天然光光环境模拟技术综述*

罗 涛 王书晓 林若慈

(中国建筑科学研究院，北京 100044)

1 前言

随着建筑节能和环境问题的凸显，天然光的应用日益受到人们的重视。合理利用天然光，不仅有助于改善室内光环境，而且也有利于实现照明节能。然而，良好的天然光光环境是难以预测的，设计师要想在设计阶段准确把握光环境，需要借助于模拟的技术手段。所谓模拟，是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或者设计中的系统。通过模拟，设计师可以准确把握光环境的效果，照明系统的运行情况和性能，从而做出优化合理的设计。光环境的模拟有着广泛的应用，比如，可对建筑物的采光性能进行分析检验;对复杂建筑光环境进行仿真，查找相关问题;对可能使用的技术手段和方案的效果进行分析;对照明能耗和照明系统运行情况进行分析等等。

因此，天然光光环境模拟不同于单纯的设计计算，其涉及的内容包括:天然光的数量指标 (照度、采光系数、可用性等)、质量指标 (均匀性、眩光、直射阳光控制、甚至还有光热的控制等)、易用性 (视野、可调可控性、保证所有人员均获得天然光)、建筑一体化 (与建筑的结合、与设备系统的结合)、节能潜力和经济性 (节能量、投入控制设备的回收期等)。

与人工照明相比，天然光光环境的模拟其主要困难在于:天然光是高度动态变化的，随时间、地点和天气条件差异很大;眩光和直射阳光的模拟;与控制的结合;与其它设备系统的配合以及模拟方法本身的困难等。

国内外研究人员在长期的研究实践过程中，发展出了多种天然光光环境模拟技术，比如模型实验、图表法、设计标准、计算机软件等等。从其发展来看，经历了从物理模型到虚拟模型，从手工计算到计算机模拟这一变化过程。

2 天然光光环境模拟技术的分类与简介

2.1 天然光光环境模拟技术的主要分类

光环境模拟的技术手段很多，既可以借助于实际的物理模型，也可以构建虚拟的计算机模型。根据其采用的技术手段的不同，光环境模拟技术大致可分为三类:1、物理模型实验;2、依据于经验或理论的图表法、设计标准和导则;3、计算机模拟。

2.2 物理模型实验

物理模型实验的特点是制作建筑的缩尺模型，在天然光或者人工光的照射下，测量建筑的室内外光环境参数，同时也可直观的看到建筑的光影变化情况。根据所采用的光源的不同，可分为两类:一类是直接采用天然光，将模型放置于室外的可调整方位和角度的平台，测量室内照度或者直接观察;另一类是采用人工光源模拟天空光和太阳光，在室内可控条件下进行测量和观察。国内外很多大学和研究机构都建立了相关的装置，如图1所示。

该方法的主要缺点是模型制作费用高，模型的制作精度对测量结果影响很大，实验周期长，其主要优点是直观，易于理解。

2.3 图表法

目前建筑师和工程师在采光设计计算时，主要依据的是经验、技术手册或标准规范。特别是在项目的前期阶段，不确定因素很多，往往采用定性的方法判断建筑采光的优劣，或者比较各种方案的性能。该方法的主要优点是快速，缺点是精度较差，且采用简单参数难以全面评判光环境的优劣。设计人员可以根据手册或者标准中提供的图表进行简单分析计算。如我国的《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001中就提供了侧面采光和顶部采光的计算图表和计算方法 (见图2和图3)。其精度可满足工程应用的需要。

2.4 计算机模拟

90年代后，随着个人电脑的广泛普及和计算机技术的发展，人工计算被计算机所取代。同时，一些计算速度快、准确性好、操作方便和效果直观的照明计算软件出现了。通过在计算机中建立虚拟的模型，可快速计算照度、亮度和眩光等参数，并可生成具有真实感的渲染图形。由于其花费最少，发生错误的代价最小，易于控制，易于重复，并可模拟任何地点、任意时间、任何天气状况下的天然光光环境，因而得到了广泛的应用。

图1 各种类型的人工天空或日影仪

图2 侧面采光计算图表

据国外学者的调查，目前研究人员、设计师以及工程师使用的软件超过42种之多［2］。由于在软件设计定位时，其分析的对象，所使用的阶段，使用者的不同，不同软件之间有很大的差异。有的适合于项目前期概念设计阶段，有的适合于深化设计阶段;有的适用于建筑师，有的适用于工程师，还有适用于研究人员等等。其主要功能也有一定差异，有的适合于进行日照和遮挡分析，有的则侧重于采光计算;有的只给出计算图表，有的则同时提供具有真实感的渲染图形。其中，最为常用的天然光光环 境 模 拟 软 件 有:Radiance、Adeline、Daysim、Ecotect、 Lightscape、 Skyvision、 DaylightVisualizier等。

