基于脚本控制的天然采光动态计算方法

吴 扬

(广西华蓝设计 (集团)有限公司，广西南宁 530011)

1 概述

建筑天然采光是建筑物理环境设计中重要的一环。良好的设计不但能够为使用者营造优良舒适的室内光环境，而且能够降低建筑照明能耗。当前的建筑采光设计中已经广泛地使用天然采光计算软件对室内环境的天然采光状况进行预测。常用的天然采光计算软件包括 Radiance、Desktop Radiance、Ecotect、Dialux、AGi32、DAYSIM、IES ＜ VE ＞、Daylight Visualizer等［1］。根据模拟对象及状态的不同，天然采光计算软件大致可以分为天然采光静态计算软件和天然采光动态计算软件。天然采光静态计算软件可对单一时刻特定天空条件下固定场景参数的天然采光状况进行计算。天然采光动态计算软件可对多个时间点上变化天空条件下多种场景参数的天然采光状况进行计算。根据这一分类原则，常用的 Radiance、Desktop Radiance、Ecotect、AGi32和Dialux等软件可归为天然采光静态计算软件。国际上主要的动态天然采光计算软件包括ADELINE，DAYSIM、Lightswitch wizard、SPOT 等［2］。天然采光静态计算软件是当前天然采光计算软件的主流，能否利用这些成熟的天然采光静态计算软件实现天然采光动态计算，是个值得研究的课题。因此，研究利用脚本控制天然采光静态计算软件的方法以达成这一目标。

天然采光动态计算是天然采光计算中较新的一个研究方向，对中文文献进行调研，国内研究人员在这一方向进行研究并做出公开报告的主要有云朋在文献 ［1］中系统论述了当前主流的建筑光环境模拟软件，其中对天然采光动态计算软件DAYSIM及使用均有详细介绍。南京大学的吴蔚、刘坤鹏在文献 ［3］中对DAYSIM这一主要的天然采光动态计算软件进行了介绍。刘昆明在文献［2］中，探讨了主要的4种天然采光动态计算软件的特点，并研究了DAYSIM在南京地区天然采光设计中的适用性。罗涛、林若慈等研究人员在文献［4］中研究了天然导光系统，并利用SkyVision软件对导光系统的全年采光动态进行了模拟。王洪珍在文献［5］中探讨了地域性光气候的建筑采光模拟中动态采光指标的计算。根据所述，当前国内的天然采光动态计算研究中，主要基于DAYSIM软件实现天然采光的动态计算，而在如何利用现有成熟的天然采光静态计算软件实现动态计算的研究仍然较少。

2 方法研究

2.1 天然采光静态与动态计算差异分析

天然采光静态计算软件能够计算静态光环境评价指标，主要包括照度、照度均匀度、采光系数。天然采光静态计算软件的特点是能够对单一时间点单一场景条件的天然采光状况进行计算。若要进行随时间变化的多种天空状况下的天然采光计算，或是与空间使用者行为联系的动态遮阳状况下的天然采光计算，以及针对动态光环境评价指标的计算，则天然采光静态计算软件依靠其自身的功能无法完成。

天然采光动态计算软件能够计算连续时间序列多个时间点的多场景天然采光状况，每个计算场景可以有不同的天空状况和设备作息的变化。因此，天然采光动态计算软件能够与光控、遮阳控制等系统耦合，实现复杂的天然采光计算功能，并计算诸如全自然采光时间百分比 (DA)等动态光环境评价指标。

总结以上对比，天然采光动态计算软件较天然采光静态计算软件增加了以下功能:

1)对给定时间区间上连续时间序列的天然采光场景进行计算;

2)每个采光场景可以有独立的天空状况;

3)每个采光场景可以有独立的灯光、遮阳等设备的作息情况;

4)可以实现光环境与设备作息的耦合计算;

5)能够计算动态光环境评价指标。

2.2 脚本控制机制

根据天然采光静态与动态计算差异分析，提出用脚本控制天然采光静态计算软件的方法。在该方法中，天然采光静态计算软件应具备较好的扩展性，以便通过编写脚本的方式对天然采光静态计算软件的运行进行控制，完成动态计算。利用脚本语句，可将拟计算时间区间离散为多个时间点，在每个时间点上的天然采光计算由天然采光静态计算软件完成。脚本语言的循环控制结构可以控制天然采光静态计算软件对多个采光场景进行连续的计算。采用这一方法，天然采光静态计算软件的扩展性应能够让脚本进行以下的基本控制:

