参数化节能设计方法在高校教学楼采光设计中的应用研究

陈瑾 朱子君 徐骁男

河北建筑工程学院 河北 张家口 075000

近年来，中国高校以及教学楼数量逐年增加，伴随着教学楼在人工照明与自然采光方面特殊需求，使得该类型建筑在照明方面的能耗也呈逐年增长趋势。采光设计作为教学楼设计的重点，对于学生的视力保护、使用舒适度以及建筑低碳节能等方面也都发挥着至关重要的作用。

目前常规的教学楼建筑采光设计在模拟工具与建筑设计上的整合度不高，往往需要花费大量的人力和时间成本，无法高效的满足该类建筑的采光需求。而随着以Ladybug和Honeybee为代表的参数化设计工具在整合模拟方面的不断进步，运用参数化设计工具和思维方法，解决高校教学楼采光设计中的模拟计算问题也成为该建筑采光设计的新思路。

1 高校教学楼采光设计现状

1.1 高校教学楼建筑采光特点

1.1.1 建筑布局

高校教学建筑，由于其功能的特殊性，采光设计是其设计过程中的重点，而建筑布局对于采光的影响更为突出。国内目前传统的高校教学楼布局还是以一字型布局为主，此布局主要通过走廊将各功能空间进行串联布置，基本满足了当时的教学模式对教学楼的功能需求与采光需求。随着社会与现代教育理念的发展，学科交叉和学生交流的建筑空间需求越来越得到使用者的重视。因此，在教学楼设计中开始注重对空间开放与延续设计，而高校教学楼建筑的布局也随之产生变化，出现了更多灵活多变的布局形式。在布局形态更加复杂丰富的同时，也对高校教学楼建筑的采光提出了更高的要求。

通过对文献书籍查阅、相关案例的调研分析总结，将高校教学楼布局整理为以下几种具体形式，庭院形、U形、L形、直线形四类典型形体，这些布局皆由传统一字型组合演变而来[1]。

1.1.2 教室尺寸

教室的形式、朝向、尺寸以及室内教具布置都影响着建筑的采光设计。教室平面布局多为矩形，且根据不同需求有不同的尺寸。以张家口地区高校为例，一般阶梯教室能够容纳200到250人左右，其面积为400㎡左右；普通教室一般能够容纳60人到100人左右，面积在100㎡左右。高校教学楼普遍教室尺寸进深在6m-12m左右，开间在8m-16m左右，层高在3.3m-4.2m左右[2]。

1.2 目前高校教学楼采光设计方法的问题

目前建筑采光设计中常规的“模拟-优化”的设计方法似乎已经达到某种发展瓶颈，常规的采光模拟工具与建筑设计的整合度不高，模拟效率低，不利于高效达成采光节能目标。这体现在以下几个方面：

（1）软件整合度低。在节能设计过程中，常用的设计工具与模拟软件之间的整合度不高，大部分建模软件与模拟软件都有特殊的文件格式与算法，因此在常规采光设计中需要在模型软件与专业的建筑光环境模拟工具之间多次建模与调整模型，方案与模拟结果之间无法形成快速反馈机制，使得在采光节能设计过程中的工作效率较低。

（2）模拟精度较低。在传统的采光节能设计方法中，需要根据模拟软件所反馈的结果数值对模型进行调整，此过程往往都是人工主观调整，人工优化形式的变化区间是极为有限的，无法快速寻找方案中采光性能的最优解，因而模拟精度较低。

（3）单一的设计方案。传统的采光节能设计的操作流程需要来回反复的修正与模拟来寻找采光效果更好的方案，但这种方法所设计的方案单一，无法对满足采光需求的优化结果一一列举，因此无法做到满足特定采光目标和形式逻辑的最优方案解。

2 参数化节能设计方法

2.1 参数化的概念

参数化设计是基于算法思维的设计过程，其过程是通过合理的设置设计过程中的参变量，使得设计结果由一系列可控变量协同控制，调整相关参数就可以修改与优化设计结果。通过“参数”与“程序”协同定义来生成特定的建筑采光节能算法，从而引导计算机自动完成建筑采光设计的性能模拟和优化，最终找到满足采光需求和形式逻辑的方案最优解[3]。

2.2 以Ladybug+Honeybee为代表的节能设计软件

Rhino&grasshopper参数化建模技术近几年在我国建筑设计领域得到广泛的应用，以Ladybug+Honeybee为代表的节能设计软件发展迅速，其在Grasshopper设计平台上整合专业节能模拟软件的计算内核，既可以保证其模拟计算的专业性与准确度，也能大大提升方案设计效率。同时，通过对Grasshopper平台进行参数化编程，可以实现技术架构层面性能模拟与方案设计的整合，实现设计方案中模型创建、性能模拟以及自动寻优的协同控制。

2.3 高校教学楼建筑中的参数化节能设计方法模型

常规的教学楼建筑采光设计方法在模拟工具与建筑设计上的整合度不高，导致在方案光环境模拟过程中的效率较低。参数化节能设计方法的应用可以大大提升采光设计过程中的效率以及准确性问题。具体设计过程可以分为三个步骤：

（1）策略制定。基于教学楼的相关建筑采光标准以及当地气候特点，制定符合设计理念的、合理的采光设计策略，从而形成整体的采光设计逻辑。

（2）方案优化。通过Rhino&grasshopper对基地周边、建筑主体、建筑细部构件等进行参数化建模，并输入当地的epw气象数据，通过自动寻优算法生成方案的适建范围、位置与布局、初步形态等。

（3）方案决策。将参数化软件遵循既定形式优化逻辑进行方案穷举后，以采光节能目标为需求，对设计方案进行展示与排列，再通过建筑师的主观评判，如结构、审美等因素，对方案进行选择与下一步细化设计。

