环境性能导向的建筑数字设计研究＊

姚佳伟 陈侃（通讯作者） 郑晓薇 李晓璐

1 同济大学建筑与城市规划学院

2 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

在全球人口爆炸和环境恶化的大背景下，各行各业都在追求环境友好型设计。建筑行业作为消耗资源最大、造成污染最多的行业，其现代化对于人类发展刻不容缓。然而从工业革命至今，生产效率与自动化水平在建筑领域提高缓慢。因此在建筑设计初期阶段优化建筑物的环境性能，避免后期对设计方案反复修改，对提高设计的总体效率有着重要意义。

我国是建设大国，过去的经济发展模式造成了2000年之前的建筑大多是高能耗建筑。随着人民生活水平的提高，居民对美好环境与生活的向往越来越强烈，建筑环境性能对舒适性、能耗等的影响也随之被重视起来。在此背景下，绿色建筑评价标准的实施与推广，不仅从政策层面上推动了建筑设计行业对建筑环境性能的重视，同时也促使了建筑业针对环境性能开展大量的优化设计研究与实践工作。

1 建筑数字设计工具

数字技术的产生与发展推动了诸多行业的生产效率发生了革命性的提高，虽然建筑行业由于其特殊性在应用数字技术上与其他行业相比基础相对较差、起步相对较晚，但建筑设计在其辅助下已经在效率上有了很大的提升。

在早期阶段，计算机制图工具开始普及时，基本淘汰了手工绘图，在以CAD为代表的工具软件的帮助下实现了电子绘图。传统图纸中的大量形状、构件和标注信息也转为电子存档，大大增加了存储效率与可靠性。在中期阶段，随着计算机技术的进一步发展和虚拟现实技术的出现，建筑信息模型在由二维转向三维的同时还增加了时间维度，实现了建筑全生命周期信息数据的集成化（BIM），软件工具以Revit、Catia为代表。而在现阶段，随着计算机计算能力的不断增强以及人工智能的兴起，参数化设计的应用越来越广泛，包括在建筑设计中运用参数化工具从方案比选到根据算法自动寻优，参数化设计在以建筑性能为导向的设计中越来越体现出其高效的优势。同时，在以建筑师为主导的形式表达设计中，参数化设计也可以进行方案比选或解决建筑师常识外的疑难点。建模软件以Rhino为主要平台，建筑环境性能方面的参数化建模及分析以早期的Geco+Ecotect和现在的Grasshopper加各专项分析插件为代表，其中Grasshopper已经在建筑形体和外表皮形态优化以及构造节点的设计优化中被成熟地应用，但在建筑环境性能分析方面还处于起步阶段。

2 多环境性能的建筑数字设计方法及代表性案例

建筑环境性能通常包括建筑日照、室内采光、自然通风、室外风环境、声环境和热舒适度、室内空气质量等。由于建筑环境性能既能影响使用者的舒适度，又是反映建筑本身好坏与对周边环境影响大小的硬指标，因此本研究主要调研了基于Grasshopper平台的建筑环境性能优化的相关研究。

1 哈萨克斯坦阿斯塔纳国家图书馆

2 根据模拟结果的表面形状生成

目前，国内外多个科研团队针对建筑环境性能优化设计方法开展了具有代表性的研究，主要集中在设计方案初期阶段基于能耗与采光的建筑平面或形态设计（表1）。

但在实际建筑项目中，更好的设计往往源自更加理性与综合的分析与判断。因此基于以环境性能为目标的建筑优化设计，本研究将从多个国内外典型数字化设计案例中，结合采光、风环境、日照、能耗、辐射等性能指标，采用多目标优化设计方法进行深入剖析。

2.1 光环境性能

建筑物的光环境是使用者进入建筑物时首先能够被感知并影响其舒适度甚至心理的环境因素，自然采光往往与热辐射以及建筑物的能耗、节能减排有重要联系。

哈萨克斯坦阿斯塔纳国家图书馆（National Library in Astana Kazakhstan）是BIG事务所的设计作品，形体复杂，断面可抽象为连续矩形组成的莫比乌斯环（图1）。在优化其窗洞的设计中，郭芳团队[13]介绍了使用连接Grasshopper与建筑性能分析软件Ecotect的接口插件Geco进行优化的方法，其优化目标是使得入射至建筑室内的热辐射量较为均匀，最终设计出了每个窗洞洞口面积都不一样的设计方案。

