計算機天然采光模擬插件在樹木遮擋空間的應用研究

吳 蔚，湯 晉

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

引言

建筑物四周被樹木環繞是一種常見現象，這些樹木或多或少都會對建筑物中低層的室內采光產生一定影響[1,2]。然而，由于樹木的形狀復雜并且會隨著時間、季節的變化而變化，因此很難建立出一個較精確的數字模型。同時，樹木材質也不是勻質的，每片葉子既是透射面也是反射面，并且互相影響。這一切都對現今計算機光模擬軟件的模擬能力，以及計算機本身的運算能力造成極大的挑戰。

隨著計算機光模擬技術的不斷發展，一些基于計算機輔助建筑設計(Computer Aided Architectural Design, CAAD)的天然采光模擬插件，如Sefaira、 DIVA、 Honeybee，以及我國自主開發的綠建斯維爾等不斷地被開發出來。由于這些插件依附在輔助建筑設計軟件中，被建筑設計人員所熟知和廣泛使用，因此這類插件已成為計算機光模擬軟件的主要發展趨勢之一[3]。本次研究選擇了兩款近些年來表現較為突出的計算機天然光模擬插件DIVA和Honeybee，用以模擬研究被樹木遮擋房間的天然光環境，選擇這兩款插件的主要原因是：

1)DIVA和Honeybee均是基于建筑師較為常用，且發展較為完善的建筑輔助設計軟件Rhino上的光模擬插件，且操作性相對優化；

2)具有較為完整的采光模擬功能，包括材料參數，天空模型以及精度參數等完整的輸入條件，以及包括照度值、采光系數、Daylight Autonomy以及Useful Daylight Illuminance等完整的輸出指標。

3)這兩款軟件目前在在光學研究或實際項目都有較為廣泛的應用，且已被驗證能較精確的模擬室內天然采光[4,5]。

本研究以一個真實的被樹木遮擋空間為研究對象，通過實地測量和比較分析，從靜態和全年動態天然光模擬兩方面探討這兩款插件在樹木遮擋空間的適用性和可靠性，總結樹木在數字化建模時的簡化原則、以及在模擬時所遇到的問題和困難，并提供一些優化模擬建議。

1 實地測量

本文選擇南京某大學一棟建于1995年的傳統多層辦公建筑作為研究對象，該建筑采光方式為側采光形式，除樹木外，四周遮擋物較少。為避免地面反射和室外其他遮擋物的干擾，一間位于二樓東側頂端的辦公用房被選擇為實驗用房，該房間的南北兩側的采光口皆受樹木遮擋，圖1、圖2分別為被測房間的室內外照片。

圖1 從左到右分別顯示被測房間的頂側、南側、北側的樹木遮擋情況Fig.1 From left to right: view from the sample room looking toward ground, looking toward building south fa?ade, view of north fa?ade

圖2 從左到右顯示被測房間的東側、南側、被測的室內魚眼照片Fig.2 From left to right: east, south and north interior fish-eye views of the sample room

表1 被測房間室內各表面的實測光學參數

被測房間面寬14 m、進深13.6 m、層高3.5 m，室內天花與墻面均采用白色涂料粉刷，地面材料為灰色水磨石，室內布置有桌椅，但無辦公隔斷，表1為實測所得的室內各面的反射率。室內南北側各有4扇2.4 m×1.8 m的窗戶，窗臺高度為0.88 m，窗框為白色鋼材，玻璃為雙層中空普通白玻璃，較為骯臟，因此透射率僅為0.57。房間東側有一個玻璃門和小陽臺。

