綠色建筑光環境模擬軟件的選擇探討

史麗莎 陳思源

摘要：本文通過介紹目前主流的建筑光環境模擬軟件Radiance、Ecotect和Sunshine，并從普及性、用戶界面、功能性、數據兼容性四個因素分析比較各軟件的特點及適用范圍，最后推薦Ecotect作為綠色建筑設計過程的光環境模擬軟件。

關鍵詞：綠色建筑；光環境；模擬軟件

引言

建筑光環境的廣義內涵是指由光的照度標準、照明形式、顏色色度及質量形式建立的同房間形式相關聯的生理和心理環境。良好適宜的建筑光環境是建筑人員正常工作、學習和生活的必要條件，從20世紀80年代，歐美發達國家的研發機構開始致力于研究開發建筑光環境模擬軟件，至今對建筑光環境領域的研究已有超過30年的經驗歷史了。如今，國內大行其道的綠色建筑倡導建筑舒適性和健康性的理念[1-2]，建筑光環境的優化必然是綠色建筑設計階段的重要任務之一，因此，在綠色建筑設計過程中，通過對建筑光環境進行模擬評測，預測其實際效果來為設計工作提供決策依據有著十分重要的意義。

如今在發達國家，建筑光環境模擬技術己廣泛用于綠色建筑設計之中，經過實際工程的實踐檢驗，一批功能優秀的建筑光環境模擬軟件脫穎而出，如Radiance、 Ecotect等軟件。雖然這些建筑光環境模擬軟件都是以統一的標準和手冊作為參照編制開發，都具備對復雜的建筑光環境進行高精度的模擬計算評測的能力，但是它們仍然在優勢功能上有著很大的不同。不同公司開發的建筑光環境模擬軟件在日照模擬、陰影分析、照明計算和渲染光影效果等方面的能力參差不齊。本文將對目前國內比較主流的幾款建筑光環境模擬軟件進行對比分析，然后為綠色建筑技術的BIM模擬分析確定一款具有代表性的建筑光環境模擬軟件。

1 光環境模擬軟件概述

1.1Radiance：Radiance軟件是由LBNL、太平洋電氣公司以及加州能源效率研究中心合作研究開發的建筑光環境模擬軟件，軟件內置了50多個功能工具程序，可以對天然采光及人工照明條件下的室內光環境進行模擬預測，其模擬計算的高準確性為國際光學研究界所公認。

Radiance軟件的模型建立過程是典型的BIM三維模型，建模過程中，所有燈具信息參數及材料性能參數都會作為非幾何信息添入三維模型之中。其后Radiance會讀取模型的所有的幾何及非幾何信息，并編譯成用于光線追蹤分析的Octree文件。為了在合理的工作時間內得到足夠的模擬計算精度，Radiance光模擬軟件使用了反向光線追蹤算法和隨機蒙特卡洛采樣作為其核心算法，并將窗戶和天窗等構件當作二次光源，如此Radiance模擬計算過程還能分析計算間接光學構件對室內光環境的影響。

由于最初版本的Radiance是基于Unix系統研發的，并沒有友好型的用戶交互界面，其復雜專業的光環境模擬計算方法讓設計人員很難學習掌握。隨后LBNL在原軟件內核基礎上開發了Windows系統下的Desktop Radiance，對原Radiance復雜的專業性操作進行了很大程度簡化，并將Radiance系統嵌套在AutoCAD的用戶界面上。

1.2 Ecotect：Ecotect最初是由英國Square One 研究公司開發的一款全面的綠色建筑性能模擬輔助設計軟件，2008年，Ecotect被Autodesk公司收購，其后一直致力于改進原有的建模方式和優化可視化性能。Ecotect作為一款功能全面的模擬軟件可以對綠色建筑設計過程的能耗、光環境和聲環境等多方面性能進行模擬評測，但實際該軟件尤其擅長于室內光環境的模擬，它的其他功能相對于市面同類軟件相對較弱，因此本文將Ecotect歸入建筑光環境模擬軟件之列。

Ecotect的分析方法是一種交互式即時性的分析，建模開始時甚至只有一個簡單的模型時，Ecotect軟件都會輸出可視化的數字分析結果，然后隨著設計的不斷深入，比如在模型中加入一扇窗的參數，就立刻能在分析結果中看到該操作所引發的房間室內光環境的變化，長此以往，分析結果會隨著設計的深入而越來越詳細完善。Ecotect內置強大的三維建模工具，能快速高效地建立直觀可視化的三維模型，除此之外，Ecotect還支持直接導入DXF和3DS格式文件，因此Ecotect可以與Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多種建筑設計軟件共享其二維或三維模型，大大縮短Ecotect建筑光環境模擬的建模工作時間。Ecotect軟件的模擬精度等級相對于更專業的物理光學模擬軟件Radiance相較略低，但是Ecotect源代碼開放提供了豐富的底層數據接口，在綠色建筑工程設計需要高精度光環境模擬時，Ecotect可以將模型數據直接導入Radiance或Daysim軟件之中進行分析報告的精度補充，見圖1.1。

