天然光光環境模擬技術綜述*

羅 濤 王書曉 林若慈

(中國建筑科學研究院，北京 100044)

1 前言

隨著建筑節能和環境問題的凸顯，天然光的應用日益受到人們的重視。合理利用天然光，不僅有助于改善室內光環境，而且也有利于實現照明節能。然而，良好的天然光光環境是難以預測的，設計師要想在設計階段準確把握光環境，需要借助于模擬的技術手段。所謂模擬，是利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或者設計中的系統。通過模擬，設計師可以準確把握光環境的效果，照明系統的運行情況和性能，從而做出優化合理的設計。光環境的模擬有著廣泛的應用，比如，可對建筑物的采光性能進行分析檢驗;對復雜建筑光環境進行仿真，查找相關問題;對可能使用的技術手段和方案的效果進行分析;對照明能耗和照明系統運行情況進行分析等等。

因此，天然光光環境模擬不同于單純的設計計算，其涉及的內容包括:天然光的數量指標 (照度、采光系數、可用性等)、質量指標 (均勻性、眩光、直射陽光控制、甚至還有光熱的控制等)、易用性 (視野、可調可控性、保證所有人員均獲得天然光)、建筑一體化 (與建筑的結合、與設備系統的結合)、節能潛力和經濟性 (節能量、投入控制設備的回收期等)。

與人工照明相比，天然光光環境的模擬其主要困難在于:天然光是高度動態變化的，隨時間、地點和天氣條件差異很大;眩光和直射陽光的模擬;與控制的結合;與其它設備系統的配合以及模擬方法本身的困難等。

國內外研究人員在長期的研究實踐過程中，發展出了多種天然光光環境模擬技術，比如模型實驗、圖表法、設計標準、計算機軟件等等。從其發展來看，經歷了從物理模型到虛擬模型，從手工計算到計算機模擬這一變化過程。

2 天然光光環境模擬技術的分類與簡介

2.1 天然光光環境模擬技術的主要分類

光環境模擬的技術手段很多，既可以借助于實際的物理模型，也可以構建虛擬的計算機模型。根據其采用的技術手段的不同，光環境模擬技術大致可分為三類:1、物理模型實驗;2、依據于經驗或理論的圖表法、設計標準和導則;3、計算機模擬。

2.2 物理模型實驗

物理模型實驗的特點是制作建筑的縮尺模型，在天然光或者人工光的照射下，測量建筑的室內外光環境參數，同時也可直觀的看到建筑的光影變化情況。根據所采用的光源的不同，可分為兩類:一類是直接采用天然光，將模型放置于室外的可調整方位和角度的平臺，測量室內照度或者直接觀察;另一類是采用人工光源模擬天空光和太陽光，在室內可控條件下進行測量和觀察。國內外很多大學和研究機構都建立了相關的裝置，如圖1所示。

該方法的主要缺點是模型制作費用高，模型的制作精度對測量結果影響很大，實驗周期長，其主要優點是直觀，易于理解。

2.3 圖表法

目前建筑師和工程師在采光設計計算時，主要依據的是經驗、技術手冊或標準規范。特別是在項目的前期階段，不確定因素很多，往往采用定性的方法判斷建筑采光的優劣，或者比較各種方案的性能。該方法的主要優點是快速，缺點是精度較差，且采用簡單參數難以全面評判光環境的優劣。設計人員可以根據手冊或者標準中提供的圖表進行簡單分析計算。如我國的《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001中就提供了側面采光和頂部采光的計算圖表和計算方法 (見圖2和圖3)。其精度可滿足工程應用的需要。

2.4 計算機模擬

90年代后，隨著個人電腦的廣泛普及和計算機技術的發展，人工計算被計算機所取代。同時，一些計算速度快、準確性好、操作方便和效果直觀的照明計算軟件出現了。通過在計算機中建立虛擬的模型，可快速計算照度、亮度和眩光等參數，并可生成具有真實感的渲染圖形。由于其花費最少，發生錯誤的代價最小，易于控制，易于重復，并可模擬任何地點、任意時間、任何天氣狀況下的天然光光環境，因而得到了廣泛的應用。

圖1 各種類型的人工天空或日影儀

圖2 側面采光計算圖表

據國外學者的調查，目前研究人員、設計師以及工程師使用的軟件超過42種之多［2］。由于在軟件設計定位時，其分析的對象，所使用的階段，使用者的不同，不同軟件之間有很大的差異。有的適合于項目前期概念設計階段，有的適合于深化設計階段;有的適用于建筑師，有的適用于工程師，還有適用于研究人員等等。其主要功能也有一定差異，有的適合于進行日照和遮擋分析，有的則側重于采光計算;有的只給出計算圖表，有的則同時提供具有真實感的渲染圖形。其中，最為常用的天然光光環 境 模 擬 軟 件 有:Radiance、Adeline、Daysim、Ecotect、 Lightscape、 Skyvision、 DaylightVisualizier等。