圖3、圖4分別為實驗用房的平、剖面圖及測點位置。室內共設12個測點。所有測點距地高0.75 m。 測量時間選擇為2019年5月5日—8日四個晴天和2019年1月8日、3月18日以及3月21日三個全陰天進行。為避免直射陽光影響，測量選擇從10:30—13:00，每隔半個小時測量一次，測量采用兩個手持式照度計，以便互相校準。室外照度則是在該建筑屋頂距地1 m處測量。從實測可以看出，測點2、4、11和12受到樹木遮擋影響較大，其照度值變化范圍相對穩定。然而，我們也在實測中注意到樹冠會受到風力的影響而改變位置，即便盡量保證在樹木相對靜止時進行測量，對測點照度值仍會產生一定影響。

圖3 被測房間的平面及測點位置圖Fig.3 Floor Plan and the floor plan for measuring position of the sample room

圖4 被測房間剖面及測點位置圖Fig.4 Floor plan and measuring points for the sample room

2 靜態采光模擬分析

對樹木遮擋空間進行采光模擬，其難點在于如何在室外建立樹木模型。直接建立真實樹木模型是不現實的，一方面樹木本身很難準確測量，更不要提建立精確的數字模型；另一方面是樹木材質復雜，且互相影響。我們在對傳統園林建筑的計算機采光模擬研究中，嘗試通過在采光口前建立垂直遮擋物模擬樹木遮擋，當樹木較為茂密時則可以添加水平遮擋物的方法，來簡化樹木模型。由于樹木遮擋會出現漫反射，漫透射以及直接透射三種情況，因此將其設置為半透明材質[6]。

在本次模擬研究中，研究小組采用了同樣的方式，根據樹木實際遮擋的面積和茂密程度，建立垂直和水平遮擋物，并將實際測量和模擬相互比較，通過對遮擋物的多次調整后，最后確定的材料參數設置以及遮擋物位置。由于Honeybee與DIVA在建模方面都是依托建模軟件Rhino，因此本次研究的所有三維數字模型都是在Rhino建模，但Honeybee需要使用Rhino的grasshopper插件才可以進行模擬。

圖5為本次研究所采用的三維模型文件和室外樹木的光學參數設定。由于計算機采光軟件的模擬精度通常會對電腦的運算時間產生較大影響，因此要在二者之間取得一定平衡。在本次研究中，DIVA精度設置為：-ab 5-aa 0.1-ad 512-as 256-ar 256。Honeybee可設置的精度參數僅有兩個，設置為-ab 5-aa 0.1，盡量與DIVA保持一致。

圖5 被測房間三維數字模擬模型和樹木的光學參數設定Fig.5 3D simulation model and Optical parameter setting of trees

圖6和圖7分別為在全陰天和晴天狀態下被測房間各個測點的模擬值和實測值，及其模擬值和實測值之間的相對誤差。其中全陰天中模擬和實測值采用的是天然采光系數值，而晴天則使用的真實照度值。可以看出在建立室外半透明材質的遮擋物之后，絕大部分測點的模擬和實測的相對誤差值均在20%之內，由此可知DIVA和Honeybee較為準確地模擬樹木遮擋空間的天然采光環境。此外，研究小組也注意到在晴天天空下，計算機模擬與實測的相對誤差率會隨著時間變化而變化較大。這是因為模擬中采用勻質半透明材料來替代樹木遮擋，這導致光線會均勻地射入室內。而實際上當天然光穿過樹木時，特別是有直射陽光的情況下，情況會變得比較復雜，并不是會均勻的進入室內。這也是造成在晴天條件下，測點7的Honeybee模擬照度值與實測的相對誤差值是25%的主要原因。

圖7 比較晴天條件下被測房間各個測點的平均照度實測照度值與DIVA和Honeybee模擬值，以及實測值與模擬值的相對誤差Fig.7 A comparison of measured and simulated illuminance and their relative errors in the sample room under clear sky

