基于采光性能优化的可变建筑表皮生成研究——以厦门地区既有办公建筑为例

石 峰

陈艺丹

1 概述

可变建筑表皮能够随着室外环境的变化而变化，起到调节建筑室内环境的作用，进而达到节能的目的。可变建筑表皮在各地建筑中的应用，也造就了许多经典的案例，如阿拉伯世界研究中心南立面的光圈式表皮、Aedas事务所设计的巴哈尔塔的三角形表皮和德国弗莱堡的“Heliotrop”太阳能住宅能随着太阳的运行缓慢自转，以获得最佳的日照等。

室内光环境对于使用者来说极其重要，天然采光能够丰富室内光环境，还有利于节约能耗。天然采光设计要尽量避免对人体的一些负面影响，可变表皮运用恰当能减少甚至防止负面影响的产生，如增加采光量、减少太阳辐射得热、减少能耗和避免眩光以及保证个人隐私等[1-4]。

参数化性能模拟在设计阶段对于环境的舒适度和能耗的把控，相较于人工经验更加精准，使用计算机模拟辅助设计能够提升效率。国外开展了一系列的研究与实验，并取得了相应的成果，如荷兰代尔夫特理工大学建筑界面研究小组（FRG）[5]和德克萨斯A&M大学的tranSTUDIO[6]等。Gyeong Yun等（2014）[7]和Skarning等（2016）[8]等人探讨了动态表皮与光环境、能耗之间的关系。在国内，参数化设计结合建筑表皮的研究和关注并不少见，同济大学袁烽[9]、东南大学李飚[10]、哈尔滨工业大学孙澄等（2018）[11]等都对建筑表皮进行了相关的参数化研究和实践。在可变建筑表皮的研究方面，李保峰（2004）[12]、林涛等（2017）[4]采用计算机模拟的方法对可变表皮进行了参数化研究。

在可变建筑表皮的研究当中，设计结合性能模拟优化的研究多以静态模拟分析为主，而可变建筑表皮性能模拟是动态的过程：需要通过不断地修改参数，快速准确地生成一系列不同形态，择优录用。因此，可变建筑表皮设计与参数化平台结合的研究尚显不足。本文选用Grasshopper作为可变表皮的参数化设计平台，其具有可视化、数据分类处理等功能，可以通过控制参数实现对表皮形态的把控。

图1 设计思路流程图

图2 办公室立面图和平面图

图3 办公室采光模拟结果示意图

图4 基于Ladybug工具的模拟优化流程图

图5 Grasshopper电池连接示意图

图6 采光性能优化的可变表皮设计示意图

图7 照度模拟结果示意图

图8 办公室UDI平均值统计图表

图9 单元测点UDI100-2000lx值大于50%所占的面积百分比统计图

图10 眩光测点出现不舒适眩光（DGP>0.4）时长对比图

2 光环境优化指标

采光评价指标是对建筑天然采光质量进行评价的基础。随着采光技术的发展，愈加凸显了采光系数等传统评价指标的局限性。在此背景下，一系列动态评价指标随之被提出，如DA[13]、UDI[15]等，它们考虑了全年的天空变化情况，并对室内照度水平在一定范围内的时间长度进行评价，更适合评价建筑空间的实际采光效果。

本章节对国内外相关的采光评价指标进行了整理，以厦门地区办公建筑为例（表1）。依据GB50033—2013《建筑采光设计标准》，厦门属于Ⅳ类光气候区，光气候系数为1.1，办公室采光等级为Ⅲ级，一般参考平面高度为0.75m。

在对环境进行评价时，应综合多种评价指标来衡量室内的环境质量。对设有可变表皮的室内光环境进行评价时，需要考虑表皮在不同时刻的不同形态。采光系数缺少对室外环境变化的考量；DA[13]作为全年动态评价指标，只考虑到照度的临界最小值，忽略了室内照度值过高产生眩光的情况；而UDI[15]不仅考虑到照度值过高和过低的情况，同时可以反映天然光的有效利用率。因此，本研究适宜采用UDI采光评价指标对采光质量进行评价。