3 計算機模擬技術的發展和應用

由于計算機模擬技術具有成本低、速度快等優勢，得到了快速發展和廣泛應用。

3.1 國外的發展和應用情況

國外自上世紀80年代就著手進行天然光光環境模擬軟件的開發，經過二十多年的發展，形成了Radiance、Lightscape、Ecotect、Daysim 等 功能強 大的模擬軟件。研究人員就軟件的使用情況做過很多調研，從中我們也可以看出計算機模擬軟件的發展歷程。

1994年，Aizlewood和Littlefair通過郵件進行了調研，內容是使用天然光預測計算的情況。返回的問卷中有超過50%的參與者反映最常分析的是臨近建筑的遮擋分析，即進行場地平面的計算。其中，33位建筑師普遍采用簡單公式進行計算，而有77%的采光專家采用縮尺模型和計算機模擬分析。有部分使用者還對現有程序的可靠性持懷疑態度。

1998年，Lam等人做了一個關于新加坡使用建筑模擬工具情況的調查。調查的目的是為了更好的理解大家在使用模擬工具中所出現的問題，從而提出改進建議。調查表明，25%的工程公司使用采光和照明模擬軟件，而11%的建筑公司則拒絕使用。后者使用渲染軟件用于展示，而不提供照明或者采光的細節。工程師主要使用由照明廠商提供的軟件。部分人反映類似Radiance和Lightscape等軟件只是專家才掌握的。使用模擬軟件的主要目的是為了讓結果更加可信，而不使用的原因則是因為客戶不感興趣，另外還有缺乏具有這類技能的員工，時間原因以及軟件的購置和維護費用等等。

圖3 頂部采光計算圖表

Mamaari等人對于照明模擬軟件在德國法蘭克福做了一個調研，目的是調查使用者的軟件需求從而為軟件開發人員提供相應信息。日本建筑研究所的一個工作小組對照明模擬軟件的研究人員，軟件開發人員和使用者也進行了相關調研。

Christoph等人對采光軟件的使用情況進行了調研 (通過網絡)，時間是從 2003年 12月 2日到2004年1月19日。調研的對象是來自27個國家(主要是美國20%、加拿大20%和德國12%)的185名設計師 (31%)、工程師 (38%)或者研究人員 (23%)。其中169人回答在設計中考慮了天然光，而16人則在設計中沒有考慮天然光。在考慮天然光進行設計的人員中共有134人使用計算機模擬。大家在設計時用于預測采光的方法包括經驗、計算機模擬、經驗法則、設計指南、圖表和縮尺模型等 (按人數多少排序)，且在方案設計和深化設計階段有所不同。調研中發現:

(1)大家使用計算機模擬用于采光設計比較普遍，且相信軟件的計算精度和準確性，這與以前調研得到的結果有所不同。

(2)大家使用的軟件有42種之多，但是其中有超過50%的軟件是基于Radiance平臺。

(3)常用采光軟件進行模擬分析的工程項目主要是辦公建筑、學校和多層住宅。

(4)大家利用軟件需要獲取的結果主要是室內照度、采光系數、具有真實感的圖片、室內亮度、人工照明的使用情況、眩光指數和天然光利用時間等 (按人數多少排序)。

(5)采光分析結果對遮陽類型及控制、窗戶尺寸、玻璃類型、照明控制、建筑朝向、室內表面材料、房間尺寸等設計要素產生影響 (按影響程度排序)。

(6)在學習使用軟件時，主要依靠幫助手冊自學，軟件的文檔和軟件的易用性還需要加強。前期方案設計可利用的技術手段還比較缺乏。

國外的調查研究表明，最初關于軟件計算正確性和精度的質疑幾乎已經消失，大家更關注軟件的功能、界面以及技術文檔等。根據一些指南和手冊所編制的界面友好的簡單模擬工具被建筑師所易于接受，而復雜的模擬軟件基本上則是工程師在使用。

從軟件使用功能上來看，有的在照明計算上有優勢，有的長于日照模擬和陰影分析，還有的注重渲染效果圖的表現。眾多的天然光模擬軟件中，不得不提到的是Radiance，這個最初由美國能源部資助，LBNL開發的基于物理真實模擬的光環境軟件，經過十幾年的發展，已經在世界范圍內得到了廣泛認同和應用。該軟件對天然光的模擬十分強大，先進的表面反射模型可以在復雜的場景內正確的模擬漫反射與鏡面反射，基于光能傳遞算法的漫反射計算，使它能分析像遮光板之類的間接光學系統，人工光源的模型可通過由生產商提供的光度分布數據建立。Radiance的目的是預測照度和渲染具有心理真實性的虛擬建筑圖，在建筑完成前提高照明設計質量，真實感的圖片只是一個副產品，圖像的精確才是基本的目的。其特點是:完全免費，并支持進一步開發;計算精度高，可同時模擬人工照明和天然采光;可以渲染出具有真實感的虛擬場景。但由于其采用Unix系統，使用上非常復雜，一般只有專業人員才能掌握使用。通過實測和模擬對比，在保證模型和材料參數精度條件下，其誤差可控制在20%以內，部分情況下甚至可以優于15%［4］。