为了便于窗口构件的工业化建造，窗口大小通过每个网格的顶点向其对角方向移动来控制。具体步骤是将每个窗洞大小一致的模型作为初始模型，利用Ecotect计算射入室内的热辐射量，得到室内某一目标平面的热辐射量分布，再优化热辐射分布使其相比初始状态更加均匀，将这一结果通过Geco反馈到Grasshopper模型中，再反推窗洞的大小分布。继续用Ecotect计算此工况下室内目标平面上的热辐射分布，如此循环往复寻优，直至结果收敛至得到目标平面上热辐射量分布最为均匀的各窗洞大小的最优解群。

北京市大兴区金星路与新华大街处新建图书馆形态也类似于莫比乌斯环，西南科技大学团队[14]用相同的方法对其进行了类似的窗洞尺寸优化设计。这两个案例都通过Ecotect对洞口面积一定的情况下图书馆室内的全年辐射量进行了计算，并借助Ecotect反馈的结果使用Grasshopper控制窗洞参数，达到优化窗洞面积的目的。此方法也可以扩展到建筑物采光和能耗的优化设计中。

2.2 日照辐射环境性能

日照辐射不但会影响室内的光热环境，同时在居住类建筑中还会涉及到日照权的问题。与上节相同的方法还可以应用在建筑物遮阳构件的优化设计中。在湖南大学暑期工作营[15]关于“透明表皮”的设计实验中，优胜方案从改进湖南大学建筑学院老系楼原有的锥形玻璃采光天棚入手，目的是解决其夏季阳光直射导致室内热环境恶劣的问题。由于Rhino可以与后期的数字加工有效结合，团队利用Rhino建模和Grasshopper进行参数化设计，并借助Ecotect进行光照强度分析，将结果反馈到Grasshopper，并结合季节太阳高度角变化引起的入射光角度的变化，同时考虑夏季尽可能遮挡太阳光而冬季尽可能将太阳光引入室内的目标进行优化设计（图2），最终得到构件优化后的设计方案（图3）。这个方案也有利于使用重量轻、易加工的4mm厚复合铝板作为加工单元，在实验室里拼接出实际的遮阳构件（图4）。

表1 建筑环境性能优化设计代表性研究

上述两项研究都利用了Ecotect工具对室内热辐射量的优化设计，但是随着Grasshopper附带插件的完善，今后设计师与学者也可以尝试使用其自带的建筑物理分析插件Ladybug与Honeybee进行环境分析和优化设计。

同样，李慧莉团队[16]在遮阳互动实践方面也进行了尝试，目的是发掘建筑构件和建筑结构互动的可能性，从而实现建筑环境与使用者的自适应。设计出发点同样是源于解决巨大天窗系统引起的夏季高温问题，通常的做法是使用百叶，但采暖和遮阳的措施具有矛盾性，寻找天窗百叶的最佳角度成为优化设计须解决的难题。将Rhino的几何建模通过Grasshopper的逻辑建模与热辐射、采光分析软件Ecotect进行连接，将冬、夏两季的环境模拟结果反馈到模型角度控制中，并且利用GALAPAGOS插件的遗传算法反复寻优，求解出百叶的最佳角度，从而得到最优解群。同时选择结构合理的方案进行节点设计（图5），采用轻盈且具有弱透光性的亚克力作为百叶的加工材料（图6）。

