基于新国标开发的自然采光软件PKCG介绍

王会一 张永炜 刘 平 朱峰磊

(中国建筑科学研究院PKPM设计软件事业部，北京 100013)

1 前言

目前，随着国内经济的飞速发展，人们对居住环境尤其是室内环境(图1)质量的要求不断提高，随着1999年《物权法》的颁布实施，建筑物光环境设计中有关自然采光和日照要求的国家标准和各个地方标准也已经出台，国内光环境模拟分析如日照分析软件近年来在建筑日照分析中迅速得到了广泛的应用，已经在各个设计院普及开来，使得设计人员从建筑间距的概算中转换到使用计算机模拟软件的精确计算方式上来。

图1 室内环境质量模拟

和建筑日照模拟分析相比，新的《建筑采光设计标准》(GB50033－2013)强制性标准已经自2013年5月1日起实施，和2001版推荐性标准相比差别非常大，新标准作了较多的修订和改变。例如增加了强制性的条文规定，增加了展览建筑、交通建筑和体育建筑新的建筑类型的采光标准，侧面采光的采光系数最低值改为采光系数平均值，采光系数标准值采用室外天然光设计照度值，侧面采光增加了采光有效进深的规定，给出了侧面采光和顶部采光平均采光系数的计算方法，在采光质量要求较高的场所，限制窗的不舒适眩光，新增“采光节能”一章并制定了采光节能计算方法等。

标准中提到了很多简单或者常见情况下的估算和概算方法，如民用建筑可以使用窗墙比方式估算采光情况，对于典型接近情况下可以使用查表插值法计算采光系数平均值等，并给出了简化公式计算顶部和侧面采光系数平均值。但是对于一些情况比较复杂的计算，比如考虑建筑物自身遮挡如檐口遮挡、阳台遮挡、设备遮挡，周边遮挡建筑物情况比较复杂，采光形式比较复杂，窗的不舒适眩光指数的计算、主动采光装置如导光筒、采光罩的照度计算等，目前还无法通过标准给出的公式法和查表插值法完成计算。非典型简单情况下，尤其是大型复杂的建筑和非规则的采光形式，或需要逐点分析计算采光时必须借助于使用计算机完成相关计算。

但是国内基于新的《建筑采光设计标准》的完全自主知识产权的国内自然采光模拟软件还亟待开发出来，国内绿建模拟更多的使用国外的日照分析软件如 AGi32、Dialux、Ecotect、和 Radiance 等。这些软件虽然功能强大，性能稳定，但是还存在很多问题，比如不能支持国家新的《建筑采光设计标准》，对国内的常见的建筑、节能模型支持很差，无法重复利用国内的现有建筑、节能模型等，用户需要重复建模，占用大量的前期处理时间，不能够直接输出专业的采光模拟计算报告书等。有的国外软件如Radiance只有多个命令行计算程序供使用人员通过计算文件方式调用，没有友好的人机交互界面，设计人员学习掌握起来非常困难。如表1所示。

表1 国内外自然采光软件对比

中国建筑科学研究院PKPM设计软件事业部是国内最大的建筑工程类软件开发单位，已经成功地开发出建筑类、结构类、设备类、节能类、施工造价和企业信息化管理类等软件产品，在建筑物理环境方面，已经开发PKPM SUNLIGHT三维日照分析软件、噪声分析软件、节能和绿色建筑评估软件系统。中国建筑科学研究院是新标准的主编单位，这次上海凯创建筑科技有限公司承担了室内自然采光软件的开发工作任务，并取得了重大的突破和进展，在某些方面的功能和特点，已经在国内外处于领先地位。中国建筑科学研究院上海分院绿色建筑与生态城研究中心从2006年开始从事绿色生态领域研究工作。中心依托中国建筑科学研究院大量工程案例的经验和几十年的技术积累，承担了全院90%以上的绿色建筑咨询工作，积累了大量绿色建筑模拟分析经验，为这次开发工作提供了很好的专业技术支持工作。