同時，模擬軟件在實際工程中也得到了很多應用，特別是國外的建筑工程咨詢公司將其廣泛應用于項目的初步設計階段，為建筑師提供參考和依據。

3.2 國內的發展和應用情況

中國建筑科學研究院物理所是我國最早開展建筑采光方面研究的科研機構，在天然光光氣候、采光設計計算方法、采光系統及材料性能、住宅及公共建筑的天然光環境等方面開展了大量的研究工作。上世紀80年代，由中國建筑科學研究院牽頭，多家大專院校和科研機構參與，編制了建筑工程設計軟件包，為建筑性能模擬提供了便利。在建筑天然光環境軟件方面，國內很多學者開展了相關研究，但由于各種原因，一直未能形成商業化的軟件［8］。

隨著建筑環境和建筑節能問題的出現，對天然光光環境的研究重新得到了重視。特別是隨著公眾對采光權的重視，對住宅的室內外光環境研究成為了熱點［4］［8］［9］［10］。同時，專業的建筑日照分析軟件發展非常迅速，并得到了廣泛應用［11］。

近年來，在一些大型工程中，天然光環境模擬軟件也得到了應用。通過使用模擬軟件對室內外的天然光計算分析，可得到設計人員關注的各種性能參數指標，從而起到輔助設計的作用。

以國家游泳中心為例，設計人員非常關注東側大面積的透光圍護結構是否會影響視覺的舒適，通過研究人員的模擬分析，給出了不同觀測位置和視看方向上東側的亮度分布，從而為深化設計提供了參考［12］。見圖 4。

又如在T3航站樓的設計中，由于建筑造型的需要，采用了大跨度的屋面，設計人員對于車道內側的采光是否能夠滿足要求存有疑慮。通過模擬計算，得到了車道內側各點的采光系數，并給出了直觀的采光分布圖，為設計師的決策提供了依據。如圖5所示。

圖4 國家游泳中心室內天然光光環境模擬

圖5 北京首都國際機場T3航站樓車道采光模擬

另外，還可以利用光環境模擬軟件對新型采光系統的性能以及照明節能情況進行分析和預測。圖6是對奧運中心區地下車庫所采用的導光管系統的性能及節能性進行的分析。通過分析，不僅很好的預測了采光系統的性能，同時也給出了其照明節能的量化數據。同時，最后的實測分析表明，模擬分析結果與實測數據非常吻合［13］。

圖6 奧運中心區地下車庫天然光導光管系統模擬

上述的工程實踐表明，天然光環境模擬可以起到很好的輔助設計作用，快速準確的預測建筑采光的性能、光環境的相關參數，并能夠保證計算的正確性與精度。特別是在一些非常規的大型公建設計中，能夠為設計提供有益的參考和依據。

4 結論

天然光光環境的模擬技術已經越來越廣泛的應用于工程實際，本文回顧了天然光光環境模擬技術的發展歷程，并進行了分類，同時對其優缺點也進行了簡要分析。從發展趨勢來看，計算機模擬將成為模擬技術的主流，其成本低、快速準確等特點使其與其它模擬手段相比更具優勢。對于天然光光環境模擬的研究也將成為今后研究的熱點。另外，天然光光環境的模擬與人工照明的模擬的結合將越來越緊密，如DIALux、AGI32等傳統的照明設計軟件也增加了天然采光計算的功能。

與國外相比，我國對于天然光光環境模擬的研究較少，還缺少自己的模擬軟件。因此，對于我國的科研工作者而言，結合我國的光氣候特點，開發具有自主知識產權的天然光光環境模擬軟件是一件極為緊迫的任務。

在今后的工作中，我們還將對國外各種光環境模擬軟件的功能、計算精度等進行深入的分析比較，并結合我國的實際情況開展相關的調研工作，從而為設計人員和工程師提供有益的指導，并為開發我國的天然光光環境模擬軟件奠定基礎。

［1］建筑采光設計標準.GB/T 50033—2001.

［2］Christoph Reinhart Findings from a survey on the current use of daylight simulations in building design.

［3］Radiance技術資料.

［4］榮浩磊.應用計算機模擬技術分析北京住宅中的天然光利用.清華大學碩士論文.

［5］章卓力.照明行業用軟件介紹.上海通用電氣公司技術中心，光源與照明，2003年，3月.

［6］Overview of daylight simulation tools.Zack Rogers.Velux 2ndDaylight symposium，March 7th.2007 Bilbao Spain.

［7］劉賓.國內常用照明軟件比較分析.天津大學碩士論文.

［8］李德富，朱靄敏.北京市住宅設計天然光環境計算機模擬探討.照明工程學報，2000年，第17卷，第03期.

［9］尤偉，吳蔚.利用先進的計算機模擬技術改善傳統窯居的天然采光.照明工程學報，2009年，第2期.

［10］王詁，羅濤，崔愷，等.玻璃幕墻有害反射光的計算機模擬，2004年，第02期.

［11］王詁，張笑.建筑日照計算的新概念.建筑學報，2001年，第02期.

［12］羅濤，林若慈，毛紅衛，等.國家游泳中心室內光環境關鍵技術研究.第十屆全國建筑物理學術會議.

［13］李文忠，馮永忠，羅濤.天然光導光管系統的設計與模擬計算.照明工程學報，2008年，4期.