基于L+H工具的建筑前期设...以苏州市吴中区公寓设计为例_郭晓阳.pdf

MA R2 0 2 3摘要：基于参数化节能分析工具，对建筑的前期设计阶段进行研究，主要依靠L a d y b u g 和H o n?e y b e e 工具组模拟分析设计对象的日照和风环境情况。本研究以苏州市吴中区公寓设计为例，通过置入各类参数生成对应建筑，并利用L+H工具分析建筑是否能有效获取足够的日照时间以及室外风环境资源，提出优化策略，以期为我国L+H工具组在建筑前期设计阶段中的应用提供一些实践经验。关键词：参数化节能分析工具；模拟分析；L a d y?b u g；H o n e y b e e；实践经验0引言近年来，随着数字化技术在建筑设计领域的深入运用，设计师愈发重视量化分析在建筑前期生成阶段中承担的角色及发挥的作用，基于量化分析的设计策略能更高效地利用场地资源、控制形体、减少修改成本。打造低能耗的节能建筑、绿色建筑、被动式建筑是当下建筑领域的焦点，我国也提出努力争取2 0 6 0 年前实现碳中和，并“以能耗目标为导向”作为当前的节能发展需求 1。建筑师在建筑前期生成阶段已经会有意识地将节能指标作为设计的重要参数，利用参数化设计工具模拟建筑的前期环境情况以确立建筑的具体形态。目前，整合最成熟且计算结果精度较准确的参数化节能分析工具当属 L a d y b u g+H o n e y b e e工具组（简称“L+H工具组”）。L+H工具组被搭载在建模软件 R h in o 的插件 G r a s s h o p p e r 中，可以为建筑的前期生成至整个全生命周期提供能耗分析，增强设计者对建筑全局的把控。本文聚焦建筑前期设计环节，探析L+H工具如何帮助建筑前期生成进行优化和决策。1研究背景1.1L+H工具介绍G r a s s h o p p e r 平台具有极富弹性的可塑能力，它不仅可以不断扩充各类功能，同时使用者可以基于后台进行二次开发，让平台更具有创新的内核 2，可将L+H工具组搭建在R h in o 的插件G r a s s h o p p e r 上进行计算。L+H工具组由美国宾夕法尼亚大学的2 位客座教授S a d e g h ip o u r R o u d s a r i、Mo s t a p h a 以及麻省理工学院的C h r is Ma c k e y 合作开发。他们于G r a s s h o p p e r 平台上整合了P y t h o n、E n e r?g y P lu s、R a d ia n c e、D a y s im、O p e n S t u d io等计算内核，设计出L+H绿色建筑性能分析工具组 3。L+H工具组具有极强的包容性（图0 1）。工具 组 包 括 L a d y b u g、H o n e y b e e、D r a g o n f ly、E p wMa p、B u t t e r f ly 和P o llin a t io n 等模块，可以分析日照、太阳辐射、建筑能耗、采光、照明、风环境、热岛效应等环境情况 4。L+H工具组具有极强的可塑性，其功能组件运算器采用P y t h o n 语言编写，使用者可以利用G r a s s h o p p e r 后台编程界面对L+H工具组进行修改、重组、拓宽 4。L+H工具组具有极强的可视性。利用L+H工具组进行模拟分析可以及时反馈到R h in o 界面，同时，通过调整参数还可以同步产生新的可视化结果，设计者可以依此快速对比不同方案的设计结果，由此获取设计最优解。