绿色建筑光环境模拟软件的选择探讨

2018-11-09史丽莎陈思源

科学与技术 2018年3期

史丽莎陈思源

摘要：本文通过介绍目前主流的建筑光环境模拟软件Radiance、Ecotect和Sunshine，并从普及性、用户界面、功能性、数据兼容性四个因素分析比较各软件的特点及适用范围，最后推荐Ecotect作为绿色建筑设计过程的光环境模拟软件。

关键词：绿色建筑；光环境；模拟软件

引言

建筑光环境的广义内涵是指由光的照度标准、照明形式、颜色色度及质量形式建立的同房间形式相关联的生理和心理环境。良好适宜的建筑光环境是建筑人员正常工作、学习和生活的必要条件，从20世纪80年代，欧美发达国家的研发机构开始致力于研究开发建筑光环境模拟软件，至今对建筑光环境领域的研究已有超过30年的经验历史了。如今，国内大行其道的绿色建筑倡导建筑舒适性和健康性的理念[1-2]，建筑光环境的优化必然是绿色建筑设计阶段的重要任务之一，因此，在绿色建筑设计过程中，通过对建筑光环境进行模拟评测，预测其实际效果来为设计工作提供决策依据有着十分重要的意义。

如今在发达国家，建筑光环境模拟技术己广泛用于绿色建筑设计之中，经过实际工程的实践检验，一批功能优秀的建筑光环境模拟软件脱颖而出，如Radiance、 Ecotect等软件。虽然这些建筑光环境模拟软件都是以统一的标准和手册作为参照编制开发，都具备对复杂的建筑光环境进行高精度的模拟计算评测的能力，但是它们仍然在优势功能上有着很大的不同。不同公司开发的建筑光环境模拟软件在日照模拟、阴影分析、照明计算和渲染光影效果等方面的能力参差不齐。本文将对目前国内比较主流的几款建筑光环境模拟软件进行对比分析，然后为绿色建筑技术的BIM模拟分析确定一款具有代表性的建筑光环境模拟软件。

1 光环境模拟软件概述

1.1Radiance：Radiance软件是由LBNL、太平洋电气公司以及加州能源效率研究中心合作研究开发的建筑光环境模拟软件，软件内置了50多个功能工具程序，可以对天然采光及人工照明条件下的室内光环境进行模拟预测，其模拟计算的高准确性为国际光学研究界所公认。

Radiance软件的模型建立过程是典型的BIM三维模型，建模过程中，所有灯具信息参数及材料性能参数都会作为非几何信息添入三维模型之中。其后Radiance会读取模型的所有的几何及非几何信息，并编译成用于光线追踪分析的Octree文件。为了在合理的工作时间内得到足够的模拟计算精度，Radiance光模拟软件使用了反向光线追踪算法和随机蒙特卡洛采样作为其核心算法，并将窗户和天窗等构件当作二次光源，如此Radiance模拟计算过程还能分析计算间接光学构件对室内光环境的影响。

由于最初版本的Radiance是基于Unix系统研发的，并没有友好型的用户交互界面，其复杂专业的光环境模拟计算方法让设计人员很难学习掌握。随后LBNL在原软件内核基础上开发了Windows系统下的Desktop Radiance，对原Radiance复杂的专业性操作进行了很大程度简化，并将Radiance系统嵌套在AutoCAD的用户界面上。

1.2 Ecotect：Ecotect最初是由英国Square One 研究公司开发的一款全面的绿色建筑性能模拟辅助设计软件，2008年，Ecotect被Autodesk公司收购，其后一直致力于改进原有的建模方式和优化可视化性能。Ecotect作为一款功能全面的模拟软件可以对绿色建筑设计过程的能耗、光环境和声环境等多方面性能进行模拟评测，但实际该软件尤其擅长于室内光环境的模拟，它的其他功能相对于市面同类软件相对较弱，因此本文将Ecotect归入建筑光环境模拟软件之列。

