未来设计：基于Ladybug+Honeybee的参数化性能设计方法

毕晓健

刘丛红

“参数化”一词起源于数学，意为一组由若干参数通过显函数表达的变量[1]。参数化设计是一种基于算法思维的设计过程，算法思维由参数和规则协同定义，通过编码阐明设计意图和设计响应之间的关系[2]。从1980年代开始，对现实复杂性的规律性描述与数字化解读，催生出参数化设计工具，其以简单的数理程序表达出客观复杂的物理现实[3]。伴随着建筑设计的发展变革，不断进化的参数化工具逐渐成为变革设计本体的主要动力和创新源泉[4]。

1988年，以第一款商用建模软件Pro/Engineer为开端，参数化工具开始介入建筑设计过程；Grasshopper的问世使得参数化工具与建筑设计更加紧密地联系起来，并成为最为普及适用的建筑参数化设计工具[5]。起初，参数化工具多用于描述或搭建建筑模型，同时基于特定的建构要求追求形体的可变性，使得设计过程具有严谨的逻辑性和自动生成特性[6]。随后，该设计工具平台不断扩充功能，引入遗传算法等启发式搜索算法，使得参数化设计过程更加集成化与自动化[7]。伴随着工具技术的逐渐成熟和架构多元化，近几年来，参数化工具在整合模拟技术上实现了进化[8]。其在逻辑算法、形态生成和性能模拟方面的优势逐渐体现出来，通过技术手段弥补了常规“模拟-优化”性能设计方法的缺陷[9]，介入到建筑设计更深层次，指导设计，影响结果，使得参数化工具成为真正的设计工具，为设计发展提供了创新的动力[10]。

参数化设计工具与模拟技术的整合，先后出现了两种工具形式：第一种是端口插件，以实现设计平台与模拟工具之间数据交互为主要目的。2011年，Geco最先问世，其代表了初期参数化设计工具和性能模拟工具整合的发展思路，即作为数据转换端口，实现了分析与优化的设计流程。2013年出现了第二种工具形式，即独立的工具系统。其研发思路不再是简单地寻求和传统商业模拟软件的数据交互，而是通过程序编程与工具二次开发，在Grasshopper设计平台上直接整合成熟的模拟工具计算内核，形成独立的设计操作工具系统。这种工具在逻辑算法、形态生成和性能模拟方面的整合度更高，可以将控制建筑形态的参数作为控制变量，基于建筑性能表现实现形式生成和自动优化，从而推动设计方法的革新。此类工具有基于能耗评价分析的Gerilla、Archsim和Honeybee，基于光环境模拟分析的DIVA和Ladybug，基于气候分析的Heliotrope。相比之下，Ladybug+Honeybee工具（以下简称L+H工具）涵盖了几乎环境分析、性能模拟的所有功能，并实现了耦合多种性能分析的模拟算法（表1）；其作为一款集模拟分析与建筑设计为一体的综合性参数化设计平台，预示着参数化性能设计的未来前景。

基于性能模拟的参数化设计工具的发展与工具对比 表1

一、针对建筑师使用需求优化的工具架构体系

不同于常规以工程师为主导的工具开发模式，L+H的研发由两位建筑师控制，他们分别是美国宾夕法尼亚大学的客座教授M.S.娄德萨利（Mostapha Sadeghipour Roudsari）和毕业于美国麻省理工学院的建筑师C.麦基（Chris Mackey），他们都具有出色的参数化编程能力、建筑性能设计经验和性能模拟知识背景。因此，该工具被赋予面向建筑方案设计阶段的特性与优势，尤其适用于建筑师：其拥有简单易读的图示化操作界面，可以帮助毫无模拟知识背景的建筑师快速建立起性能设计的评估流程；其对模型的兼容能力超越其他模拟工具，可以在建筑形态生成与性能模拟优化之间建立起紧密的、自动化的交互机制；其可基于同一建筑形态模型，同时进行多种性能优化计算，以综合性的评价数据提供多样化的优选方案；该工具内部程序支持二次开发，建筑师可以根据具体项目的需求，定制专属的流程电池图组。可见，不同于以往模拟工具的繁冗与复杂，该工具简化模拟操作内容，更加突出设计流程和形态优化的重要性，因而有利于协助建筑师实现基于性能优化的设计流程开发与方法创新。

如图1所示，该工具具有以两组工具（Ladybug和Honeybee）为核心、多工具辅助的架构体系。其中，Ladybug可对气象资料进行数据处理，提供交互式的信息与决策界面，可读取气象数据生成生物气候图和被动式设计策略，可进行诸如太阳辐射、阴影遮挡等环境分析，也可基于性能表现初步生成几何形态。Honeybee工具整合了专业的能耗计算内核Energy Plus和光模拟内核Radiance，具有坚实可靠的模拟性能，可完成能耗计算、光环境模拟和结构热桥分析等。如表2所示，L+H工具可以满足建筑师在性能设计过程中的各项需求。