1.2研究现状目前国内外已出现许多使用L+H工具组进行能耗分析及优化设计的案例，例如：美国南加州大学的 K o n is 等 5 利用 L+H工具，在 G r a s s?h o p p e r 中设置建筑形状、朝向、窗墙比等相关参数，搭建了一个能耗模型，并基于此进行能耗模拟分析和采光分析，最后优化得到一个节能建筑模型，该模型可在前期设计阶段将建筑能耗强度降低 4 1 7，采光性能提高 2 7 6 5；毕晓健等 6 基于L+H工具组研究寒冷地区办公综合体，利用参数化节能设计方法将办公综合体的总体能耗降低1 5.0，其中2 座塔楼总能耗降低1 0.0，裙房降低3.0，屋顶太阳能板抵消建筑1.0 的能耗，太阳能板顶层的夏季制冷能耗，可将建筑全年总能耗再降低1.0；胡楼君等 7 依托L a d y b u g 平台，对贵州山地聚落高荡村夏季室内外热环境进行模拟分析，提出相关建议和改善方法；罗小华 4 利用L a?d y b u g 中的B u t t e r f ly 对上海某高级中学综合楼的2 个方案进行风环境模拟，最后对比2 个方案的风压结果来确定最优方案；石峰等 8 基于L+H工具组探讨了自下而上的可变建筑表皮设计思路，即在早期阶段利用参数化软件自动寻求最优结果，基于该结果去反馈设计本身。2基于L+H工具的设计实践2.1项目概况本项目为在苏州市吴中区中设计2 座人才公寓和2 座老年公寓，以满足城市引进人才和老年人居住的需求。项目（图0 2）位于苏州主城区东吴北路金融商贸一条街与宝带东路交汇区域。从总体上来看，设计场地总用地面积约2 0 0 0 0m2，整体形状近似长矩形。场地的北侧主要是一片住宅区和小学，东侧是城市次干道和苏苑中学，南侧是苏州市吴中区政府和吴中区行政学校，西侧是苏州保利大剧院和吴中区图书馆，四周基本为多层建筑，无明显日照遮蔽。据中央气象台对苏州市气候的统计 9，1 9 8 1 2 0 1 0年，苏州市月平均温度最高为3 2.8，最低为1.5，其中：6 9 月处于高温时段，平均温度最高为3 0.6；1 2 月次年3月处于低温时段，平均温度最低约4.0。同时，利用L a d y b u g 工具，输入当地的E P W文件获取当地全年干球温度、全年相对湿度、全球全年水平辐射、漫射水平辐射、焓湿图等情况（表0 1）。综上，设计场地平整、面积较大，便于形体设计，同时气候分区处于夏热冬冷地区，在进行设计时需要考虑不同季度的气候情况对建筑室内外舒适度的影响。在建筑设计前期阶段，日照时间、太阳辐射、风环境等因素会极大影响建基于基于L+HL+H工具的建筑前期设计研究工具的建筑前期设计研究11以苏州市吴中区公寓设计为例R E S E A R C HO NE A R L Y S T A G EO FA R C H I T E C T U R ED E S I G NB A S E DO NL+HR E S E A R C HO NE A R L Y S T A G EO FA R C H I T E C T U R ED E S I G NB A S E DO NL+HT O O L ST O O L S：AC A S EO FT H EA P A R T ME N T D E S I G NI NS U Z H O UW U Z H O N GD I S T R I C TAC A S EO FT H EA P A R T ME N T D E S I G NI NS U Z H O UW U Z H O N GD I S T R I C T郭晓阳 文泽华（苏州科技大学建筑与城市规划学院，苏州 2 1 5 0 0 0）图0 1L+H工具组包含的功能模块图0 2项目设计用地1“十四五”重点学科建筑学项目资助。1 2 7学术筑本身的形体生成、建筑间距、开窗情况。2.2H o n e y b e e 模型建立项目用地为近似长矩形，基于项目设计的要求，本次设计需要置入4 座公寓，通过L+H工具组，可将建筑参数、窗墙比参数输入至对应电池组，由此自动生成对应的建筑模型。本次设计将建筑参数设定为4 层、每层高4m，长8 0m、宽3 2m（柱网8m?8m），根据苏州地区要求1.2 5 的日照间距系数，建筑需保持2 0m间距。基于以上参数，将其输入对应电池组，生成初步的建筑模型（图0 3）。