国内评价室内眩光质量只针对DGI指标作出要求。国外提出的DGP指标既有对不舒适眩光计算方法，也融合了基于人的感性评价的实验方法，综合考虑了视线内的总体亮度、眩光光源的位置以及视觉对比度等信息[16]，在本研究中尝试用DGP作为不舒适眩光的评价指标。

3 可变表皮的设计

3.1 设计思路

在方案设计阶段，表皮的形态可能会随着功能的叠加出现矛盾，如遮阳与通风、遮阳与得热、采光与遮阳等。这些矛盾主要表现为表皮在应对不同需求时的不同响应方式。在设计阶段，尝试结合计算机模拟技术对表皮形态进行生成，以寻找到一种解决矛盾的平衡状态。本研究利用Grasshopper平台对表皮单元进行建模，并根据一定的算法进行变量参数的调整，生成各种表皮形态。运用Ladybug工具包对设有不同表皮形态的空间模型进行光环境模拟，对模拟结果进行数据处理，择出表皮形态的最优解（图1）。

表1 自然采光相关评价指标

3.2 研究对象

研究对象为厦门市某既有南向采光办公室，开间3.3m，进深6.0m，净高3.0m，窗宽3.3m，窗高1.6m，窗台高1.1m。测点SP1距窗户1发，处于水平工作面上；根据GB 50033—2013《建筑采光设计标准》规定，厦门办公建筑采光等级Ⅲ级，眩光测点设置于窗中心线上，窗对面墙向房间内偏移1m的位置（图2）；水平工作面选取离地0.75高，测点网格单元尺寸均为0.5m×0.5m。

本文研究对象为满足日常办公功能的办公室，通过对该办公室进行建模和采光性能的模拟，得到以下结果（图3）：全阴天空模型下初步模拟得出室内照度分布不均匀，采光窗附近区域照度值较高，最高为3162.9lx，并随着进深方向逐渐降低。以优化该空间的采光性能为目的，借助可变表皮系统来调节室内采光分布。

3.3 模拟优化方法及软件设置

优化是一个反馈式的过程，通过不断地模拟寻找优化的设计方案，直到得到最优的设计结果，形成设计上的闭环系统。通过模拟来反馈设计，可预测评价可变表皮的使用效果。现有的环境模拟工具多为模拟静态的建筑元素。在评价动态的建筑环境性能时，必须在一系列不同状态的条件下分析，才能进行正确的优化与评价。Ladybug工具包是基于Grasshopper平台的插件，其Dynamic Shading模块具有优化功能，可得到逐时的最佳表皮形态，组合而成一系列可变表皮形态。本研究选用Grasshopper作为参数化建模与调节的界面，输入不同的表皮形态作为变量参数，表皮形态的输入由完全开启至完全关闭，输入端依次为state1、state2至stateN，state1为完全开启状态，stateN为完全关闭状态。采光性能的模拟则通过Ladybug工具包调用Daysim和Radiance进行逐时的采光模拟（图5）。根据设置的感应器（测点SP1）接收到的照度值Ex选取合适的表皮形态输出。优化目标的设置为：当100lx≤Ex≤2000lx表皮形态可直接输出；当Ex＞2000lx时，调整表皮形态再进行模拟，直到满足“100lx≤Ex≤2000lx”条件方可输出；当Ex＜100lx时，确保表皮形态呈现完全开启状态后直接输出，后期需考虑结合人工照明进行室内光环境优化。模拟流程参看图4。

在参数化平台Grasshopper中的模拟参数设置（图5）主要包括几个方面：基地气象数据、分析网格单元尺寸、分析精度、材料参数等，这些方面在Ladybug工具中可设置具体的参数（表2）。部分参数依据GB50033—2013《建筑采光设计标准》及JGJ/T449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》中的有关规定设定：反射次数为5次，窗户透射比参数为0.75，办公室内部的顶棚反射系数0.80，墙面反射系数0.60，地面反射系数0.30，表皮的反射系数0.85。

表2 模拟实验电池组输入端一览表

表3 表皮设计形式示意图

表4 3种可变表皮的全年逐时形态示意图表

3.4 表皮形态设计与生成

百叶是常见的调节室内采光的方式之一，传统百叶状表皮的调节因素存在一定的局限性。三角形形式的单元表皮相较于方形百叶状的表皮适用范围更广：具有较强的灵活性，能提供表皮运动的多种可能性，构造出形式多变的表皮系统；可多角度调节适应不同方向的采光特征，用以应对多变的环境因素；三角形表皮在建筑立面塑造更具美学特征。