1.3 Sunshine：Sunshine光環境模擬軟件是由清華大學建筑學院研發的建筑光環境模擬軟件，該軟件實質是嵌套在AutoCAD的用戶界面上的一個插件式模塊。

Sunshine軟件擅長于建筑日照分析模擬，其內置了多種建模方法和日照模擬算法，包括天空圖法、日照等時線法、日照圓錐面法、陽光通道法和返回光線法。Sunshine軟件采用了解析法及優化方法對模型進行計算求解，因此統一具備日照模擬分析的高速和高精度。軟件內置了日照約束下的容積極限模擬計算模塊，該模塊采用遺傳算法，可對周邊有日照約束條件下的地塊極限容積體進行優化求解。此外，Sunshine軟件還內置了玻璃幕墻一次反射光模擬計算模塊，可針對玻璃幕墻有害光反射對建筑環境的影響進行模擬評測。

2 光環境模擬軟件對比分析

2.1普及性分析：Radiance及其類似的基于實驗物理學的光環境模擬軟件由于其復雜性和專業性，要讓非光物理專業的設計人員熟練掌握有一定的難度，這類建筑光模擬軟件只適合國內大型設計單位所能涉及的超級大型復雜綠色建筑工程項目。Sunshine作為只能分析建筑日照的光環境模擬軟件在功能上有很大的局限性。而號稱“綠色建筑生態模擬大師”的Ecotect，則以其適合的精度及簡單快速的分析能力廣泛的應用于國內各大中小型設計企業單位之中。

2.2用戶界面分析：Radiance是一款基于Unix系統而開發的光環境模擬軟件，其根本就沒有用戶交互界面，其后的Windows系統下的Desktop Radiance也只是將原內核嵌套在二次開發后的AutoCAD的用戶界面之上。Sunshine則本身是以一個插件模塊的姿態附加在AutoCAD軟件之上的。Ecotect經過Autodesk公司歷年的開發，擁有一個典型的用戶友好型操作界面，官方版本雖然只提供全英文版界面，但是國內部分學者已經對其進行了漢化工作并提供漢化軟件包的免費下載 。

2.3功能性分析：Radiance和Ecotect雖然采用不同的算法，但是它們都能對建筑的自然采光和人工照明等條件下的建筑光環境進行全面的模擬分析計算，在模擬計算結果的精度上Radiance比Ecotect高出一個層次，但是Ecotect所能達到的精度往往已經能滿足大部分綠色建筑設計的決策依據需要了，且Ecotect輸出的模擬分析結果更加直觀可視，大大提高設計過程中決策工作的效率。Sunshine只具備建筑日照分析模擬能力，相較于Radiance和Ecotect在功能有局限性。

2.4數據兼容性分析：Radiance和Sunshine作為嵌套在AutoCAD用戶界面之中的建筑光環境模擬軟件，底層數據必然和AutoCAD一定程度共享。Ecotect相對于Radiance和Sunshine則顯示出了更大的信息和易性，Ecotect源代碼開放，支持直接導入DXF和3DS格式文件，與Revit、ArchiCAD、AutoCAD、SketchUp和3DMax等多種建筑設計軟件都有極好的信息數據兼容性，這都十分有利于信息流仿真模型的建立和后期GBIM協同設計決策系統的再完善研發。

2.5多因素綜合對比：根據前述分析，針對普及性、用戶界面、功能性、數據兼容性四個因素，對Radiance、Ecotect、Sunshine三個主流的建筑光環境模擬軟件進行綜合對比[3-4]，結果見表2.1。對比結果顯而易見，Ecotect算法簡單、精度適宜，計算速度快、操作易上手、數據兼容性高，適合廣泛應用于各大中小型設計單位，作為綠色建筑設計決策依據。

3 結語

不同的光環境模擬軟件有其自身的特點和適用范圍，應用者應根據實際情況選擇合適的軟件。本文通過普及性、用戶界面、功能性、數據兼容性四個因素綜合分析，推薦采用Ecotect建筑光環境模擬軟件作為綠色建筑設計過程的仿真對象，為綠色建筑設計決策提供依據。

中國中冶重大科技專項—夏熱冬冷地區經濟適宜的綠色建筑規劃與設計關鍵技術研究與示范（項目任務書編號0012012006）

參考文獻

[1]李旭民.綠色建筑發展歷程及趨勢研究[D].湖南大學，2014.

[2]姚潤明，李百戰，丁勇等.綠色建筑的發展概述[J].暖通空調，2006，36（11）：27-32+91.

[3]羅濤，燕達，趙建平等.天然光光環境模擬軟件的對比研究[J].建筑科學，2011，27（10）：1-6+12.

[4]羅濤，王書曉，林若慈.天然光光環境模擬技術綜述[J].照明工程學報，2010，21（5）：1-6.

中國中冶重大科技專項—夏熱冬冷地區經濟適宜的綠色建筑規劃與設計關鍵技術研究與示范（項目任務書編號0012012006）