本次模擬研究也再次證明在模擬樹木時，無需建立復雜的三維樹木模型，可以將樹木簡化處理為半透明材質的垂直或水平幾何遮擋片。對于如何預估幾何遮擋體，我們有以下幾點建議：①可以通過在室內拍攝垂直于窗口的影像來確定垂直遮擋片的大小和范圍。②如果樹木明顯高過窗口位置，且在室內無法觀察到天空，則一般需要設置水平遮擋片。其大小和寬度則需要根據樹木實際遮擋位置確定。③模擬樹木幾何遮擋片的透射度可根據實測有遮擋和無遮擋處的室內照度值進行簡單計算所得。當然，要想使模擬樹木的遮擋幾何體更為準確，還需要在模擬后通過與實測進行對比調整才行。

Spark框架的批處理模式只在將數據讀入內存和將最終結果持久存儲時需與存儲層交互,其他所有中間態的處理結果均存儲在內存中,效率非常高。

此外，對于一些不能建立或調整室外插件的光模擬軟件，如綠建斯維爾無法建立室外遮擋物，或者Ecotect本身自帶的光模擬模塊，僅是簡單地將采光口視作光源，就會無法模擬樹木遮擋空間的天然采光。

3 全年動態采光模擬分析

由于太陽高度角和方位角會隨著時間產生變化，天空的云量和云狀也會隨著天氣產生變化，真實的天然采光會一直處于動態的變化過程，因此為了反映真實的室內天然采光環境，需要對全年動態采光環境進行模擬。目前應用較為廣泛且準確性較高的全年動態采光模擬軟件Daysim軟件，已經被證明在南京地區具有較好的適用性和可行性[7]。因此在難以進行收集全年實測數據的情況下，研究小組采用該軟件的全年采光系數、Daylight Autonomy(天然光自主參數，DA)和Useful Daylight Illuminance(有效天然采光照度，UDI)的模擬結果，作為參考標準驗證DIVA和Honeybee兩款插件在全年動態采光模擬的可行性。

為解決全年動態采光模擬時所遇到的不同問題，文獻[8]中開發了Radiance矩陣二相法、三相法和五相法采光模擬方式。三相法是在二相法的基礎上增加了窗口矩陣，用于解決復雜或者動態采光口帶來的問題，其后的五相法則是在三相法的基礎上增加了太陽位置矩陣，用于更加準確地模擬太陽直射光線在全年的變化，文獻[9]中證實了五相法的準確性。而Honeybee的拓展程序Honeybee[+]采用二相法、三相法和五相法作為全年動態采光模擬內核，因此在模擬全年動態天然光時，本研究不僅分析了DIVA和Honeybee，還增加了Honeybee[+]的模擬分析。

Daysim、DIVA、Honeybee和 Honeybee[+]皆采用靜態天然光模擬所用的Rhino模型。Daysim中的材料參數編輯與DIVA相同，為了減少精度參數對不同軟件的模擬結果影響，所有四款軟件的主要參數設置均相同，其余參數保持Daysim默認推薦的設置不變。所采用的全年氣象參數也均使用的是美國能源部下載的南京市典型氣象年參數(China Standard Weather Data)。此外，模擬實驗都使用的時間步長為1 h。

圖8是Daysim與DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動態天然光系數比較值。從圖8可以看出，DIVA和Honeybee[+]在被測房間各測點的平均天然采光系數模擬值與Daysim模擬值較為相近，都在15%之內，其平均相對誤差分別為7%和5%，這說明DIVA和Honeybee[+]能較為準確的模擬全年動態采光系數值。而Honeybee比起其它兩款軟件而言，準確度略差，除去測點10的相對誤差為24%，其他測點的相對誤差均在20%之內，平均相對誤差為7%，也是在可接受誤差范圍之內。

圖8 比較Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動態天然光系數模擬值(平均天然采光系數)Fig.8 A comparison of dynamic daylighting performance (average daylighting factors) simulated by Daysim, DIVA, Honeybee and Honeybee[+] in the sample room