Ecotect的分析方法是一种交互式即时性的分析，建模开始时甚至只有一个简单的模型时，Ecotect软件都会输出可视化的数字分析结果，然后随着设计的不断深入，比如在模型中加入一扇窗的参数，就立刻能在分析结果中看到该操作所引发的房间室内光环境的变化，长此以往，分析结果会随着设计的深入而越来越详细完善。Ecotect内置强大的三维建模工具，能快速高效地建立直观可视化的三维模型，除此之外，Ecotect还支持直接导入DXF和3DS格式文件，因此Ecotect可以与Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多种建筑设计软件共享其二维或三维模型，大大缩短Ecotect建筑光环境模拟的建模工作时间。Ecotect软件的模拟精度等级相对于更专业的物理光学模拟软件Radiance相较略低，但是Ecotect源代码开放提供了丰富的底层数据接口，在绿色建筑工程设计需要高精度光环境模拟时，Ecotect可以将模型数据直接导入Radiance或Daysim软件之中进行分析报告的精度补充，见图1.1。

1.3 Sunshine：Sunshine光环境模拟软件是由清华大学建筑学院研发的建筑光环境模拟软件，该软件实质是嵌套在AutoCAD的用户界面上的一个插件式模块。

Sunshine软件擅长于建筑日照分析模拟，其内置了多种建模方法和日照模拟算法，包括天空图法、日照等时线法、日照圆锥面法、阳光通道法和返回光线法。Sunshine软件采用了解析法及优化方法对模型进行计算求解，因此统一具备日照模拟分析的高速和高精度。软件内置了日照约束下的容积极限模拟计算模块，该模块采用遗传算法，可对周边有日照约束条件下的地块极限容积体进行优化求解。此外，Sunshine软件还内置了玻璃幕墙一次反射光模拟计算模块，可针对玻璃幕墙有害光反射对建筑环境的影响进行模拟评测。

2 光环境模拟软件对比分析

2.1普及性分析：Radiance及其类似的基于实验物理学的光环境模拟软件由于其复杂性和专业性，要让非光物理专业的设计人员熟练掌握有一定的难度，这类建筑光模拟软件只适合国内大型设计单位所能涉及的超级大型复杂绿色建筑工程项目。Sunshine作為只能分析建筑日照的光环境模拟软件在功能上有很大的局限性。而号称“绿色建筑生态模拟大师”的Ecotect，则以其适合的精度及简单快速的分析能力广泛的应用于国内各大中小型设计企业单位之中。

2.2用户界面分析：Radiance是一款基于Unix系统而开发的光环境模拟软件，其根本就没有用户交互界面，其后的Windows系统下的Desktop Radiance也只是将原内核嵌套在二次开发后的AutoCAD的用户界面之上。Sunshine则本身是以一个插件模块的姿态附加在AutoCAD软件之上的。Ecotect经过Autodesk公司历年的开发，拥有一个典型的用户友好型操作界面，官方版本虽然只提供全英文版界面，但是国内部分学者已经对其进行了汉化工作并提供汉化软件包的免费下载。

2.3功能性分析：Radiance和Ecotect虽然采用不同的算法，但是它们都能对建筑的自然采光和人工照明等条件下的建筑光环境进行全面的模拟分析计算，在模拟计算结果的精度上Radiance比Ecotect高出一个层次，但是Ecotect所能达到的精度往往已经能满足大部分绿色建筑设计的决策依据需要了，且Ecotect输出的模拟分析结果更加直观可视，大大提高设计过程中决策工作的效率。Sunshine只具备建筑日照分析模拟能力，相较于Radiance和Ecotect在功能有局限性。

2.4数据兼容性分析：Radiance和Sunshine作为嵌套在AutoCAD用户界面之中的建筑光环境模拟软件，底层数据必然和AutoCAD一定程度共享。Ecotect相对于Radiance和Sunshine则显示出了更大的信息和易性，Ecotect源代码开放，支持直接导入DXF和3DS格式文件，与Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多种建筑设计软件都有极好的信息数据兼容性，这都十分有利于信息流仿真模型的建立和后期GBIM协同设计决策系统的再完善研发。

2.5多因素综合对比：根据前述分析，针对普及性、用户界面、功能性、数据兼容性四个因素，对Radiance、Ecotect、Sunshine三个主流的建筑光环境模拟软件进行综合对比[3-4]，结果见表2.1。对比结果显而易见，Ecotect算法简单、精度适宜，计算速度快、操作易上手、数据兼容性高，适合广泛应用于各大中小型设计单位，作为绿色建筑设计决策依据。