參數化節能設計方法在高校教學樓采光設計中的應用研究

陳瑾 朱子君 徐驍男

河北建筑工程學院 河北 張家口 075000

近年來，中國高校以及教學樓數量逐年增加，伴隨著教學樓在人工照明與自然采光方面特殊需求，使得該類型建筑在照明方面的能耗也呈逐年增長趨勢。采光設計作為教學樓設計的重點，對于學生的視力保護、使用舒適度以及建筑低碳節能等方面也都發揮著至關重要的作用。

目前常規的教學樓建筑采光設計在模擬工具與建筑設計上的整合度不高，往往需要花費大量的人力和時間成本，無法高效的滿足該類建筑的采光需求。而隨著以Ladybug和Honeybee為代表的參數化設計工具在整合模擬方面的不斷進步，運用參數化設計工具和思維方法，解決高校教學樓采光設計中的模擬計算問題也成為該建筑采光設計的新思路。

1 高校教學樓采光設計現狀

1.1 高校教學樓建筑采光特點

1.1.1 建筑布局

高校教學建筑，由于其功能的特殊性，采光設計是其設計過程中的重點，而建筑布局對于采光的影響更為突出。國內目前傳統的高校教學樓布局還是以一字型布局為主，此布局主要通過走廊將各功能空間進行串聯布置，基本滿足了當時的教學模式對教學樓的功能需求與采光需求。隨著社會與現代教育理念的發展，學科交叉和學生交流的建筑空間需求越來越得到使用者的重視。因此，在教學樓設計中開始注重對空間開放與延續設計，而高校教學樓建筑的布局也隨之產生變化，出現了更多靈活多變的布局形式。在布局形態更加復雜豐富的同時，也對高校教學樓建筑的采光提出了更高的要求。

通過對文獻書籍查閱、相關案例的調研分析總結，將高校教學樓布局整理為以下幾種具體形式，庭院形、U形、L形、直線形四類典型形體，這些布局皆由傳統一字型組合演變而來[1]。

1.1.2 教室尺寸

教室的形式、朝向、尺寸以及室內教具布置都影響著建筑的采光設計。教室平面布局多為矩形，且根據不同需求有不同的尺寸。以張家口地區高校為例，一般階梯教室能夠容納200到250人左右，其面積為400㎡左右；普通教室一般能夠容納60人到100人左右，面積在100㎡左右。高校教學樓普遍教室尺寸進深在6m-12m左右，開間在8m-16m左右，層高在3.3m-4.2m左右[2]。

1.2 目前高校教學樓采光設計方法的問題

目前建筑采光設計中常規的“模擬-優化”的設計方法似乎已經達到某種發展瓶頸，常規的采光模擬工具與建筑設計的整合度不高，模擬效率低，不利于高效達成采光節能目標。這體現在以下幾個方面：

（1）軟件整合度低。在節能設計過程中，常用的設計工具與模擬軟件之間的整合度不高，大部分建模軟件與模擬軟件都有特殊的文件格式與算法，因此在常規采光設計中需要在模型軟件與專業的建筑光環境模擬工具之間多次建模與調整模型，方案與模擬結果之間無法形成快速反饋機制，使得在采光節能設計過程中的工作效率較低。

（2）模擬精度較低。在傳統的采光節能設計方法中，需要根據模擬軟件所反饋的結果數值對模型進行調整，此過程往往都是人工主觀調整，人工優化形式的變化區間是極為有限的，無法快速尋找方案中采光性能的最優解，因而模擬精度較低。

（3）單一的設計方案。傳統的采光節能設計的操作流程需要來回反復的修正與模擬來尋找采光效果更好的方案，但這種方法所設計的方案單一，無法對滿足采光需求的優化結果一一列舉，因此無法做到滿足特定采光目標和形式邏輯的最優方案解。

2 參數化節能設計方法

2.1 參數化的概念

參數化設計是基于算法思維的設計過程，其過程是通過合理的設置設計過程中的參變量，使得設計結果由一系列可控變量協同控制，調整相關參數就可以修改與優化設計結果。通過“參數”與“程序”協同定義來生成特定的建筑采光節能算法，從而引導計算機自動完成建筑采光設計的性能模擬和優化，最終找到滿足采光需求和形式邏輯的方案最優解[3]。

2.2 以Ladybug+Honeybee為代表的節能設計軟件

Rhino&grasshopper參數化建模技術近幾年在我國建筑設計領域得到廣泛的應用，以Ladybug+Honeybee為代表的節能設計軟件發展迅速，其在Grasshopper設計平臺上整合專業節能模擬軟件的計算內核，既可以保證其模擬計算的專業性與準確度，也能大大提升方案設計效率。同時，通過對Grasshopper平臺進行參數化編程，可以實現技術架構層面性能模擬與方案設計的整合，實現設計方案中模型創建、性能模擬以及自動尋優的協同控制。

2.3 高校教學樓建筑中的參數化節能設計方法模型

常規的教學樓建筑采光設計方法在模擬工具與建筑設計上的整合度不高，導致在方案光環境模擬過程中的效率較低。參數化節能設計方法的應用可以大大提升采光設計過程中的效率以及準確性問題。具體設計過程可以分為三個步驟：

（1）策略制定。基于教學樓的相關建筑采光標準以及當地氣候特點，制定符合設計理念的、合理的采光設計策略，從而形成整體的采光設計邏輯。

（2）方案優化。通過Rhino&grasshopper對基地周邊、建筑主體、建筑細部構件等進行參數化建模，并輸入當地的epw氣象數據，通過自動尋優算法生成方案的適建范圍、位置與布局、初步形態等。

