全年动态光模拟软件DAYSIM在传统园林建筑中的应用研究

吴 蔚，石延安

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093)

全年动态光模拟软件DAYSIM在传统园林建筑中的应用研究

吴 蔚，石延安

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093)

基于传统建筑技术和文化的双重影响，中国园林建筑内的天然光环境独具特色，值得深究。然而受时间、经费及相关管理部门等的各种条件限制，实地测量所得到的数据有限，往往仅能代表所测气候情况下的建筑光环境特征。近些年开始广泛应用的天然采光模拟软件DAYSIM，可以根据当地的气候数据来动态模拟全年采光情况,但如何利用DAYSIM来模拟中国传统园林建筑却面临着很多困难和问题。本文以苏州古典园林中具有代表性网师园小山丛桂轩为研究对象，尝试利用DAYSIM还原和分析其全年光环境，并探讨利用先进的计算机天然光模拟技术在传统园林建筑光环境研究中的有效性和可行性。

苏州园林建筑; 天然采光；计算机模拟；DAYSIM

引言

受中国传统建筑技术和人文文化的双重影响，中国传统园林建筑的室内天然光环境独具特色，值得研究。然而受时间、经费和相关管理部门的多种限制，实地测量所获得的数据往往有限且不够全面，有时候仅能代表所测量时间和特定气象情况下的室内光环境特征。而真实的室内天然采光是随着时间、天气的变化处于动态的变化过程中，某一个时刻或者某一天的采光情况并不一定能真实有效地反映天然光随时间变化而变化的情况。

先进的计算机光模拟技术因其方便快捷，节省资源，在天然采光研究和设计上发挥着越来越重要的作用[1]。尤其是近些年开发出来的全年动态光模拟软件DAYSIM，它以传统的天然光模拟软件Radiance为基础，可以根据气象资料模拟全年动态光环境，包括评估传统的天然采光系数，以及一些新的采光参数，如天然光自主参数(Daylight autonomy)和有效天然采光照度(Useful daylight illuminance)[2]。尽管DAYSIM本身并不提供建立模型的功能，但它为多个较常用的CAD软件如Autodesk-ECOTECT、Rhinoceros(犀牛)和Google Sketch Up提供转接插口，因而受到广大研究人员的喜爱[3-5]。

尽管DAYSIM已经被验证可以较为准确的模拟现代办公建筑[6]，但对于模拟中国传统园林建筑，还存在以下几个问题和难点：

1)中国传统园林建筑周边环境复杂，花草树木、假山、廊道、粉墙等环绕周围。笔者在实地调研和测量里发现，由于花草树木、假山和建筑物等的遮挡，苏州园林庭院里的光照强度往往是室外无遮挡处的一半。中国园林追求光影变化，其中粉墙即白色高墙是我国传统园林中重要的造园手法, 它不仅分隔了空间, 还是造园大师的画纸,即所谓的“弄影粉墙”。[7]然而这些白色高墙的反射光往往对园林建筑室内光环境有较大影响。如何准确有效地模拟这些复杂的室外遮挡物，一直是计算机天然光模拟技术所面临的问题之一。

2)受中国传统建筑技术影响，园林建筑结构形式及室内界面复杂，如不同的屋顶制式、斗拱、挑檐或檐廊(有柱或无柱)等都对会对室内光环境产生影响。以网师园小山丛桂轩为例，其东、南、西三个方向的檐廊宽1.3 m，北面的挑檐也为1.15 m左右，而室内为斜屋顶，天花用轩，深色的轩、梁枋、斗拱等只能提供较少的反射光。因而轩内很少有直射阳光，其光线主要由室外遮挡物透射出的漫射光和室内外周围的反射光组成。如何准确模拟这种与现代建筑不同的室内光线组成和流动方向，是计算机光模拟技术所面临的问题。

3)传统中国园林建筑中的采光口，其花样复杂的漏雕门窗无疑对室内采光起着一定的影响。但这些复杂采光口也为计算机光模拟技术提出了一个问题，即数字模型的精度、模拟准确度及模拟时间之间的关系。先进的三维建模软件已经可以较为准确地建立复杂的门窗模型，但建立复杂的数字模型不仅需要较长的建模时间，更大大地延长了模拟计算时间，对于变化幅度大的天然采光而言，是否需要建立这些复杂采光口或如何能够有效地简化它们值得探讨。

综上所述，如何利用先进的计算机光模拟技术来研究中国传统园林建筑中的光环境还存在着不少问题和疑问，因而有必要进行进一步的深入研究。

1 小山丛桂轩建模及参数设定

网师园为苏州四大名园之一，始建于宋朝，是我国江南中小型古典园林的代表作品。小山丛桂轩是网师园内的主要花厅之一，为乾隆末年(公元1795元)太仓富商瞿远村买下网师园后增建，其形制为四面厅，轩内四周均为漏雕门窗，东、南、西侧有檐廊。轩周围有假山、树木、粉墙等经典江南园林景观。有关小山丛桂轩建筑图纸和基地周围环境介绍详见潘谷西、刘先觉先生编著的《江南园林图录》[8]。