3 计算机模拟技术的发展和应用

由于计算机模拟技术具有成本低、速度快等优势，得到了快速发展和广泛应用。

3.1 国外的发展和应用情况

国外自上世纪80年代就着手进行天然光光环境模拟软件的开发，经过二十多年的发展，形成了Radiance、Lightscape、Ecotect、Daysim 等 功能强 大的模拟软件。研究人员就软件的使用情况做过很多调研，从中我们也可以看出计算机模拟软件的发展历程。

1994年，Aizlewood和Littlefair通过邮件进行了调研，内容是使用天然光预测计算的情况。返回的问卷中有超过50%的参与者反映最常分析的是临近建筑的遮挡分析，即进行场地平面的计算。其中，33位建筑师普遍采用简单公式进行计算，而有77%的采光专家采用缩尺模型和计算机模拟分析。有部分使用者还对现有程序的可靠性持怀疑态度。

1998年，Lam等人做了一个关于新加坡使用建筑模拟工具情况的调查。调查的目的是为了更好的理解大家在使用模拟工具中所出现的问题，从而提出改进建议。调查表明，25%的工程公司使用采光和照明模拟软件，而11%的建筑公司则拒绝使用。后者使用渲染软件用于展示，而不提供照明或者采光的细节。工程师主要使用由照明厂商提供的软件。部分人反映类似Radiance和Lightscape等软件只是专家才掌握的。使用模拟软件的主要目的是为了让结果更加可信，而不使用的原因则是因为客户不感兴趣，另外还有缺乏具有这类技能的员工，时间原因以及软件的购置和维护费用等等。

图3 顶部采光计算图表

Mamaari等人对于照明模拟软件在德国法兰克福做了一个调研，目的是调查使用者的软件需求从而为软件开发人员提供相应信息。日本建筑研究所的一个工作小组对照明模拟软件的研究人员，软件开发人员和使用者也进行了相关调研。

Christoph等人对采光软件的使用情况进行了调研 (通过网络)，时间是从 2003年 12月 2日到2004年1月19日。调研的对象是来自27个国家(主要是美国20%、加拿大20%和德国12%)的185名设计师 (31%)、工程师 (38%)或者研究人员 (23%)。其中169人回答在设计中考虑了天然光，而16人则在设计中没有考虑天然光。在考虑天然光进行设计的人员中共有134人使用计算机模拟。大家在设计时用于预测采光的方法包括经验、计算机模拟、经验法则、设计指南、图表和缩尺模型等 (按人数多少排序)，且在方案设计和深化设计阶段有所不同。调研中发现:

(1)大家使用计算机模拟用于采光设计比较普遍，且相信软件的计算精度和准确性，这与以前调研得到的结果有所不同。

(2)大家使用的软件有42种之多，但是其中有超过50%的软件是基于Radiance平台。

(3)常用采光软件进行模拟分析的工程项目主要是办公建筑、学校和多层住宅。

(4)大家利用软件需要获取的结果主要是室内照度、采光系数、具有真实感的图片、室内亮度、人工照明的使用情况、眩光指数和天然光利用时间等 (按人数多少排序)。

(5)采光分析结果对遮阳类型及控制、窗户尺寸、玻璃类型、照明控制、建筑朝向、室内表面材料、房间尺寸等设计要素产生影响 (按影响程度排序)。

(6)在学习使用软件时，主要依靠帮助手册自学，软件的文档和软件的易用性还需要加强。前期方案设计可利用的技术手段还比较缺乏。

国外的调查研究表明，最初关于软件计算正确性和精度的质疑几乎已经消失，大家更关注软件的功能、界面以及技术文档等。根据一些指南和手册所编制的界面友好的简单模拟工具被建筑师所易于接受，而复杂的模拟软件基本上则是工程师在使用。

从软件使用功能上来看，有的在照明计算上有优势，有的长于日照模拟和阴影分析，还有的注重渲染效果图的表现。众多的天然光模拟软件中，不得不提到的是Radiance，这个最初由美国能源部资助，LBNL开发的基于物理真实模拟的光环境软件，经过十几年的发展，已经在世界范围内得到了广泛认同和应用。该软件对天然光的模拟十分强大，先进的表面反射模型可以在复杂的场景内正确的模拟漫反射与镜面反射，基于光能传递算法的漫反射计算，使它能分析像遮光板之类的间接光学系统，人工光源的模型可通过由生产商提供的光度分布数据建立。Radiance的目的是预测照度和渲染具有心理真实性的虚拟建筑图，在建筑完成前提高照明设计质量，真实感的图片只是一个副产品，图像的精确才是基本的目的。其特点是:完全免费，并支持进一步开发;计算精度高，可同时模拟人工照明和天然采光;可以渲染出具有真实感的虚拟场景。但由于其采用Unix系统，使用上非常复杂，一般只有专业人员才能掌握使用。通过实测和模拟对比，在保证模型和材料参数精度条件下，其误差可控制在20%以内，部分情况下甚至可以优于15%［4］。