以优化以上空间的采光性能为目的，经过反复的优化模拟，最终得到了表3中Type5所示的分段式表皮设计形式。分段式表皮设计能够更适宜地发挥出不同高度表皮的功能性。设计的表皮（图6）高处部分作为反光区域，增加室内采光量，且不影响使用者的视觉感受；中部以下的表皮以遮阳功能为主，即减少工作台面的直射光，又可调节因过度遮阳造成的视野遮挡。为了评价该表皮的室内光环境效果，对设计过程中考虑的几种表皮形式进行对比分析。

针对不设表皮、3种不同倾角的固定表皮、动态百叶、一体式可变表皮和分段式可变表皮7种不同状态下的室内采光性能进行全年时段的参数化研究。7种工况的表皮形态分别为（表3）：

Type0：房间不设表皮。

Type1～3：均为固定表皮，表皮深度0.476m。表皮围绕轴旋转分别为90°、60°和30°。

Type4：正三角形状表皮，三角形边长0.55m，深度0.476m。实行一体式调节。上下两个正三角形镜像组合而成，围绕轴进行旋转，遮阳表皮的变量参数为旋转角度，由关闭到开启状态依次为0°、30°、60°和90°。

Type5：在Type3基础上增加反光功能，实行分段式调节。自然光通过上半部分的反射表皮进入室内，经由墙体的多次反射，提高房间深处的采光质量（图6）。避光区的表皮由关闭到开启状态依次旋转为0°、30°、60°和90°；反光区的表皮设置为关闭和开启两个状态，旋转角度分别为0°和90°。

Type6：动态百叶即百叶状的可变表皮，由关闭到开启状态依次旋转为0°、30°、60°和90°。

通过Ladybug工具包中的Dynamic Shading功能，自动生成全年逐时的表皮形态图表（表4）。每种颜色对应的表皮形态如表4，以Type5夏至日6月21日为例：9：00，可变表皮的形态为“State1”；12：00，表皮形态为“State3”；15：00时呈现“State5”。

4 自然采光效果对比分析

4.1 照度

从测点SP1的全年照度分布图表得出（图7），设有表皮的办公室相较于不设表皮的每小时照度整体有所下降。其中，不设表皮Type0照度最高，大部分时间高于4000lx；Type5的照度值变化最为稳定，多处于3000lx以下。

以下选取夏至日6月21日10：00时照度分布情况进行对比（图7）：不设表皮的Type0采光窗周围区域照度约范围约为3000～5200lx，测点SP1照度为4637lx。其他6种工况的采光窗周围区域照度分别为2953lx、2036lx、1176lx、2036lx、2140lx和2257lx，相较于Type0的照度均有明显下降。由此可见，不设表皮的办公室可能出现过度采光的现象，表皮的存在能适当减少工作台面出现过高照度值的情况。不设表皮的办公室采光均匀度为0.26，设有表皮后的采光均匀度有所上升，动态百叶最高为0.39，三角形分段式次之为0.36。固定表皮Type1的采光均匀度为0.35，但采光窗附近区域的照度值过高。

4.2 UDI

根据Nabil的研究[15]，当采光照度低于100lx时采光量不足，办公需要开启人工照明；当照度在100～2000lx范围内通常被认为是可接受的范围；当采光照度值大于2000lx时，人眼的不舒适感会明显上升。在评价空间自然采光质量时，用UDI来表示有多少时间采光过低、可以接受和过高，分别用UDI＜100lx、UDI100～2000lx以及UDI＞2000lx3个指标来表示各点仅在自然光照射下照度处于设定范围内的时间百分比。

对比不同类型办公室的UDI平均值（图8），设有表皮的办公室的UDI值较不设表皮的整体提升了。设有表皮后的6种工况，UDI＞2000lx值明显下降，UDI100～2000lx值升高。Type6的UDI100～2000lx值最高为93.5%，UDI＞2000lx最小为0.2%。测点SP1的UDI值分别为3%、14%、28%、55%、75%、93%和100%，其中Type6的UDI最高，表明测点SP1全年约有100%的时间处于舒适采光状态。

