 引言

建筑性能模拟软件是预测建筑性能和设计方案优化比较有用的工具，然而大多数性能模拟都在设计的中后期进行。虽然设计过程中绿色技术工程师介入越来越早，但在早期方案设计阶段，由于能耗模拟的专业性和复杂性，建筑师很难较好地运用能耗模拟工具辅助设计，模拟工具并未在设计的关键阶段发挥作用。[1]随着可持续绿色建筑议题的不断深化，建筑师也在设计过程中逐渐注重建筑能耗，特别是在方案设计阶段，建筑的形体、空间和表皮都对最终的建筑性能和舒适度水平有很大的影响。建筑的节能设计不能靠感觉来实现，与计算机辅助设计软件的广泛应用相比，建筑师对于建筑能耗模拟软件的应用还非常有限（此类软件多为具有相关专业知识的工程师所用）。基于这种情况，许多研究者正试图将建筑能耗模拟工具的使用更贴近建筑师，理想的目标是让建筑师利用建筑能耗模拟，从项目的最初阶段就开始指导建筑设计。

1 性能模拟软件的发展现状

迄今各国都已意识到性能模拟分析的重要性。从20世纪60年代到今天，随着计算机技术的发展完善和能耗动态模拟分析计算方法的日趋成熟，很多国家都根据自己的特点及要求研发了建筑能耗计算程序，可以便捷地对建筑物进行全年动态模拟。美国是开展建筑节能研究最早的国家之一，与节能标准相关的软件多达120余种。[2]

一直以来，建筑的物理性能模拟始终是被建筑师有意无意忽视的设计步骤，由于在设计过程中没能对建筑内外的光环境、热环境、风环境、声环境等影响建筑空间使用性的重要因素做精确的物理性能模拟，以致于很大一部分看来美仑美奂的建筑只是徒具造形和空间的外壳。即使在设计过程中遵循了分散在多个规范里跟能效相关的条文和所谓的经验，建筑师在完成设计的阶段仍无法确定设计出的建筑是否能满足使用者的舒适性要求和节能减排的需求。对于现今广受关注的BIM，建筑物理性能模拟也是其中重要的环节，性能模拟的定量设计数据应该嵌附在模型上作为深化设计的基础条件。

2 SketchUp的发展与应用

SketchUp是以简单直观操作界面著称的3D设计软件，是直接面向设计方案创作过程的设计工具，其创作过程不仅能够充分表达设计师的思想且基本能够满足与客户即时交流的需要。SketchUp已经是建筑师在方案设计阶段，乃至深化设计阶段主要应用的辅助设计软件。它最突出的特点是具有易于使用的图形用户界面，可以利用其完成建筑三维体量推敲、渲染、日照分析等，通过输入经度、纬度、日期、时间等信息，还可以进行跟踪研究项目，其中遮蔽功能对被动式太阳能建筑的设计也大有帮助[1]；另一大特点是开放性，基于这一平台为二次开发提供开放接口，通过个性化插件的开发，使得其应用更广，操作方式更多样。SketchUp包含了一个Ruby开发程序接口，可以通过SketchUp Ruby API来进一步完善功能，增强软件应用的创造性、应用性和实用性，以提高工作效率。[3]

3 基于SketchUp平台的建筑能耗模拟软件

随着SketchUp在建筑行业的普及，其应用深度早就超越了最初软件开发者所设定的用途，现今把SketchUp从概念设计一直沿用到建筑细部设计的建筑师也大有人在，其他建筑物理性能模拟软件，如TRNSYS、EnergyPlus、IES（VE）等，也相继开发出用于SketchUp的界面插件，让建筑模型能够导入这些模拟软件，为运用SketchUp的建筑师打开了一条通往建筑物理性能模拟的快速通道。

3.1 IES（VE）Plug-in for SketchUp

IES是为建筑师、工程师、规划师以及设备运行经理所提供的一个独特、集成化的建筑性能分析软件。其可以在一个相同的界面下建立统一的建筑物理模型，用于各种性能的分析。能够不用像原来那样，为实现多个性能的分析而需要反复输入数据，可以把设计分析的时间减到最少。

IES的SketchUp插件可以和VE的三个层次的工具箱联系（图1）。1）VE-ware：可以进行简单的分析；2）VE-Toolkit：可以对负荷、二氧化碳排放进行计算；3）整合分析工具：具有强大的建模及分析模拟能力（图1）。这个插件的意义在于，使用SketchUp的建筑师可以通过简单的操作对建筑的能耗等进行分析，在概念设计阶段就能够对建筑的能耗情况进行概算，为后面的详细设计指明方向。鉴于SketchUp使用的广泛性以及其免费特点，SketchUp插件远比VE针对Revit的插件重要，它也为设计师提供了一个更加强大和便捷的分析手段（图2）。