表2為Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動態DA、UDI、UDI100與UDI2000的模擬圖像。表3為DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年動態模擬值與Daysim全年動態模擬值之間相對誤差。從表2可以看出DIVA對UDI值的模擬相對準確，但是對DA值的模擬會出現一定誤差；Honeybee對UDI值和DA值的模擬都會出現較大的誤差；Honeybee[+]對UDI和DA的模擬值均與Daysim的模擬結果相近，相對誤差也較小。整體而言，DIVA、Honeybee和Honeybee[+]在天然采光系數的全年動態模擬值上都較為準確，相對誤差較小。而在其他全年動態模擬值上則因軟件而異，其中Honeybee[+]在DA和UDI模擬上都較為準確，而DIVA則不能較準確地模擬DA值，而Honeybee在UDI和DA值的模擬上都會出現較大的誤差。

表2 比較Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+] 的全年動態天然光模擬圖像(DA，UDI，UDI100和UDI2000)

4 討論和分析

盡管本實驗嚴格控制了兩款光模擬插件的各種參數變量，如采用同樣Rhino數字模型，相同的材質設定和盡量一致的精度參數，但模擬結果還是參差不一，特別是對于全年動態光模擬。盡管DIVA和 Honeybee都是基于Radiance作為運算內核，但光模擬插件會在參數設置或信息轉譯過程中出現各種誤差，加之光模擬插件本身的局限性和缺陷，這也是造成不同軟件在模擬全年動態采光有偏差的主要原因。近些年來，依托于計算機輔助建筑設計軟件的光模擬插件受到建筑設計人員的普遍喜愛。但這些插件會在數字模型的建立、材料和各種參數設置等很多方面過分依賴于輔助建筑設計軟件，因此或多或少會有一定的局限性和弊病，所以要在使用時特別慎重，仔細研究不同天然光模擬插件的可行性、適用性和精確性。特別是目前很多光模擬插件都采用蒙特卡羅反向光線跟蹤算法的Radiance作為運算內核，雖然能夠較準確地模擬較簡單的采光口，但對于較為復雜的采光口，如復雜的格柵窗、鏡面反射材質的百葉窗等，或者室外有復雜遮擋物時，則會出現一定的問題[10]。

總體而言，本次研究發現所選用的兩款天然采光插件在模擬樹木遮擋空間時，其靜態光模擬結果要好于全年動態光模擬，特別是DIVA和Honeybee在模擬DA和UDI值上準確性較差，從本次實驗可以看出，由于Honeybee[+]采用了二相法、三相法和五相法采光模擬方式，有效地減少了模擬偏差。由此可見，要想提高全年動態光模擬的準確度，還需要從開發出更適合全年動態光模擬的計算法入手。

5 結語

樹木遮擋空間的天然光模擬一直是計算機光模擬技術上的難點。本研究選擇了兩款目前較為流行的計算機光模擬插件DIVA和Honeybee，以一個真實的樹木遮擋空間為研究對象，通過實地測量與比較性研究，從靜態采光和全年動態采光兩個方面，探討了這兩款計算機光模擬插件在模擬樹木遮擋空間的可行性和可靠性。

研究結果顯示在靜態采光方面，DIVA和Honeybee都可以較精確的模擬被樹木遮擋的室內光環境。在全年動態采光方面，這兩款軟件僅能夠較好的模擬全年采光系數，而不能較精確的模擬DA和UDI值。而Honeybee的擴展程序Honeybee[+]由于采用了先進的二相法、三相法和五相法作為全年動態采光模擬內核，顯著改善了模擬準確度。

在本次樹木遮擋空間的光模擬驗證研究中，選擇的是被枝葉繁茂的小喬木所遮擋的空間，該小喬木四季常綠，生長緩慢，因此被遮擋的空間光學特性較為穩定。但由于樹木本身種類繁多，不同地域、氣候環境中生長的樹木各有特色，其遮擋特性也大不相同，因此還需要更多的案例研究來補充驗證。此外，本研究在進行靜態和動態光模擬中采用了相同的樹木模型，但這兩種模擬對樹木模型有不同的要求，希望能在進一步研究中尋找出更適合動態模擬的樹木簡化模型。