1)设置计算的时间与日期;

2)设置天空类型;

3)读取计算结果。

2.3 流程分析

根据脚本控制机制的分析，可以绘制出基于脚本控制的天然采光动态计算流程图如图1所示。流程的第一步是完成采光计算场景的建模，通常包括拟计算房间的地面、墙壁、天花、家具等构件的几何模型。流程的第二步是对计算场景进行定义，包括场景内各物体表面的可见光反射比、透明物体的可见光透射比、天空类型、计算的日期和时间等参数。流程的第三步是根据场景模型及场景定义进行天然采光计算或渲染。流程的第四步是在天然采光渲染或计算结束后，输出单次天然采光计算的结果。流程的第五步是进行循环控制判断，判断天然采光计算软件是否需要进入下一采光场景的计算，若需要则重复流程的第二至第四步，若不需要则进入流程的第六步。在循环控制中，通过循环的初值、终值以及步长对计算时间区间进行离散。流程的第六步是数据处理，即对每一场景计算中输出的计算结果根据需要进行运算或统计处理。流程的第七步是根据数据处理的结果，输出天然采光动态计算的结果。

图1 基于脚本控制的天然采光动态计算流程图Fig.1 Daylighting dynamic calculation process based on Script Control

3 软件工具与计算实现

3.1 脚本工具及天然采光计算软件

根据方法研究，基于脚本控制的天然采光动态计算方法要求天然采光计算软件应具备较好的可扩展性，以便利用脚本对天然采光计算软件进行控制。在常用的天然采光静态计算软件中，Radiance计算精度高，扩展性强，因此选择该软件用于基于脚本控制的天然采光动态计算方法的实现［6］。Ecotect软件是美国Autodesk公司开发的综合建筑性能模拟软件，该软件提供了良好的接口将模型和场景定义参数输出为Radiance场景文件，供Radiance进行渲染和计算。而且，Ecotect软件提供了一个基于Lua语言的脚本工具，该脚本工具能利用命令对Ecotect做全面的控制，且脚本语法符合Lua语言语法规则，并能实现Lua语言的基本功能。Ecotect能够快速地进行采光场景的建模及场景定义，其与Radiance的接口能够灵活地调用Radiance进行天然采光静态计算，因此选择Ecotect软件的脚本工具作为实现天然采光动态计算控制的脚本工具。

3.2 主要脚本语句介绍

通过Ecotect的脚本工具控制Radiance进行天然采光动态计算，涉及到一系列的命令及参数设置，下面对脚本编写中主要的采光场景参数设置命令及运行控制命令进行介绍［7］。Ecotect软件的脚本命令在不同版本中会有一些差异，因此除非特别说明，下面介绍的命令适用于Autodesk Ecotect Analysis 2011版本。

1)场景日期及时间设置命令。set(“date”，day，month，［time］)命令用于设置场景的日期及时间，day为取值 ［1，31］的整数，month为取值［1，12］的整数。time为可选参数，用于设定时间，为取值 ［0.0，23.99］的小数。需要注意的是，在Autodesk Ecotect Analysis 2010版本中，该命令为 set( “model.date”，day，month，［time］)。

2)天空类型设置命令。set(“radiance.sky”，skytype)命令用于设置天然采光计算时的天空类型，skytype为取值［0，6］的整数，分别对应“No sky”，“Sunny with sun”，“Sunny without sun”，“Intermediate with sun”， “Intermediate no sun”， “Overcast sky”，“Uniform sky”。

3)模型细节设置命令。set(“radiance.detail”，detail)命令用于设定天然采光计算中模型的精细程度，detail为取值 ［0，2］的整数，分别对应模型的精细程度等级为“Low”、“Medium”、“High”。

4) 图像类型设置命令。set(“radiance.imagetype”，type)命令用于设置Radiance渲染计算的图像类型，type为取值［0，3］的整数，分别对应的图像类型为“Luminance(cd m2)”、“Illuminance(Lux)”、“Daylight Factor(%)”、“Sky Component(%)”。