图1：工具架构与功能关系

L+H工具功能 表2

二、Ladybug+Honeybee工具的实践应用

L+H工具的开发者在国际建筑模拟协会第十三届大会（13thConference of International Building Performance Simulation Association）上首次公开发表关于该工具的三篇学术研究成果，分别为工具系统概述“Ladybug——一款辅助建筑师进行环境友好设计的参数化Grasshopper环境插件（Ladybug: a Parametric Environmental Plugin for Grasshopper to Help Designers Create an Environmentally-Conscious Design）”[11]、基于工具应用的概念设计阶段设计方法“高性能办公楼概念设计中的性能模拟和优化方法研究（Building Simulation and Evoulutionary Optimization in the Conceptual Design of a High-Performance Office Building）”[12]以及环境分析方法“连接环境分析与建筑设计的工作流程创新性研究（An Innovative Workflow For Bridging the Gap Between Design And Environmental Analysis）”[13]，展示了其在性能模拟与参数化设计整合方面的巨大潜力。该工具特有的程序开源、参数化编程和设计操作界面特征，在短短的三年间，吸引大量学者和建筑师相继在算法研究、方法创新和工具开发三个方面进行学术研究和应用探索，取得了丰硕的成果，促成基于性能表现的参数化设计方法的飞速发展。

图2：设计初期的多目标性能优化算法模型

图3：伦敦理想住区发展规划研究模型

1.基于性能表现的多目标优化算法模型研究

L+H工具推动的多目标优化算法模型是以综合性能指标为评价方式，通过设定控制逻辑让计算机自动完成复杂的计算和寻优过程，在较短时间内得到特定逻辑下的最优结果[14]；这有助于实现建筑性能设计的自动化和精准化，超越以往“模拟-优化”的人工模式，大大减轻建筑师前期工作负担，保证最优性能表现，创新建筑美学，革新设计方法[15]。如下表3所示，其研究内容在设计要素方面涵盖建筑表皮、建筑布局、平面类型、遮阳形态、建筑体量等，在性能指标方面涵盖建筑能耗、室内采光、太阳辐射等；同时还可以看出，由于L+H工具在建筑方案设计阶段体现出的技术优势，设计初期的性能设计算法研究在近几年呈现递增趋势，以此更好地支持建筑方案设计阶段的性能优化与形式创新。

其中，2015年，丹麦技术大学（Technical University of Denmark）的K.内珍代尔（Kristoffer Negendahl）和T.R.尼尔森（Toke Rammer Nielsen），在和BIG建筑事务所及荷隆美设计咨询公司（the consultant agency Grontmij）进行合作设计的过程中，研发出一套用于设计初期的多目标性能优化算法。研究者从工具选择、算法优化和模型设定三方面入手，以L+H为开发基础，以办公建筑外表皮为形式变量，以建筑全年总能耗、幕墙成本、室内采光水平和室内热环境水平为性能指标，建立一个基于综合性能评价的形式生成算法模型。在达到一定精准度和有效性的基础上，该算法满足本国节能设计的规范要求，并具有出色的性能计算速度，可以将方案阶段的评价周期最小化，以此支持建筑设计的前期决策。如下图2所示。

KPF公司利用L+H工具，逐步建立起一套较为成熟的参数化性能设计生成模型系统。该系统涵盖城市、街区和单体等不同尺度的设计模型，可以基于性能评价生成合理的城市、街区和建筑方案[27]。如在伦敦理想住区发展规划研究中，围绕Ladybug工具，KPF开发出一套新型的城市发展设计模型。该模型以高容积率、舒适的住宅和公共空间自然光照水平为优化评价指标，以街区单元为分析模块，经过一系列大量的性能算例研究与对比，自动生成性能最优的住区规划方案[28]，如图3所示。

2.融合参数化逻辑的建筑设计方法创新

L+H工具涵盖全面的性能模拟技术，与此同时，其突破了常规“模拟-优化”模式的技术瓶颈，各项模拟之间可以实现数据的无缝交互与重组。同时，不同于常规性能设计工具封闭的程序系统，L+H工具拥有良好的开发环境和编程语言，可以基于功能整合进行算法工具的二次开发[29]。因此，建筑师可以基于特定的设计目标，对模拟计算数据进行二次处理，制定独特的性能评价方式和形式逻辑算法，开发工具套件，通过设计研发的方式突破技术的桎梏，从而实现设计方法的创新。

如L+H工具的核心开发者克里斯提出了空间舒适度的评价方式，并开发出一整套相关的参数化性能优化工具，以此形成新的建筑设计方法。其在麻省理工学院和加州伯克利建筑环境中心（UC Berkeley Center for the Built Environment, CBE）相关研究成果的基础上[30]，整合热舒适性评价和能耗分析两个性能指标，发展出基于空间舒适度评价的建筑设计方法（图4），并在L+H的工具平台下开发出新算法对应的运算器工具群。如图5所示，克里斯应用该方法，在两种不同气候区下（洛杉矶和纽约）进行混合型住宅设计实验，生成完全不同的住宅空间形态和社区交往空间。该住宅可以在不采用空调的前提下满足当地热舒适性需求，并形成有利于营造舒适热环境和公共交往氛围的特色社区空间[31]。