随后是建筑的开窗设计，根据G B5 0 1 7 6 2 0 1 6民用建筑热工设计规范 1 0 中规定：居住建筑各朝向的窗墙面积比，北向不大于0.2 5；东西向不大于0.3 0；南向不大于0.3 5。于是将对应参数继续输入H o n e y?b e e 电池组，使建筑模型生成带有参数化窗户的H o n e y b e e 模型（图0 4）。2.3日照模拟分析日照模拟分析需要输入对应的建筑参数、气象参数、时间参数、网格参数、场地参数等。通过各类参数模拟当地的气候及日照情况，进一步分析建筑在该日照情况下能否有效满足对应的日照时间。2.3.1参数设置基于本次模拟建筑参数设定，即4 F、每层高4m，长 8 0m、宽 3 2m，窗墙比分别为南向0.3 5、东西向0.3 0、北向0.2 5；气象数据取上海地区的 E P W文件；时间参数基于 G B5 0 1 8 0 2 0 1 8城市居住区规划设计标准 1 1 中关于住宅日照标准应符合如下标准：大城市在有效日照8：0 0 1 6：0 0 时间带内，大寒日不小于2h，冬至日不小于1h。即模拟时间取1 月2 0 日（大寒日）8：0 0 1 6：0 0（图0 5）；网格参数为2；场地参数取宽1 0 1m，长2 0 6m。2.3.2可视化呈现基于已生成的建筑模型，借助L+H工具组，将建筑用地作为投影 g e o me t r y（日照投影几何），建筑作为c o n t e x t（遮挡背景），由此分析建筑之间的日照遮蔽情况。本次设计基于大寒日不小于2h 的标准，将建筑参数、气象参数、时间参数、网格参数、场地参数等参数输入 G r a s s?h o p p e r 的电池中，以此计算出建筑投影下的建筑用地日照情况（图0 6）。通过可视化呈现，可以观察到建筑的遮蔽情况良好，在满足基本日照间距的情况下，建筑遮蔽的地面区域依旧能获取一定的日照时间，场地四周的日照资源比较丰富。计算出建筑用地的日照情况后，需对建筑自身的日照情况进行分析。由于建筑的日照时间是以建筑室内的有效日照时间为准，所以在分析建筑的日照时间时，需重点分析参数化生成的建筑窗户所受到的日照时间。于是同样基于大寒日不小于2h 的日照标准，将建筑窗户作为投影 g e o me t r y（日照投影几何）连入电池计算，最终获得基于建筑窗户下的日照时间情况，即1 月2 0 日（大寒日）8：0 0 1 6：0 0 建筑窗户受到的日照时间（图0 7）。通过可视化呈现，观察到建筑南向采光良好，南向开窗至少可以获取4h 以上的日照时间，基本日照时间区间为4 8h，可以反映出目前的建筑设计间距、南向开窗情况皆能满足国家规范的要求。另一方面，建筑的东西面为了防止过多的东西晒，开窗比例相对较小，日照约为5h，北面由于阳光很难照射到，日照时间仅1 2h，所以开窗比例较小，对应着开窗成本也会有所降低。2.4风环境模拟分析建筑室内外风环境对建筑的舒适度会带来极大的影响，通过前文对研究地区的太阳辐射、全年干球温度、相对湿度分析，可以总结出研究地区6 9 月的气候炎热，对建筑周围的风环境情况进行分析并有效结合盛行风优化建筑立面开窗，能够高效地利用室外风资源，提升节能性。风环境分析通常利用风玫瑰图分析全年高频风、盛行风、盛行风角度、盛行风风速等，同时将模型置入模拟风箱模拟建筑在风箱内的全年风环境情况，分析建筑哪个受风面风速较大，哪个受风面风速较小，以此优化建筑的立面开窗，提升风在建筑内外的有效流动，提高建筑对风资源的利用，提升建筑的被动性、节能性。2.4.1参数设置风环境分析需先利用B u t t e r f ly 工具模拟设计场地全年的风玫瑰图情况，将风玫瑰图获取的盛行风角度、盛行风时间、盛行风平均风速导入风箱电池模拟，计算建筑室外的受风情况。风玫瑰图需要输入对应的气象参数、频率线参数、方向数量参数等。