5) 反射次数设置命令。set(“radiance.reflections”，bounces)命令用于设置光线追踪计算时，投射到每个采样点的光线在场景物体表面上的反射次数。bounces为取值 ［0，12］的整数，数值越高计算的光线反射次数越多，计算时间越长。

6)分析点设置命令。set(“radiance.pointdata”，type)命令用于设置Ecotect环境中哪些分析点需要在Radiance中进行分析，type为取值［－1，3］的整数，分别对应 “No point data generated”、 “Current 2D analysis grid”、 “Current 3D analysis grid”、“Objects tagged as shaded”、“Currently selected objects”。

7)For语句［8］［9］。For语句是 Ecotect脚本工具中Lua语言的一种循环控制结构，其语法为:For counter=start，end，［step］do block end。counter为计数器变量;start为计数器初值;end为计数器终值;step为可选参数，为counter的步长;block为一条或多条语句，它们将被执行指定的次数。

3.3 Ecotect脚本流程分析

根据对天然采光动态计算方法的的研究和Ecotect软件及其天然采光的主要脚本语句介绍，可以编制控制Radiance进行天然采光动态计算的Ecotect脚本，该Ecotect脚本的流程如图2所示。图2在说明Ecotect脚本编制流程的同时给出了每一步骤要调用的Ecotect命令。天然采光动态计算中的多场景计算和拟计算时间区间的离散，通过Ecotect脚本工具中Lua语言的For语句实现，也可以采用while语句、repeat语句等循环控制结构实现。推荐采用For语句这类循环次数确定的循环控制结构，以保证脚本运行的稳定性。

图2 采用Ecotect实现天然采光动态计算的脚本流程图Fig.2 Script Control process of daylighting dynamic calculation using Ecotect

4 案例研究

在天然采光动态模拟计算的案例研究中，将采用一个矩形平面的教室做为研究对象，研究其能否满足LEED 2009 NC中IEQ 8.1项对天然采光的要求［10］，并对其逐时室内照度进行评价。LEED 2009 NC中IEQ 8.1项要求室内常用空间在晴天空条件下，9月21日上午9时和下午3时，室内常用空间获得最小110lx，最大5400lx的天然光照度水平。

4.1 模型概况

拟研究案例位于广西南宁市，地理坐标为北纬22.6度，东经108.2度。该教室的朝向为正南北向，教室的面宽为8.4m，进深7.2m，高3.6m。其南向外墙上开有两扇2.7m×2.2m的外窗，窗间墙为0.8m。教室位于一层且不考虑室外遮挡。该教室的平面、立面及Ecotect模型透视图如图3所示。根据该教室的几何尺寸及窗户尺寸进行面积计算，教室窗面积为11.88m2，地面积为60.48m2，窗地面积比为19.64%。

图3 分析案例的平面、立面及模型透视图Fig.3 Plane，elevation and model perspective graph of the analysis samples

4.2 参数设置

模拟计算中采用的气象数据为Energyplus气象数据库中南宁市的气象数据Nanning_CSWD［11］。模型中，教室地面可见光反射比为0.30，墙体及顶棚的可见光反射比为0.70，门板的可见光反射比为0.40。教室外窗采用Low-E中空玻璃窗，可见光透射比为0.55。由于窗玻璃的面积远大于窗框面积，模拟分析模型中对窗框进行了简化。为了比较精确的评价常用空间中天然光照度的满足情况，本研究中采用0.5m×0.5m的网格布置计算分析点，同时限定计算分析点与墙体内表面的最近距离为0.5m。

在天然采光动态计算脚本的编制中，分析点设置命令set(“radiance.pointdata”，type)的 type取值为0;模型细节设置命令 set(“radiance.detail”，detail)的detail取值为2;图像类型设置命令set(“radiance.imagetype”，type)的type取值为1;反射次数设置命令 set(“radiance.reflections”，bounces)的 bounces取值为5。LEED 2009 NC中针对9月21日晴天空条件下的室内天然采光状况提出了要求，因此，天空类型设置命令 set(“radiance.sky”，skytype)的 skytype取值为2［12］［13］。计算时间的变化通过 For语句中的循环控制计数器和场景日期时间设置命令共同控制，计算的起始时间为9月21日9:00，终止时间为9月21日15:00，步长为1h，共计算7个天然采光静态场景。