笔者选取Ecotect建立小山丛桂轩的三维数字模型。Ecotect被选取的原因是该软件同时具有Radiance和DAYSIM转接平台，可以同时进行天然光模型的准确性和应用性研究。尽管Sketchup和Rhino这两款专业的三维建模软件可以较容易建立复杂的三维模型，但仅有DAYSIM转接插口，较难根据实地测量结果进行验证性研究。

由于模型的复杂程度直接关系着模拟运算时间和精度，根据笔者以往的经验，在初次建模时，对数字模型进行了一定程度的简化，主要是在保证檐廊和挑檐的长度、高度与原屋顶一致的情况下对屋顶进行了简化，漏雕门窗简化成简单的采光口，未考虑木质窗棂的遮挡。四周环境先是建立了建筑周边的高墙、连廊及假山等不变的物理遮挡物，三维模型都里都按照真实的尺寸进行简化处理。小山丛桂轩周边的树木，由于较难测量和模拟，因此在初次建模时并没有建立。

初次建模后，笔者按照在小山丛桂轩实地测量的数据在Ecotect里进行材质设定，材料的光物理参数详见表1。小山丛桂轩的玻璃为单层透明无色玻璃，玻璃透射率则根据实测数据设定为0.80。由于小山丛桂轩室内面积较小，为了提高模拟的精确度，选择的模拟网格尺寸设置为100 mm×100 mm，距地0.8 m。

笔者选取2014年3月下旬两个晴天和一个全阴天对小山丛桂轩进行了实地测量。测量时间为9:00—15:00，每隔一小时记录一次测量数据，全天记录共7个小时的测量记录，小山丛桂轩平面图、测点分布及编号如图1所示。

图1 小山丛桂轩平面图及室内外测点分布图(自绘)Fig.1 Floor plan of Xiaoshan Chonggui Hall and illuminance measuring positions

室内室外地面墙围天花(暗红色)梁柱及花窗木质家具黄石假山白色高墙0.30.270.090.050.060.160.80

2 计算机光模拟模型验证及调整

计算机光模拟研究分为两步：首先是验证性研究，根据实测时的气象条件和时间在Radiance进行光模拟，将实地测量数据与模拟值互相对比，根据实测数据对三维模型及相关参数进行反复调整和验证；其次是应用性研究，在确保Radiance光环境模拟相对准确的情况下，再利用全年动态光模拟软件DAYSIM对调整后的模型进行全年光环境模拟。

图2是9:00—15:00时间段内，实地测量的室内平均照度值与调整前、后模型的Radiance模拟值的比较曲线。从图2可以看出即使是调整前的数字模型，在9:00—15:00时段内其变化趋势与实测值是一致的，这说明该数字模型本身较为准确。但图2也显示出初次建模所模拟出来的室内照度值远高于实测值。造成计算机模拟结果与实测数据有较大差异的原因很多，除一些较客观的原因如实测时测量数据的误差、Radiance所用的理想天空模型与真实的天空状况不同外，本次研究有两个较为明显的主观原因：①初次建模时没有考虑树木对光线的遮挡。图3所示的是实测值与模型修改前后的Radiance模拟的误差百分比值。可以看出在模型修改前，其实测值与模拟值的误差百分比的均值为641%，模拟误差较小的在轩北侧的3个测点7～9。对比实测和数字模型，可以发现因轩北侧树木较少，仅有大片的假山，这是在初次建模考虑范围内。同理，测点2也就是靠近大门处的较为开阔、树木较少的测点，因而较为接近测量值。由此可见，树木的遮挡必须考虑到建模范围内。②初次建模时过分简化采光口，未考虑漏雕门窗的影响；而笔者在实地调研中注意到窗棂对光的遮挡较为明显，因而有必要在模型调整中加以考虑。

针对上述两个问题，笔者首先根据当地树木的实际情况，在数字模型中增添了垂直遮挡物，在有浓密树木环境下，还适当增加水平遮挡物。因树木不仅有遮挡作用，还具有一定的透光度，笔者首先尝试将其材质设置成半透明体，但却发现原因不明的模拟误差。在多次尝试后，决定将树木设置为反射率为0.13的非透明体，利用降低采光口透光率的方法来模拟树木的遮挡和投射。而漏雕门窗对光影响方面，笔者曾尝试建立较详细的窗棂模型，却因计算机运算能力的限制，不得不放弃，最后采用修改采光口玻璃材质来解决窗棂遮光影响。经过与实测值的反复对比和调试后，将玻璃的材质设置为毛玻璃，透光率由原先的0.80调整为0.28。图4为调整后的小山丛桂轩数字模型。

比较调整后模型的模拟值与实测值，9:00—15:00时间段内的室内平均照度变化趋势大致相同(图2)，唯一不同的地方是模拟平均值在15:00时呈上升趋势。这是因为这时有直射光线进入室内，但笔者在实测时避开了直射阳光。模型调整后，室内各测点从9:00—15:00的实测照度平均值与模拟值的平均误差值为15%，尽管有个别测点误差值较高，但考虑到天然光变化幅度大这一特性，基本上是在可接受的范围内。