3.2 Legacy OpenStudio Plug-in for SketchUp

EnergyPlus是美国能源部下属的劳伦斯实验室开发的建筑热环境性能模拟软件，在国外相当普及，它原来是在文字界面下运行的，对于习惯使用图形界面的建筑师来说，没有图形的模型输入界面非常不便。2008年EnergyPlus的官方网站上出现了第一个给SketchUp衔接EnergyPlus的插件，不到一年的时间又发行了OpenStudio插件跟SketchUp无缝衔接，让使用者能在SketchUp里面直接操作EnergyPlus（图3）。[4]基于EnergyPlus引擎，其运算结果具有较高的准确性。而且OpenStudio插件易于建筑师运用，也可很便捷地将建筑模型转入详细模拟阶段。但这一插件也有诸多局限性，使用者必须通过运行OS的结果查看器才能得到模拟的输出数据。结果查看器是一个有不同输出格式的统计工具，每次运行结果很难被直观运用来作为设计优化的比较和判断。此外，此插件暖通空调的数据资料也非常有限。

3.3 Virvil SketchUp-HTB2

HTB2软件是由英国卡迪夫大学威尔士建筑学院自主研发的全能耗模拟软件，主要用于建筑热工性能的动态模拟。VirVil SketchUp-HTB2是在常用设计辅助软件SketchUp平台上的动态能耗模拟插件，在设计概念阶段就可进行直观的能耗预测和分析，反馈分析结果并调整优化方案。VirVil SketchUp-HTB2以建筑师常用的设计软件为基础，有效解决了以往建筑设计和能效分析脱节的问题，在建筑师熟悉的操作界面上使能效分析贯穿于设计的始终，使低碳设计变得更易于操作。需要注意的是，HTB2与SketchUp的对接（即VirVil Plugin），目前仍停留在规划尺度（图4），即建筑被处理为单一分区的简单几何形体，无法基于SketchUp模型模拟建筑不同分区的使用能耗。因此，建筑尺度的能耗模拟仍需使用HTB2本身软件进行建模。鉴于此，VirVil Plugin的开发团体正考虑开发分区工具以提供水平和竖向分区功能，从而实现复杂建筑分区的能耗模拟。另外，VirVil Plugin将集成建筑材料的隐含能耗及碳排放的模拟计算，全面地评价建筑的整体性能。[5]

3.4 Sefaira for SketchUp

Sefaira是领先的高性能建筑设计软件之一，已形成了集成设计的理念。作为基于SketchUp的绿色节能分析软件，它的突破在于作为基于云计算的软件，能够提供实时节能分析平台，更便捷高效地进行建筑性能分析，并将能耗结果和经济性分析紧密结合，生成详细完美的分析报表，简单易用（图5）。它还能够为用户提供实时的建筑节能及采光分析，建筑师可以在设计过程中随时获得分析结果，便于设计决策，避免浪费，使最终设计出的建筑能耗更低、效能更高。不过，Sefaira是一种黑箱工具，这意味着我们并不知道所有模拟和分析的运算方法和过程，这可能会给新手带来一些特别的风险。

4 适应方案设计阶段能耗模拟软件的发展趋势

尽管方案设计对于建筑节能效果有着举足轻重的作用，但由于该阶段缺乏建筑本身的基础数据，只有建筑师初步构思的建筑大致风格、外形和布局，无法进行传统意义上的建筑能耗模拟。但此阶段的性能模拟任务是为建筑师提供参考意见，即何种建筑外形和布局能够使得最后的成品避免落入高能耗的陷阱。不同的窗墙比、各朝向窗、墙以及屋面热工性能、密闭还是通风等几十个参数对不同外形、某种功能的建筑产生何种影响，而这种影响只需在定性上是正确的，在定量上允许有一定的误差。实际上，就是要针对建筑师提出的每一种设计构思都给出一套优化的参数配置，并计算出在这种优化配置之下的最小建筑能耗。建筑师可以通过比较不同设计构思方案可能发生的建筑能耗，综合考虑建筑使用的功能性和美观性，择优确定出优化的建筑方案，并在此基础上进行详细的技术设计。[6]