本文系统介绍了PKCG自然采光软件的研发原理、功能特点和应用前景，希望能够为广大建筑设计人员提供一款完全适合新的标准的自然采光设计软件，推动国内绿色建筑软件事业的更好发展。

自然采光软件的分析流程和日照分析类似，如图2所示。本文按照参数设置、采光建模、模拟分析、达标评价和分析报告的流程进行介绍。

图2 采光设计流程

2 采光前处理中的三维建模

目前绿色建筑中的相关模拟分析前处理阶段，都需要建立专门的分析模型。目前国内外各个厂商不同分析软件之间的模型通用性并不好。如前文所述，国外软件对于国内某些常用的建筑和节能模型无法重复使用，需要重新建模，占用设计人员大量时间，造成整体分析效率低下。

PKCG开发设计之初，就考虑到了不同设计软件模型兼容性问题。PKCG基于AutoCAD平台可以直接打开DWG和3DS文件格式，除了支持自建采光分析模型外，可以直接使用PBECA(图3)的BDL节能模型，并且和PKPM系列建筑、设备、结构等软件无缝连接，可以导入PKPM系列软件中的现有模型，在此基础上继续建模和分析，提高整体工作效率。此外PKCG可以直接导入目前国内市场使用率很高的天正建筑软件生成的建筑图纸，对于国外建筑模型，如Revit建筑模型也可以直接导入使用。对于其它三维建模软件如犀牛等曲线建模软件，目前支持转换方式为3DS方式导入第三方建筑模型。

图3 使用PBECA模型

和其它绿建分析模型相比，自然采光模型有自己的鲜明特点，除了和日照分析一样，要考虑周围建筑物的遮挡影响外，和日照、风环境专业不同的是，采光单体分析模型相对更为复杂，对于主要的采光装置如窗等，要根据实际尺寸形状进行建模，而在日照分析中，窗是简化为矩形窗进行分析的。日照分析的主要对象是居住建筑、幼儿园、教室、医院和养老院等，一般不将工业建筑、展览建筑、交通建筑和体育建筑等作为分析的主体，但是新的《建筑日照采光设计标准》中的要进行采光分析的建筑类型为11种，分析的对象和范围远远大于日照分析的范围。

采光分析模型整体框架如图4所示，采光分析的基本单位是房间，所以房间建模是采光分析的一个重要内容，如图5所示，采光建模要将标准要求的房间逐个建模进行后期模拟计算。建立准确的采光分析模型是前处理中的重要工作内容，模型建立的准确与否对计算结果影响很大。

图4 采光模型

各种采光装置的建模也是采光分析的特点，如民用建筑中的转角窗、凸窗建模等。如工业建筑中的天窗建模和各种主动采光装置，如采光罩、导光筒和反光板的建模，如图6所示。PKCG提供了参数化建模工具，便于设计人员快速的建立采光分析专业模型。

图5 采光房间模型

图6 转角窗、凸窗、天窗模型

3 采光前处理中的参数设置

除需要建立适合天然采光模拟的数字模型外，还需要设置大量的相关参数，往往很小的不同参数设定会导致完全不同的模拟结果。

总的来说采光前处理中的参数分为整体项目参数的设置，比如项目信息，所处地理位置和气候分区等，比如根据光气候分区，可以确定光气候系数，K值和室外天然光设计照度值Es等，当然还包括采光分析所依据的国家标准等内容。

另外一个部分就是如图7所示，详细设置采光装置和反光材料的光学属性，包括房间的功能属性，采光等级，反光材料如墙壁、地面和顶棚的表面反射比，采光装置的玻璃光学性能参数，如反射比、透射比，污染折减系数等。

图7 参数设置

PKCG的编制是严格基于《建筑采光设计标准》GB50033—2013新要求的，其参数取值以新标准为准，来源于标准提供的表格数据。例如采光材料饰面材料数据库依照标准表格数据。