对比不同表皮类型办公室中，统计超过50%的时间，照度值处于100lx至2000lx区间（UDI100～2000lx＞50%）的单元测点数量占总测点数的百分比（图9），其中3种可变表皮的值均为100%，表示可变表皮能够使得所有工作台面的照度都能够处于舒适采光区间，且达到的时间超过50%，表明可变表皮对提高室内UDI的效果明显。

4.3 不舒适眩光DGP

眩光是由于视野范围内的亮度分布不均匀，导致工作面与背景之间的亮度对比过大，引起人们眼睛的不舒适感或降低人们分辨细节和物体的能力[17]。本文通过对DGP的研究来量化和评价人的主观感受，弥补采光系数、UDI等只针对照度作为评价指标的不足。

根据DGP的评价标准，DGP大于0.4表示出现的眩光不利于工作。对眩光测点出现不舒适眩光（DGP>0.4）的时间进行全年的统计（图10）。不舒适眩光的出现主要集中在1—2月和9—12月。设有表皮的办公室相比于不设表皮的出现眩光的时间明显减少，说明表皮具有防眩光的作用。12月，设有表皮较不设表皮出现眩光的时间变化最为明显。对比固定表皮的3种工况，Type1出现眩光的时间最多为27.4%，Type3出现眩光的时间最少为0%。可变表皮2种工况中，一体式调节的Type4眩光出现的时间为1.8%，分段式调节的Type5眩光出现的时间为7.1%，相比于不设表皮的分别减少了32.1%和26.8%。其中，Type6在控制眩光方面成效最佳。

4.4 总结

综上所述，本研究对比有表皮和无表皮、固定表皮和可变表皮、一体式调节和分段式调节的可变表皮以及不同形式的可变表皮，综合照度、UDI、DGP等多指标因素对室内采光的稳定性和舒适性进行评价。总结如下：

不设表皮的Type1室外无遮挡，室内照度分布不均，采光窗附近的照度过高，产生的不舒适眩光和太阳直射光会对使用者造成不良影响。

固定表皮中，Type1能起到减弱强光的作用，但效果不足，采光窗附近区域的照度值过高，导致眩光出现的概率过大；Type2在Type1的基础上有所改善，但优化效果依然不足；Type3总体优化效果最佳，在眩光调节方面起到了最佳的效果，但是由于其表皮形态会过多地遮挡采光窗，导致自然采光和视野不足的可能性也相对增加。

本研究中的可变表皮在各方面表现均优于固定表皮。在可变表皮中，动态百叶的光环境优化效果略优于三角形状可变表皮。在三角形状的可变表皮中，分段式相比于一体式可变表皮调节室内光环境综合效果更佳。其中，分段式调节的可变表皮在提高室内有效采光时间和维持光环境稳定等方面成效更佳。

结语

本研究以改善室内光环境为目标，结合表皮的设计探讨了可变表皮形态生成的方法，并比较分析了不同表皮形式对室内光环境的影响。研究中利用参数化平台进行了光环境的模拟和优化，以Rhino和Grasshopper为建模平台，Ladybug工具包为性能模拟优化平台，根据既有办公室室内光环境的缺陷，进行改善室内采光性能的可变表皮设计与形态生成。通过模拟优化和对比分析，生成一系列表皮形态，并综合了各类采光评价指标对其的室内光环境进行评价。研究结果表明：对参数化平台的合理运用能够自动生成最优的可变表皮形态组合，达到改善室内环境的目的。同时，也证明了合理的可变表皮设计能够改善室内采光分布不均匀的问题，增加室内舒适采光的时间以及减小室内不舒适眩光出现的概率。

本文的可变表皮设计仅涉及办公建筑室内光环境优化的研究。可变表皮作为建筑的“皮肤”，可以从热环境、光环境、风环境等多方面调节室内环境的作用，可变表皮对其他环境因素的调节以及不同因素之间的耦合依然是有待研究的课题。

资料来源：

文中图表均为作者自绘。