3 高校教学楼参数化采光设计方法应用

3.1 高校教学楼采光标准与策略制定

采光设计是教学类建筑方案设计的重中之重，但建筑的采光设计并不是一个单一的、特定的设计过程，它贯穿建筑的整个设计阶段，包括场地布局阶段、建筑单体形态设计阶段、建筑细化设计阶段等，但各阶段的参数化节能设计方法思路一致。因此，笔者以张家口地区高校为例，针对高校教学楼建筑单体形态设计阶段中的采光设计展开应用。

3.1.1 策略制定

在教学楼建筑单体设计阶段，需要通过单体形态优化来实现采光目标。教学楼采光性能与建筑的开窗方式、建筑形态以及建筑朝向等因素有着密不可分的关系。因此，综合考虑上述因素，在寻优算法程序中合理设置方案模拟的参变量，确定教学楼建筑最有利于采光的建筑朝向开窗方式，以而形成满足采光需求与形式逻辑的单体形态。

3.1.2 采光标准

关于高校教学楼建筑的采光标准，在《建筑采光设计标准》GB50033-2013中已明确提出：教育建筑的普通教室的采光不应低于采光等级Ⅲ级的采光标准值，侧面采光的采光系数不应低于3.0%，室内天然光照度不应低于450lx[4]。侧面采光时，窗地比不宜小于1/5；顶部采光时，Ⅰ～Ⅳ采光等级的采光均匀度不宜小于0.7。眩光指数值控制在25以下。

关于教室内部照度，《建筑照明设计标准》GB50034-2013中也有明确要求，教育建筑中教室的课桌面照度标准值应≥300lx，课桌面眩光值≥19，课桌面照度均匀度≥0.6，黑板照度均匀度应≥0.7[5]。

3.2 参数化建模

3.2.1 基础建模

通过Rhino&grasshopper建立参数化模型是整个模拟优化的基础，为使设计过程更具有普遍性，本文以张家口地区最为普遍的一字型教学楼作为典型模型。教学楼模型为4层，层高为3.6m，长度48m。在通过Grasshopper软件建立参数化模型时，将建筑旋转角度、教室的开间、进深、层高以及窗墙比设置为可优化参量，通过数值滑杆设置参量区间，以便于后续多目标自动寻优设计。

图1 各步骤Grasshopper电池组

3.2.2 常量设置

本文基于建筑的旋转角度和教室的开间、进深等参量对教学楼建筑单体进行控制，采光模拟中应减少其他因素的影响，对参数化模型部分常量进行了以下控制：

1）基础模型的初始朝向为正北方，且只在建筑模型的南北立面上设置开窗；

2）选取标准层的标准间教室作为模拟计算对象；

3）建筑层高3.6m，窗台高0.9m；

4）数值模拟中导入的地理数据为河北张家口地区epw格式的地理气候数据。

3.3 性能评价

3.3.1 模拟参数设置

教学楼建筑模型根据相关规范，将建筑外立面的反射系数设为0.50、楼板反射系数为0.30、屋内墙面为0.60。将分析面高度设定为0.8m的桌面高度，教室设计算点设置为0.1m间隔布置。

夏至日是北半球一年中白昼最长的一天，太阳高度角也最大，所以模拟天空选择全晴天的夏至日（6月21日14时）来进行模拟，可以在最大限度上分析普通教室室内天然采光可能出现的采光不均匀现象和眩光现象。将教学楼模型在主要采光面上不同朝向、教室不同开间、进深时的天然光照度平均值和采光均匀度作为方案比较标准。

3.3.2 模拟结果

根据HB-radiance模拟输出未寻优的模拟结果，以作为方案自动寻优后对比参考数值。模拟测试教室在正北方向，开间为12m，进深为9m时的照度最小值为416Lx，最大值为1388Lx，平均照度为621Lx，采光均匀度为0.4。

3.4 自动寻优算法

将教学楼的旋转角度、教室的开间进深以及窗墙比作为控制教学楼整体形态的参数变量（图2），这4个系数可以控制建筑的平面形态，从而实现建筑体量在平面方向上的尺度变化，以保证每一层的建筑平面在既定建筑尺度的约束下，能够形成不同的开间进深和朝向变化。通过控制各墙面的窗墙比与开窗方式，以在自动寻优过程中生成不同的窗口形态，从而满足教学楼建筑的光照需求。

图2 参数化模型与自动寻优算法参变量设置

3.5 方案决策

在自动寻优计算后，根据Galapagos模块所穷举的结果，根据设计需求，从程序所列出的所有最优解中进一步筛选出采光性能与形态逻辑均符合要求的单体建筑方案。如图3所示为部分采光表现优异的单体形态方案，其中，方案2、3、4的采光表现更好，故可以在此基础上，对选中的形态方案在能耗、结构和功能的其他方面进行下一步细化设计，以满足设计师既定的要求。

图3 Galapagos模块穷举方案

4 结语

本文通过探索参数化节能设计方法在高校教学楼建筑采光设计各个阶段中的应用，旨在优化高校教学楼采光设计过程，由于建筑采光性能的影响要素过多，因此优化结果是基于理想的建筑模型，故模拟数值结果存在一定误差。本次应用研究从高校教学楼的自然采光需求出发，通过在高校教学楼采光设计过程中的参数化应用和设计优化流程的详细说明，旨在方案阶段，对教学楼建筑的采光性能进行参数化设计。通过运营参数化节能设计方法，将采光设计与建筑方案设计相结合，为高校教学楼建筑整体的采光设计提供了新思路。