可以看到，材料的光学属性参数设置时比较繁琐的，例如居建的采光分析以功能房间为基本单位，所有分析房间的所有表面逐个设置工作量是非常大的，大量复杂的参数设定，这使许多设计师望而却步。PKCG考虑到前处理中这一专业特点，在饰面材料设置中(如图8所示)做到可以统一整体设置、分楼层设置，也可以按房间、墙面、构件实际情况灵活设置。对一些细节问题，也充分考虑，比如支持房间墙面饰面材料内外墙双面单独设置。

4 采光设计中的模拟计算

自然采光计算包含很多内容，新标准中明确要求的计算包括用于达标评价的评价采光系数值、采光质量中的窗的不舒适眩光指数DGI的计算、顶部采光方式采光均匀度计算、采光节能、有效进深的计算等，有时候还需要单独进行房间内的亮度和照度分布，绘制伪彩色图模拟室内光照分布情况。还包括使用“流明法”对采光装置如采光罩、导光管的模拟照度计算等。如图9所示。

图8 饰面材料设置

图9 采光模拟计算内容

采光计算新标准给出了居住建筑通过窗墙比进行估算的方法，但是不能作为最终的判断依据。对于一些简单的采光形式和典型近似的采光情况，新标准给出了通过公式和图表法进行概算的计算方法。

但是可以看到，目前居建和公建建筑本身形式越来越复杂，周边遮挡情况也很复杂，建筑自身遮挡情况如阳台构件设备的遮挡非常普遍，各种复杂情况下的采光系数等计算很难通过估算或者概算的方法就能够进行计算，对于标准中提到的窗的不舒适眩光指数DGI的计算、采光节能的计算、采光装置的照度计算无法通过手工方式来完成，标准也推荐使用计算机模拟软件进行建模模拟计算的方法。

国外光分析模拟软件较多，目前，比较常用的有 Tas-Daylight，Lightscape，Ecotect及 Radiance 等。但标准条文说明中多次提到Radiance软件(图10)，并使用该软件进行了采光模拟验证工作。作为国际光学研究界所公认的可以较准确地模拟天然采光的软件之一，Radiance是美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)于20世纪90年代初开发一款优秀的建筑采光和照明模拟软件包，它采用了蒙特卡洛算法优化的反向广线追踪引擎。国外其它采光分析内核多采用调用Radiance进行模拟分析。

图10 计算机模拟计算

PKCG以最新修订的《建筑采光标准GB 50033－2013》标准为依据，基于全阴天的天空模型进行采光计算(侧面采光、顶部采光)，以采光系数和室内天然光照度作为采光设计的评价指标。在全阴天的天空模型下，室内某个位置的照度由直接看到的天空光、室外反射光和室内反射光构成。通过光线追踪的计算方法可以求出室内各个位置的照度。室内照度除以同样天空模型下室外水平面上的照度就是采光系数(图11)。

PKCG首先支持《建筑采光设计标准》公式法计算顶部采光和侧面采光的采光系数平均值，填补了目前国外软件无法按标准计算的空白。对于大型复杂的建筑和非规则的采光形式，或需要逐点分析计算采光时，支持调用通用的Radiance内核进行计算，同时还可以作采光节能分析和计算光污染。

和日照分析一样，PKCG国标法和Radiance计算中都支持考虑室外周边建筑物遮挡的影响。

采光计算结果可以通过对话框、表格等形式表现，可以直接绘制在图形上，并可以自动插入到最终的结果报告书中。

图11 采光系数分析伪彩色图

和其它软件不同的是PKCG会根据分析判断结论(图12)，给出专家优化建议，对辅助设计人员改善整体采光效果帮助很大，专家辅助系统会根据软件研发逐步完善。

图12 房间达标情况表格

如图所示，PKCG会将采光分析结果如采光系数分布图(图13)标注绘制到DWG模型图形上，除了观察浏览外，设计人员可以直接打印输出，或者插入到模拟计算报告书中。

图13 采光系数分布图

5 采光设计中的主动优化

采光罩、导光筒采光系统是一种新型的屋顶采光技术系统。光导管照明系统将光源发出的光从一个地方传输到另一个地方，进行重新分配，以达到一定的照明效果。光导管系统引入的是自然光，不需要消耗非可再生资源，同时减小了由常规能源带来的环境污染，能够节约建筑用电，对节能有着重要意义。