4.3 计算结果

根据计算，对计算结果统计了7个计算场景中照度的最大值，最小值，平均值，采光均匀度以及房间内208个计算点中照度值(lx)在［110，5400］区间内的计算分析点数占计算分析点总数的比例分数。对各时间点照度最大值、最小值和平均值进行数据绘图，如图4所示。计算结果显示，研究案例的教室中，在9月21日9时～15时晴天空条件下，室内照度的最大值、最小值和平均值的峰值均出现在13时。计算时段的7个时间点中，各时间点照度最小值均大于110lx，照度最大值均小于5400lx，照度的平均值在671.93lx～1006.27lx之间。

对研究案例在计算条件下的照度均匀度以及室内各计算点照度值满足LEED 2009 NC中采光照度要求的比例分数进行数据绘图，如图5所示。计算结果显示，在计算时段的7个时间点中，照度均匀度在0.41～0.44之间。该教室不仅在9月21日9时和15时这两个时刻的晴天空条件下，100%常用空间满足LEED 2009 NC中规定的照度值要求，而且在规定日期的9时～15时整个时段内以1小时间隔进行模拟分析，其常用空间也100%满足LEED 2009 NC规定的照度值要求，该教室室内天然采光状况良好。

图4 逐时照度指标折线图Fig.4 Hourly illuminance index line graph

图5 照度均匀度及照度值满足LEED2009NC比例分数折线图Fig.5 Line graph of the illumination evenness and illuminance satiesfying LEED2009NC proportion fraction

5 总结与讨论

通过对天然采光静态计算和动态计算的差异分析，研究了天然采光动态计算的脚本控制机制和脚本编制流程。利用建筑性能化分析软件Ecotect及其脚本工具给出了脚本控制的天然采光动态计算的一种具体实现方式。通过案例的研究，该天然采光动态计算实现方法能够良好地完成天然采光动态计算。

在该天然采光动态计算方法的研究过程中发现，基于脚本控制的天然采光动态计算方法的软件实现上，可做以下的进一步研究:

(1)基于Ecotect脚本控制的Radiance天然采光动态计算的实现中，利用Ecotect的天空类型脚本命令仅能给出有限的天空类型，其基本满足天然采光计算中对天空类型的需求。然而，常用的气象数据中并未包含光气候的测量结果，造成无法获得逐时天空类型数据用于全年的天然采光动态计算。因此，如何获得逐时天空类型数据有待进一步研究。

(2)Radiance是一个可扩展性很高的天然采光计算软件，文章中仅给出了利用Ecotect脚本工具的天然采光动态计算实现方法，可研究其他的脚本工具应用于天然采光动态计算，以丰富和拓展基于脚本控制的天然采光动态计算方法的具体实现方式。

［1］云朋.建筑光环境模拟［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［2］刘昆明.全年动态模拟软件DAYSIM在天然采光设计中的适用性研究［D］.南京:南京大学建筑与城市规划学院，2011.

［3］吴蔚，刘坤鹏.全年动态天然采光模拟软件DAYSIM［J］.照明工程学报，2012，23(3):30 ～34.

［4］罗涛，林若慈，王书晓.天然光导光系统分类及全年采光动态模拟［J］.建筑科学，2007，23(6):4～8.

［5］王洪珍.基于地域性光气候的建筑采光模拟研究［D］.天津:天津大学建筑学院，2011.

［6］Cindy Larson.Radiance User's Manual［OL］.http: radsite.lbl.gov radiance refer usman1.pdf

［7］Autodesk Ecotect Analysis 2011.

［8］Roberto Ierusalimschy， Luiz Henrique de Figueiredo，Waldemar Celes.Reference Manual of the Programming Language Lua 4.0［OL］.http: www.lua.org manual 4.0 manual.html

［9］Roberto Ierusalimschy.Programming in Lua［M］.Lua.org，2013.

［10］U.S.Green Building Council.LEED Reference Guides for Green Building Design＆ Construction［M］.U.S.Green Building Council，2009.

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［12］ISO 15469—2004.Spatial distribution of daylight-CIE standard general sky［S］.

［13］何荥，杨春宇.CIE天空亮度分布新标准［J］.照明工程学报，2007，18(2):1～4.