即输入上海地区的E P W气象文件；频率线距离5 0m、频率线时间7 0h、最大频率线1 0；方向数量参数取我国玫瑰图常用的方向数量，即1 6 1 2，最后得出各方位的风向频率。表达公式为：FX=（X/X-1 7）?1 0 0 式中：FX为某时段内某风向X的频率，；X为某时段内某风向X上该风向出现总回数；X-1 7为某时段内全部（包括1 6 个方位和静风）风向出现的回数的总和 1 3。风箱模拟需要输入对应的气象参数、盛行风角度、细化等级、测量高度、建筑各部的边界计算距离、网格数量等。即输入上海地区的E P W气象文件；盛行风角度经计算为1 1 2.5?；细化等级为（2，4）、测量高度1 5m、地形类型为4（o p e nr o u g h）；建筑各部的边界计算距离基于J G J T4 4 9 2 0 1 8民用建筑绿色性能计算标准 1 4：对象建筑（群）顶部至计算域上边界的垂直高度应大于5H（H为建筑物高度）；对象建筑（群）的外缘至水平方向的计算域边界的距离应大于5H；与主流方向正交的计算断面大小的阻塞率应小于3；流入侧边界至对象建筑（群）外缘的水平距离应大于5H，流出侧边界至对象建图0 3建筑参数设置及窗墙比参数连接电池图0 4建筑初步模型表0 1苏州全年气候情况分析图0 5日照参数设置连接电池图0 6建筑投影下的建筑用地日照情况图0 7建筑日照情况1 2 8MA R2 0 2 3筑（群)外缘的水平距离应大于1 0H。所以取数值分别为5、5、5、1 0；X、Y、Z方向的网格数量分别为5 0、5 0、2 0（图0 8）。2.4.2可视化呈现通过对B u t t e r f ly 工具进行参数设置，最终获取全年的风玫瑰图情况、全年风的角度和时间（表0 2），最终获取场地全年静风时间4 3 4h，盛行风角度为1 1 2.5?，将对应的全年盛行风角度导入全年平均速列表获取全年各月平均风速风玫瑰图（图 0 9），获得全年盛行风的时间为7 0 0h，盛行风平均风速约为3.1 2m/s。基于风玫瑰图的计算结果，可获取设计对象所处地区的全年盛行风角度为1 1 2.5?，基于该角度可以进行对应的风箱模拟分析。首先将设计模型置入 G r a s s h o p p e r，分析模型在该室外风环境下的状态。在r h in o 中建立风环境c a s e 文件，将模型置于开阔环境且高度为1 5m的风盒中，模拟该状态下建筑的受风情况。随后通过B u t t e r f ly 计算模拟结果，最终获取c a s e 文件，将该文件置入p a r a v ie w软件中进行可视化模拟（表0 3）。模拟完毕后，将数据进行耦合关联分析，通过残差图（R e s id u a l P lo t）发现，2 条折线（实验数据折线及参考折线）前段同时波动，后段几乎保持相互平整，可证明此次分析的结果收敛，耦合程度较好，实验较准确。综上分析，可以发现建筑形体对风环境利用还有待改善，基于全年的盛行风角度为1 1 2.5?，仅建筑的东南侧和最南侧建筑的南面有较好的风向穿行，其余面的的风向穿行较弱。2.5优化策略根据日照和功能调整窗户形式和大小。在满足大寒日日照时间和建筑窗墙面积比的前提下，建筑的开窗形式可以根据审美需求作进一步的调整。建筑的南面为了避免过多的太阳辐射导致室内热环境舒适度较差，可以设置带有百叶的窗户 1 5，用以调整不同时段的太阳辐射。同时，为了满足造型的需求，也可以设置非均质大小的窗户，以满足室内不同的功能用房。根据盛行风方向调整窗户面积和方位。通过风环境模拟可知建筑的东南侧和最南侧建筑的南面有较好的风向穿行，需根据风向情况，增大对应方向的开窗面积，使室内可以有较多的风在室内穿行，由此减少建筑对设备的依赖，提升建筑的节能性。根据盛行风方向调整建筑的形体。需根据盛行风向和风速情况，适当调整建筑形体，比如局部架空，设置露台空间，以便于前后建筑可以顺应风在建筑之间进行流通，由此带走太阳辐射带来的热量，提高室外风环境舒适度。