目前国内外采光软件没有考虑主动采光装置的影响，很多情况下，对于一些大跨度大进深的房间，地下车库等，采光系数很难达标，往往需要布置主动采光装置。PKCG率先支持主动采光装置如导光管系统、采光罩基于“流明法”计算原理的模拟计算，解决了这一难题。

如图14所示为顶层布置了采光罩之后的三维模拟效果。

图14 采光罩布置三维模拟

如图15所示为布置采光罩后的顶层计算结果，可以看到，布置采光罩后进深内部的采光情况得到了很大的改善。

图15 采光系数分布为彩色图

6 采光设计中的后处理

绿色建筑中的模拟分析，初具专业的模拟分析报告书是模拟分析中最重要的输出评审依据。计算结果的输出，尤其是报告书的输出，很大程度上也体现了模拟分析的专业水平。图16是几个绿建模拟分析中的报告书内容。

PKCG可以根据不同建筑类型专门定制专业报告书出具分析报告书，同时区分国标公式法和Radiance逐点计算法出具最终的采光分析报告书(图17)。

报告书中包含很多内容，如项目信息，分析原理，分析模型图片和达标情况表格等，对于Radiance逐点计算法出具的报告书，还会给出照度分布、采光系数分布彩图等，最后给出整体项目分析是否达标的结论。

图16 绿色建筑模拟报告书

图17 采光计算报告书

如果后续还要进行其它专业的分析，比如日照模拟分析，可以导入到其它专业分析软件如PKPM SUNLIGHT三维日照分析软件进行分析，对于一些更为高级的分析应用，如自然采光真实模拟渲染、采光动画，日照遮蔽等分析应用，还可以导入到其它国外分析软件如Tas-Daylight进行后续分析，生成可视化的采光模拟图片和阳光穿射动画等，如图18所示。

7 总结与展望

本文概括的总结介绍PKCG自然采光分析软件的相关原理、计算方法和功能特点，并且对自然采光分析中遇到的一些难点问题介绍了一些相关解决方法。

可以看到，除了建筑节能分析、室外建筑日照计算外，建筑室内自然采光、噪声模拟、风环境模拟和热环境模拟等专业还处在起步的阶段，某些模拟如风环境模拟由于缺乏相关的强制性标准要求、或者缺乏可以配套使用的适合国内标准并通过建设部验收的模拟软件，这些模拟应用在国内的设计院中普及度并不够，即使在绿色建筑专业模拟团队中用到的也多为国外模拟分析软件。

图18 可视化采光模拟

但我们相信，随着国家强制性标准的出台，相关模拟软件的不断研发和完善，不断丰富和完善分析功能和使用细节，结合目前国内绿色建筑的发展，相信室内自然采光分析作为绿色建筑的一员，将会大大拓宽其应用领域，并向太阳能相关应用、遮阳设计等相关应用领域不断发展。

［1］三维日照分析软件SUNLIGHT用户手册．中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部

［2］建筑采光设计标准．GB 50033—2013

［3］建筑设计资料集．北京:中国建筑工业出版社

［4］姜立．建筑日照分析原理与计算方法的研究［J］．土木建筑工程信息技术，2009，1(2):63-69．

［5］云朋．建筑光环境模拟．中国建筑工业出版社．2010．7．1

［6］北京照明学会照明设计专业委员会编．照明设计手册(第二版)中国电力出版社．2006．12．1

［7］Greg Ward．Lawrence Berkeley Laboratory．RADIANCETutorial

［8］The RADIANCE 4．1 Synthetic Imaging System．http://radsite．lbl．gov/radiance

［9］Mike Kroelinger．DAYLIGHTING CALCULATIONS．ABS 731 Spring 2006

［10］Dr．R．Compagnon．RADIANCE:a simulation tool for daylighting systems

［11］IESNA Lighting Handbook．9thEdition 2000