（3）方案決策。將參數化軟件遵循既定形式優化邏輯進行方案窮舉后，以采光節能目標為需求，對設計方案進行展示與排列，再通過建筑師的主觀評判，如結構、審美等因素，對方案進行選擇與下一步細化設計。

3 高校教學樓參數化采光設計方法應用

3.1 高校教學樓采光標準與策略制定

采光設計是教學類建筑方案設計的重中之重，但建筑的采光設計并不是一個單一的、特定的設計過程，它貫穿建筑的整個設計階段，包括場地布局階段、建筑單體形態設計階段、建筑細化設計階段等，但各階段的參數化節能設計方法思路一致。因此，筆者以張家口地區高校為例，針對高校教學樓建筑單體形態設計階段中的采光設計展開應用。

3.1.1 策略制定

在教學樓建筑單體設計階段，需要通過單體形態優化來實現采光目標。教學樓采光性能與建筑的開窗方式、建筑形態以及建筑朝向等因素有著密不可分的關系。因此，綜合考慮上述因素，在尋優算法程序中合理設置方案模擬的參變量，確定教學樓建筑最有利于采光的建筑朝向開窗方式，以而形成滿足采光需求與形式邏輯的單體形態。

3.1.2 采光標準

關于高校教學樓建筑的采光標準，在《建筑采光設計標準》GB50033-2013中已明確提出：教育建筑的普通教室的采光不應低于采光等級Ⅲ級的采光標準值，側面采光的采光系數不應低于3.0%，室內天然光照度不應低于450lx[4]。側面采光時，窗地比不宜小于1/5；頂部采光時，Ⅰ～Ⅳ采光等級的采光均勻度不宜小于0.7。眩光指數值控制在25以下。

關于教室內部照度，《建筑照明設計標準》GB50034-2013中也有明確要求，教育建筑中教室的課桌面照度標準值應≥300lx，課桌面眩光值≥19，課桌面照度均勻度≥0.6，黑板照度均勻度應≥0.7[5]。

3.2 參數化建模

3.2.1 基礎建模

通過Rhino&grasshopper建立參數化模型是整個模擬優化的基礎，為使設計過程更具有普遍性，本文以張家口地區最為普遍的一字型教學樓作為典型模型。教學樓模型為4層，層高為3.6m，長度48m。在通過Grasshopper軟件建立參數化模型時，將建筑旋轉角度、教室的開間、進深、層高以及窗墻比設置為可優化參量，通過數值滑桿設置參量區間，以便于后續多目標自動尋優設計。

圖1 各步驟Grasshopper電池組

3.2.2 常量設置

本文基于建筑的旋轉角度和教室的開間、進深等參量對教學樓建筑單體進行控制，采光模擬中應減少其他因素的影響，對參數化模型部分常量進行了以下控制：

1）基礎模型的初始朝向為正北方，且只在建筑模型的南北立面上設置開窗；

2）選取標準層的標準間教室作為模擬計算對象；

3）建筑層高3.6m，窗臺高0.9m；

4）數值模擬中導入的地理數據為河北張家口地區epw格式的地理氣候數據。

3.3 性能評價

3.3.1 模擬參數設置

教學樓建筑模型根據相關規范，將建筑外立面的反射系數設為0.50、樓板反射系數為0.30、屋內墻面為0.60。將分析面高度設定為0.8m的桌面高度，教室設計算點設置為0.1m間隔布置。

夏至日是北半球一年中白晝最長的一天，太陽高度角也最大，所以模擬天空選擇全晴天的夏至日（6月21日14時）來進行模擬，可以在最大限度上分析普通教室室內天然采光可能出現的采光不均勻現象和眩光現象。將教學樓模型在主要采光面上不同朝向、教室不同開間、進深時的天然光照度平均值和采光均勻度作為方案比較標準。

3.3.2 模擬結果

根據HB-radiance模擬輸出未尋優的模擬結果，以作為方案自動尋優后對比參考數值。模擬測試教室在正北方向，開間為12m，進深為9m時的照度最小值為416Lx，最大值為1388Lx，平均照度為621Lx，采光均勻度為0.4。

3.4 自動尋優算法

將教學樓的旋轉角度、教室的開間進深以及窗墻比作為控制教學樓整體形態的參數變量（圖2），這4個系數可以控制建筑的平面形態，從而實現建筑體量在平面方向上的尺度變化，以保證每一層的建筑平面在既定建筑尺度的約束下，能夠形成不同的開間進深和朝向變化。通過控制各墻面的窗墻比與開窗方式，以在自動尋優過程中生成不同的窗口形態，從而滿足教學樓建筑的光照需求。

圖2 參數化模型與自動尋優算法參變量設置

3.5 方案決策

在自動尋優計算后，根據Galapagos模塊所窮舉的結果，根據設計需求，從程序所列出的所有最優解中進一步篩選出采光性能與形態邏輯均符合要求的單體建筑方案。如圖3所示為部分采光表現優異的單體形態方案，其中，方案2、3、4的采光表現更好，故可以在此基礎上，對選中的形態方案在能耗、結構和功能的其他方面進行下一步細化設計，以滿足設計師既定的要求。

圖3 Galapagos模塊窮舉方案

4 結語

本文通過探索參數化節能設計方法在高校教學樓建筑采光設計各個階段中的應用，旨在優化高校教學樓采光設計過程，由于建筑采光性能的影響要素過多，因此優化結果是基于理想的建筑模型，故模擬數值結果存在一定誤差。本次應用研究從高校教學樓的自然采光需求出發，通過在高校教學樓采光設計過程中的參數化應用和設計優化流程的詳細說明，旨在方案階段，對教學樓建筑的采光性能進行參數化設計。通過運營參數化節能設計方法，將采光設計與建筑方案設計相結合，為高校教學樓建筑整體的采光設計提供了新思路。