3结语本文从实际设计案例出发，将参数化节能分析工具运用至该设计的前期生成，并进行对应的日照、风环境分析。此次设计首先考虑了日照时间与建筑窗墙比之间的关系，利用G r a s s h o p p e r 电池组生成了南向窗墙比为0.3 5的立面，通过L a d y b u gt o o ls 分析得出的结果确实基本为4h 以上，满足国家要求规范；其次，为建筑进行风环境模拟，通过将建筑置于盛行风方向下的风箱进行模拟，发现建筑间的通风情况并不算理想，仅南侧和东南侧有较好的风资源利用；最后，提出优化策略，有意识地调整建筑的形体、开窗或间距，以保证建筑获取更加充分的太阳能资源和风环境资源。本次研究探索参数化工具在建筑前期生成阶段运用的可能性，且实验结果耦合度较好，为进一步将L+H工具组运用至建筑全生命周期提供了一定的实践经验和反思。参考文献：1 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2 0 1 7 M.北京:中国建筑工业出版社，2 0 1 7.2 S A K A MO T O T，F E R R?A.F r o m c o n t r o l t od e?s ig n:p a r a me t r ic/a lg o r it h mica r c h it e c t u r e M.B a r c e lo n a:A c t a r-D，2 0 0 8.3 S A D E G H I P O U RR O U D S A R I M，P A KM，V I O L AA.L a d y b u g:ap a r a me t r ice n v ir o n me n t a l p lu g inf o r g r a s s h o p p e r t oh e lpd e s ig n e r sc r e a t ea ne n?v ir o n me n t a lly-c o n s c io u sd e s ig n C /B u ild in gS imu la t io nC o n f e r e n c eP r o c e e d in g s ，P r o c e e d?in g so f B u ild in gS imu la t io n2 0 1 3:1 3 t hC o n f e r?e n c eo f I B P S A.I B P S A，2 0 1 3:3 1 2 8-3 1 3 5.4 罗小华.基于L a d y b u g 工具集的绿色建筑性能分析方法及应用研究 J .苏州科技大学学报(工程技术版)，2 0 2 0，3 3(1):4 0-4 4.5 K O N I SK，G A MA SA，K E N S E KK.P a s s iv ep e r?f o r ma n c e a n d b u ild in g f o r m:a n o p t imiz a t io nf r a me w o r kf o re a r ly-s t a g e d e s ig n s u p p o r t J .S o la r E n e r g y，2 0 1 6，1 2 5:1 6 1-1 7 9.6 毕晓健，刘丛红.基于L 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2 9 4 2 3.1 7 8 9 0 7 9 9 6，3 6 4 5 7 3 4.2 1 9 2 9 3 6 1 6，1 8.3 9 z/ma p t y p e%3 D B _ E A R T H _ MA P其余图表均为作者自绘。收稿日期：2 0 2 2-1 1-0 9图0 8建筑各部的边界计算表0 2全年各角度风的时间及平均风速图0 9苏州市全年平均风速风玫瑰图表0 3室外风环境可视化分析1 2 9