综合上述软件应用插件的特点和方案设计阶段建筑师的设计方式，符合建筑师思维的性能插件开发应体现出以下特色。

4.1简易性信息输入

模拟软件都需要建立详细的输入模型，这是与方案阶段的特点相违背的。在建筑设计早期阶段可以获得的建筑设计信息极其有限，设计参数尚未完全确定，更不可能有系统的详细描述。建筑的进深、朝向、门窗等因素都会影响建筑的采光、室温、自然通风等物理环境，进而影响照明、采暖与空调负荷等。SketchUp与BIM涉及的应用软件的差别就在于它可以进行快速建模而不需要包含复杂信息。否则就会和Revit采用类似的操作方式，建模速度和应用效率也将大打折扣。这阶段的节能分析需要一个简单的建筑节能设计方法，必须运算快速、易操作，同时还要适应方案阶段信息量不全的特点。[7]

4.2高效化过程运算

建筑性能模拟对计算机的运算要求较高，目前单机的运算能力常成为应用的瓶颈，性能模拟运算时间随着模型复杂度和计算精确度的增加也越来越长，快速、准确的高效过程运算能力成为发展目标。并行计算技术是解决高性能运算的一种技术手段，可以将一个计算内容交付给多台计算机，通过并行计算技术将原来在单机上要完成任务的时间缩短，从而实现效率的提高，以达到高性能计算的目的。云计算就是基于这一技术，并借助网络使用户享受高性能的计算资源和软件资源，通过强大的网络平台实时显示运算结果和性能信息，大大提高应用效率，也为建筑设计和性能计算的交互设计方法奠定了基础。

4.3图像化结果呈现

以往软件插件的输出结果常不能很好地适应建筑师的使用习惯，结果的反馈通常是由外部程序提供，极大降低了设计过程的流畅性。而且，由于这种较为专业的结果呈现方式与设计缺乏有效关联，建筑师很难发现建筑性能对设计的影响。因此，建筑性能实时结果的图像化呈现是设计过程决策的解决方法。图像化结果可以将输出的数据以二维或三维图示的直观方式呈现，方便建筑师对建筑能耗与设计参数关系的理解。

4.4兼容性软件互连

现阶段，SketchUp的各种性能插件所体现出的兼容性差异很大，有些已体现出与BIM的有效兼容，但大多数软件则无法实现。建筑师更愿意在一种模型界面或图形文件下完成设计的全过程，不同软件的兼容过渡将使前期的节能设计与后期的节能优化很好地结合，增强性能考虑的连贯性和操作上的流畅性，这些都对于实现建筑性能目标至关重要。

5 结语

SketchUp目前是基于设计初期的应用软件，但是由于现有的软件无法达到建筑设计阶段全过程的良好应用体验，所以建筑师通常会在初始方案阶段，甚至设计的大部分阶段都应用相对较易操作的SketchUp来完成建模及细部呈现。但随着设计的深入，模型的复杂程度和数据信息的不断增多，此软件所呈现出的数据处理方面的弱势越来越明显，建筑师出于应用便捷性和一致性的考虑，更愿意基于一个软件平台来操作，因此针对建筑性能化的全过程辅助设计工具的需求更显重要，在呼唤界面简洁、数图关联、便捷高效、开放兼容的具有良好体验的辅助设计软件的同时，只有建筑师自身的节能意识和执行力与相应的节能应用工具达到一致，才能真正将节能思想融入到建筑设计的每个细节中。

图片来源

文中图片均来自网络。

参考文献

[1] P.G. Ellis，P.A. Torcellini，D.B. Crawley. Energy Design Plugin. An EnergyPlus Plugin for SketchUp[J]. Simbuild，2008.

[2] 冯晶琛，丁云飞，吴会军. EnergyPlus能耗模拟软件及其应用工具[J]. 建筑节能，2012（1）：64-67.

[3] 潘珩. 基于Ruby API的SketchUp快速建模插件的应用研究[J]. 轻工科技，2012（12）：59-60.

[4] http：//www.SketchUpbbs.com/thread-22563-1-1.html

[5] 李晓俊. 基于能耗模拟的建筑节能整合设计方法研究[D]. 天津：天津大学，2013.

[6] 朱颖心，燕达. “十一五”国家科技支撑计划项目课题——建筑节能设计方法与模拟分析软件开发[J]. 建设科技，2011（16）：40-47.

[7] 余琼. 方案阶段建筑节能参数化设计方法研究[D]. 北京：清华大学，2011.