基于L+H进行的多目标优化算法模型研究（2013-2017年）表3

3.面向性能设计的新型工具系统开发

L+H工具基于Grasshopper平台开发，而Grasshopper平台积累了数量可观的功能插件与独立工具，如表4所示。因此，L+H工具可与这些类别的插件和工具进行协作，实现多种不同的设计功能：如可以实现设计初期的简化计算和快速方案比对，也可实现设计深化阶段的复杂运算和多目标优化，可以实现方案设计到数控建造，也可以实现虚拟现实技术在方案设计中的应用等，从而覆盖性能设计的全流程，有助于建立起系统的参数化性能设计工具体系。

如建筑师V.安东尼（Anthony Viola），M.S.娄德萨利和建筑师R.马里奥（Mario Romero）依托L+H工具，研发了一套参数化性能设计的人机交互操作系统（图6）。该系统通过硬件设计和软件开发，组建起一个触摸式设计交互平台（Tangible Design Interfaces）[32]。建筑师通过操控控制板，实现对建筑形体的参数化控制，如通过移动控制板设定建筑位置，旋转控制板设置建筑层数和扭转角度等（图7）。与此同时，建筑师可以从显示界面中实时读取建筑信息与性能参数，如层数、高度、面积、能耗值、室内照度、室外太阳辐射等，以此为设计决策提供量化依据（图8）。该系统具有实时反馈和多性能指标优化计算的能力，可在设计初始阶段辅助建筑师展开设计，协调多专业协作，是L+H工具在设计操作平台上进行技术拓展和再开发的典型范例。

和L+H工具搭配的插件种类 表4

三、Ladybug+Honeybee工具勾勒出的建筑性能设计未来图景

图4：传统PMV算法和Adpative Calculation算法模型对比

图5：两种不同气候区下进行混合型住宅设计实验

图6：工具开发流程图

图7：操作过程展示

图8：形体操控/三维显示/数据计算

以上即为L+H工具在建筑参数化性能设计中的系统应用研究。其中，“基于性能表现的多目标优化算法模型研究”和“融合参数化逻辑的建筑设计方法创新”两个方面突出体现了L+H工具在设计方法研究方面的潜在技术优势，以及其在建筑形式创作中所蕴含的巨大能量：L+H工具可以推动“基于性能表现的建筑生成设计”向更加自动化、智能化和集成化的方向发展；与此同时，L+H工具架构起的系统化性能模拟设计平台，可以实现数据交互与联通，可以基于同一模型进行多项性能耦合计算，这为创造新的性能评价方式提供了绝佳的契机，也为基于建筑性能表现的形式创新和方法变革提供了技术支撑，使得性能评价与建筑设计更加有机融合。而“面向性能设计的新型工具系统开发”则体现了该工具多元化架构的拓展潜力，可以围绕建筑性能设计全流程，展开工具系统开发，这包括设计前期的虚拟交互操作系统、方案阶段的建筑形式自动生成系统、建造阶段的建筑构件数控加工系统等，以此更全面而深入地介入建筑性能设计的过程，以技术的力量促成未来建筑设计的流程和方法变革。

与此同时，这样一款高性能的参数化性能设计工具，如何与我国的设计实践有效整合，值得深思：如基于L+H工具的特点，提出与我国绿色、节能设计整合的模式方法，搭建适用于我国通用设计流程的建筑性能设计工具平台；遵循国内建筑相关设计标准的要求，整合我国设计规范中的量化指标，以建筑形态控制为目标，制定适用于国内绿色和节能评价体系的参数化设计算法；针对特定地域环境条件，利用L+H工具，探索可行的参数化性能优化策略，根据本土文化和建筑传统，探索本土化的建筑形态自动寻优方法，从而实现基于性能提升的本土建筑形式创新。

图片来源

表1-表4：作者自绘

图1：http://www.food4rhino.com/app/ladybugtools

图2：作者根据原文（Negendahl K, Nielsen T R.Building energy optimization in the early design stages: A simplified method[J].Energy and Buildings, 2015, 105: 88-99.）翻译并绘制

图3：http://ui.kpf.com/london-block

图4、图5：作者根据原文（Rakha T.Towards comfortable and walkable cities: spatially resolved outdoor thermal comfort analysis linked to travel surveybased human activity schedules[D].Massachusetts Institute of Technology, 2015.）翻译并绘制

图6-图8：作者根据原文（Anthony Viola.Tangible Design Interface Test [EB/OL].[2013-03-08].https://www.youtube.com/watch?v=cUqxE3rk8_M）翻译并绘制