以上两个案例在实验室中实现了建筑构件的数字化设计与建造，为我们提供了利用参数化设计在优化建筑物性能的基础上，使用相同的软件工具进一步进行参数化建造的思路。

宾夕法尼亚大学团队[7]研究了高层住宅小区的日照优化，其研究对象在典型密集型城市的东亚地区，具体以首尔的高层住宅小区为例，这类小区有日照优化的需求。由于住宅建筑都希望南向有直射阳光，尤其是在冬天，而高层建筑在冬天建筑物阴影范围变广，容易对小区内其他建筑的日照产生遮挡，且依据经验的传统布局有其局限性[17]，难以高效解决某些位置的日照遮挡问题，最终导致土地资源的浪费。因此这项研究的目的是开发和测试一种优化设计方法，使其满足高层小区内建筑朝向和布局要求，如9:00～15:00连续日照超过2h以及8:00～16:00累计日照超过4h。研究使用了NURBS（Non-Uniform Rational B-Spline）模型和GA（遗传算法）。NURBS可以进行参数化建模，Grasshopper中的GA可以优化建筑布局和建筑高度。为了高效优化建筑布局，研究使用了逐级驱动控制系统，该系统可应用于NURBS建模工具中，只需将一组随机高度、朝向、布局的高层建筑群作为优化的初始条件。研究使用日照模拟工具（Direct SunliGrasshoppert Hours Simulator）计算结果，优化直至满足预设的日照条件。逐级驱动控制系统将驱动点和作为次级驱动点的各个建筑中心点连接，各次级驱动点连接建筑各角的子点，通过驱动点的平移、旋转和扩展控制建筑群的间距、高度和朝向，因此将建筑群错综复杂的变量转化成了较为单一的变量，实现了降维（图7～9）。研究还以首尔市内的一处高层住宅项目作为测试对象，实现了对其的优化布局设计，可为后期的建造提供参考（图10）。但此研究也有一定的局限性，因其仅仅探究了特定场地的一种情况，并且仅针对日照时间进行了优化设计，优化的方案并不一定能使其他环境因素达到最佳，如风环境。

3 基于实验的光影关系调整和材料灰度分析

4 实验室拼装和建成效果

5 百叶形态与节点构造设计

6 组装与电筒实验

7 逐级驱动点控制系统示意图

8 通过驱动点控制系统控制建筑群布局和高度示意图

9 附加驱动点控制

10 通过驱动点控制建模及优化日照的全流程示意图

11 三栋建筑和两个中庭的原始方案表现示意图

2.3 采光与能耗性能

采光和能耗一直都是建筑师在设计时权衡的一个难点，特别是夏季采光和能耗具有矛盾性。早期固有的设计方法是按照经验来决定建筑物的形态、朝向和窗洞大小等。伊斯坦布尔技术大学团队[5]尝试同时优化采光和能耗来设计高性能的办公建筑，使得设计结果更具有基于数值计算优化的理论依据。设计团队在建筑初期设计阶段介入，对基本方案进行采光和能耗分析（图11），方案为三栋异形的办公建筑和通过对其建筑物间的空间加玻璃天窗形成的两个中庭空间组成，中庭采取冬季封闭采光和夏季通风散热的策略。研究在保持原方案的基础上，通过控制改变尺寸、距离、角度等对原方案感官影响较小的方式进行环境优化设计。第一步用Rhino和Grasshopper对模型进行参数化建模，并设置A～K为变量（图12）。第二步以参数化建筑形态作为变量，用EnergyPlus进行能耗模拟，用Radiance进行采光模拟，得到结果与变量间的对应关系。第三步利用MATLAB编程的遗传算法对能耗这一目标进行优化计算，并设立目标函数，以得到最优解群（图13）。第四步对优化结果进行验算，是否比基准工况的能耗低，这里综合考虑了夏季的空调和冬季的采暖能耗。最终得到夏季冷却负荷降低55%、冬季采暖能耗降低2%和全年综合能耗降低29%的最优方案。此项研究开始时预设了两个优化目标，但最终并没有同时纳入采光指标进行综合优化。

2.4 风环境性能

室外场地的风环境是建筑设计初期就需要考虑优化的因素。大连理工大学团队[18]探索了以建筑群室外风环境为优化目标的参数化设计，以提高室外的风热舒适性。研究使用Rhino和Grasshopper进行参数化建模，流体动力学软件Phoenics模拟室外风环境。研究调研和分析了国内外对风环境有特定改善作用的实际案例中所采取的措施，并且针对大连市中心的实际街区进行室外风环境模拟（图14），发现现实中存在的问题，并对照以往案例，选择相应的有效措施进行街区形态的优化，最终对改进方案的实际效果进行模拟验证。此项研究使用了和以往案例措施类比的方法尝试优化街区室外风场，虽然提供了一种思路，但并没有发挥参数化建模自动寻优的优势，建议未来可以使用Grasshopper自带的CFD数值模拟插件Butterfly进行室外风模拟并结合GA算法实现方案的优化。

天津中钢大厦的案例[19]则以建筑物表面的风压作为控制的目标参数，首先利用CFD模拟得到建筑物外表面上加载的风压分布，将外表面上的风压分为5个等级，依照风压越大开口越小的原则，对外表皮开口大小进行设计，形成5种开口，使之分布于建筑表皮之上，形成风环境优化的表皮的同时兼顾了美观（图15）。此案例将传统建筑物对周边街区风环境的影响拓展到建筑物周边风环境对建筑物自身的影响上，开拓了设计思路。