同时，模拟软件在实际工程中也得到了很多应用，特别是国外的建筑工程咨询公司将其广泛应用于项目的初步设计阶段，为建筑师提供参考和依据。

3.2 国内的发展和应用情况

中国建筑科学研究院物理所是我国最早开展建筑采光方面研究的科研机构，在天然光光气候、采光设计计算方法、采光系统及材料性能、住宅及公共建筑的天然光环境等方面开展了大量的研究工作。上世纪80年代，由中国建筑科学研究院牵头，多家大专院校和科研机构参与，编制了建筑工程设计软件包，为建筑性能模拟提供了便利。在建筑天然光环境软件方面，国内很多学者开展了相关研究，但由于各种原因，一直未能形成商业化的软件［8］。

随着建筑环境和建筑节能问题的出现，对天然光光环境的研究重新得到了重视。特别是随着公众对采光权的重视，对住宅的室内外光环境研究成为了热点［4］［8］［9］［10］。同时，专业的建筑日照分析软件发展非常迅速，并得到了广泛应用［11］。

近年来，在一些大型工程中，天然光环境模拟软件也得到了应用。通过使用模拟软件对室内外的天然光计算分析，可得到设计人员关注的各种性能参数指标，从而起到辅助设计的作用。

以国家游泳中心为例，设计人员非常关注东侧大面积的透光围护结构是否会影响视觉的舒适，通过研究人员的模拟分析，给出了不同观测位置和视看方向上东侧的亮度分布，从而为深化设计提供了参考［12］。见图 4。

又如在T3航站楼的设计中，由于建筑造型的需要，采用了大跨度的屋面，设计人员对于车道内侧的采光是否能够满足要求存有疑虑。通过模拟计算，得到了车道内侧各点的采光系数，并给出了直观的采光分布图，为设计师的决策提供了依据。如图5所示。

图4 国家游泳中心室内天然光光环境模拟

图5 北京首都国际机场T3航站楼车道采光模拟

另外，还可以利用光环境模拟软件对新型采光系统的性能以及照明节能情况进行分析和预测。图6是对奥运中心区地下车库所采用的导光管系统的性能及节能性进行的分析。通过分析，不仅很好的预测了采光系统的性能，同时也给出了其照明节能的量化数据。同时，最后的实测分析表明，模拟分析结果与实测数据非常吻合［13］。

图6 奥运中心区地下车库天然光导光管系统模拟

上述的工程实践表明，天然光环境模拟可以起到很好的辅助设计作用，快速准确的预测建筑采光的性能、光环境的相关参数，并能够保证计算的正确性与精度。特别是在一些非常规的大型公建设计中，能够为设计提供有益的参考和依据。

4 结论

天然光光环境的模拟技术已经越来越广泛的应用于工程实际，本文回顾了天然光光环境模拟技术的发展历程，并进行了分类，同时对其优缺点也进行了简要分析。从发展趋势来看，计算机模拟将成为模拟技术的主流，其成本低、快速准确等特点使其与其它模拟手段相比更具优势。对于天然光光环境模拟的研究也将成为今后研究的热点。另外，天然光光环境的模拟与人工照明的模拟的结合将越来越紧密，如DIALux、AGI32等传统的照明设计软件也增加了天然采光计算的功能。

与国外相比，我国对于天然光光环境模拟的研究较少，还缺少自己的模拟软件。因此，对于我国的科研工作者而言，结合我国的光气候特点，开发具有自主知识产权的天然光光环境模拟软件是一件极为紧迫的任务。

在今后的工作中，我们还将对国外各种光环境模拟软件的功能、计算精度等进行深入的分析比较，并结合我国的实际情况开展相关的调研工作，从而为设计人员和工程师提供有益的指导，并为开发我国的天然光光环境模拟软件奠定基础。

［1］建筑采光设计标准.GB/T 50033—2001.

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

［3］Radiance技术资料.

［4］荣浩磊.应用计算机模拟技术分析北京住宅中的天然光利用.清华大学硕士论文.

［5］章卓力.照明行业用软件介绍.上海通用电气公司技术中心，光源与照明，2003年，3月.

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

［7］刘宾.国内常用照明软件比较分析.天津大学硕士论文.

［8］李德富，朱霭敏.北京市住宅设计天然光环境计算机模拟探讨.照明工程学报，2000年，第17卷，第03期.

［9］尤伟，吴蔚.利用先进的计算机模拟技术改善传统窑居的天然采光.照明工程学报，2009年，第2期.

［10］王诂，罗涛，崔恺，等.玻璃幕墙有害反射光的计算机模拟，2004年，第02期.

［11］王诂，张笑.建筑日照计算的新概念.建筑学报，2001年，第02期.

［12］罗涛，林若慈，毛红卫，等.国家游泳中心室内光环境关键技术研究.第十届全国建筑物理学术会议.

［13］李文忠，冯永忠，罗涛.天然光导光管系统的设计与模拟计算.照明工程学报，2008年，4期.