伦敦大学学院团队[20]设计了一种建筑外表皮形状，并对其室外风性能进行了评价，通过3D打印模型在野外进行实测对比。研究首先使用Rhino和Grasshopper对该模型进行了参数化建模（图16），再使用Grasshopper对应的插件Butterfly调用CFD模拟内核OpenFOAM进行室外风模拟（图17），最后进行优化。研究尝试了通过改变建筑外表皮对室外风环境进行优化的方法，但还局限于模型而非实际复杂的城区，并且优化时CFD模拟的速度成为快速寻优的瓶颈。

2.5 热环境性能

和风环境连带出现的还有场地热环境问题，特别是在现代城市热岛现象年年加剧的背景下，室外热环境的优化也具有一定的迫切性。挪威科技大学团队[21]尝试了对实际城市的辐射、风、热环境进行耦合预测的研究，以欧洲智慧城市试点的意大利博尔扎诺的一个街区作为模拟分析对象。研究先准备了模拟需要的基础数据，根据EPW气象数据文件和历史气象数据，利用工具Climate Consultant、Grasshopper的插件Ladybug得到当地逐时的太阳辐射、风速、风向、气温和湿度等数据。第一步进行日照分析，根据气象参数、城区材料属性和3D模型（图18），利用工具Rhino和Grasshopper、DIVA for Rhino分析得到各表面的太阳辐射量（图19）和产生的太阳能，并尝试了手动对其进行优化。第二步进行微气候分析，根据气温、相对湿度、风速风向和城市3D模型，利用Grasshopper的插件Ladybug作为接口调用Envi-met组件对街区进行微气候分析，得到街区的表面温度、局部体感温度和局部的风速风向（图20）。第三步进行街区气流性状分析，根据气温、风速风向和街区3D模型，利用Grasshopper的插件Butterfly作为接口调用CFD模拟工具OpenFOAM，得到街区的风速分布。此项研究不是分析单一的环境因素，而是综合考虑了街区的风、热、辐射等环境，但并没有实现对这些因素进行综合考虑后的街区优化设计。

12 优化设计中各变量参数的定义

13 来自第10、11、12 子代生成的最优解方案

14 大连市中心某区域夏季10m 处风场（左：优化前；右：优化后）

15 中钢国际大厦立面效果及外表面风压分布

16 参数化定义的表皮建模逻辑

17 3D 打印建筑外表皮的CFD 模拟（Grasshoper+Butterfly）

18 3D 模型

19 绿墙附近的热辐射分布

20 地上1m 高度处15:00 时的温度

21 折叠表面的理念：每个折叠单元的尺寸和折叠角度为变量

22 四维解空间：图示最优解群和次优解

2.6 建筑物表皮的多目标优化

建筑物的空间形态会对建筑环境性能产生很大影响。丹麦技术大学团队[6]尝试了对建筑物表皮的多目标优化，具体是以建筑物表皮褶皱的角度和长度作为变量参数（图21），用Rhino和Grasshopper进行参数化建模，并以采光和室内热环境这两个对变量反应相互矛盾的性能指标同时作为优化目标，再加上造价进行综合考虑权衡（图22）。参数化模拟工具选用Grasshopper的插件Honeybee，优化工具选用GA，使用多目标函数，取离原点最近的点群作为最优解群，同时可以直观地为建筑师提供其他选择，比如侧重优化采光或侧重优化室内热环境，则可选择相对应轴上数值小的点。此研究尝试了多目标优化的方法，但是优化目标还仅限于3个。

3 结语

上述介绍了基于单目标或多目标环境性能优化的大量建筑设计案例。在目前建筑设计领域或科学研究领域，主要是针对日照采光等参数开展单目标环境参数优化工作。尽管多目标耦合优化求解能满足更可持续的建筑设计，但现阶段的计算用软硬件配置及相关算法仍有待提升，以避免设计初期为了追求全性能的优化而消耗大量的时间成本。此外，部分案例体现了在环境优化设计阶段的同时，也应考虑后期建造效率与节材的整体性思维。通过这些案例分析，以期为读者提供数字化设计方法在以环境性能优化为目标的可行性与实际应用性的参考。尽管现阶段环境寻优设计仍存在一定的局限性，但这也指明了未来该领域研究的潜力与方向。