图2 小山丛桂轩从9:00—15:00实测的室内平均照度值与计算机模型调整前、后的模拟值Fig.2 Interior on-site measured and simulated mean illuminance levels from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall

图3 小山丛桂轩9:00—15:00时间段内室内各测点实测的平均照度值与模型调整前后模拟值的误差百分比Fig.3 Percentage error of on-site measurements at different measuring points from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall and mean illuminance levels simulated by original and adjusted models

图4 小山丛桂轩最终的数字模型Fig.4 Final digital model of Xiaoshan Chonggui Hall

为了再次验证调整后数字模型的可靠性，笔者另外选取了一个全阴天的实地测量结果与调整后的模型进行了天然采光系数(Daylight Factor)的比较，发现全阴天空下调整后模型的模拟值更接近实测值，室内平均天然光系数的模拟值为1.4%，仅略高于实测值(1.3%)。而比较小山丛桂轩各测点实测的采光系数与模拟值，实测的各测点天然采光系数变化幅度相较于模拟值大，但基本较为吻合。由此可见，调整后的模型已经可以较为准确地模拟天然光环境，因此可以进行全年动态天然光环境模拟研究。

3 DAYSIM全年天然动态光环境模拟

全年动态光模拟软件DAYSIM可以模拟全年的天然采光系数(Daylight Factor，以下简称DF)、DA (Daylight autonomy，天然光自主参数)、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)这三个天然采光评价指标。其中DA和UDI是两个较新的天然采光评价标准，也更能精确的描述室内天然光环境，有关这两个标准的详细介绍参见《浅析可取代采光系数的新天然采光评价参数》[2]。

利用上述已经经过验证的数字模型，其它相关材质参数和气象参数设定不变。DAYSIM内的参数是按其所推荐的设置，最主要的几个参数设置如下：ambient bounces设为5，ambient divisions设为1000，ambient accuracy设为0.1，direct sampling设为0.2，direct relays设为2。

小山丛桂轩的全年动态光环境模拟结果如下：

1)图5是DAYSIM所模拟的小山丛桂轩内的天然采光系数，其值仅为1.37%，可以看出相较于Radiance天然采光系数模拟结果(1.4%)，DAYSIM模拟结果更接近于实测值(1.3%)。这表明在其室内天然采光照度值较低，室内光线偏向于柔和阴暗。

2)DAYSIM软件模拟中(见图6(a))，小山丛桂轩内的天然光自主参数值(DA_300lx)范围为11%～51%，DA_300lx均值为34.3%。这说明在全年的工作时间(9:00—17:00)内，室内能利用天然采光达到300lx的时间平均达到全年工作时间的34.3%，即超过三分之一的日照时间可以达到300lx的照度值。

图5 小山丛桂轩DAYSIM的DF模拟结果Fig.5 DAYSIM simulation results of DF

图6 小山丛桂轩DAYSIM模拟结果：DA(a)及UDI_100_2000(b)Fig.6 DAYSIM simulation results of DA_300lx(a) and UDI_100_2000 (b) in Xiaoshan Chonggui Hall

3)如图6(b)显示小山丛桂轩内的UDI_100_2000模拟值为82.6%，这个模拟值是指一年中在工作面上的天然光在100～2 000lx范围内有效照度的数据。由此看出虽然小山丛桂轩内的平均照度值并不高，但八成以上是在有效照度范围内。此外，模拟结果还显示平均照度低于100lx的时间占全年有效计算时间的16.9%，超过2 000lx标准的有效时间为0.1%。这说明尽管小山丛桂轩四个立面均为通透的玻璃花窗，但四周的檐廊、挑檐、假山、和常青树木的遮挡了大部分直射光线。但由于采光口面积大，房间面积相对较小，仍有大量漫射光和反射光进入室内，因此室内有较为充足的光线。

笔者的实地调查和测量也再次印证上述计算机光模拟结果。通过DAYSIM还原的所测厅堂建筑的全年光环境状况，可以看出即使是在传统园林建筑中以通透著称的四面厅，其全年室内光环境都是以阴翳为基调，和“暗”有着割不断的联系，这正是与我国传统文化与建造技术共同作用的结果。

4 结语

本文选择苏州园林建筑中具有代表性的四面厅堂建筑——苏州网师园小山丛桂轩为研究对象，尝试利用先进的计算机光模拟软件DAYSIM来还原和分析所测厅堂建筑的全年光环境状况,并着重探讨和总结了在模拟中所遇到的问题和困难。

本次研究揭示出园林建筑周围复杂的自然和人工环境、传统的建筑结构形式及繁复的室内界面，加之风格多样的漏雕门窗等，都对计算机天然光模拟的准确性提出了挑战。而要想达到较为精准的光模拟结果，则是需要配合实地测量结果，进行反复的调整和验证。因此，利用计算机光模拟技术来研究和设计环境较为复杂的传统园林建筑时，应该慎重使用

尽管DAYSIM所模拟出来的结果再次证实了我国传统园林建筑室内天然光环境的独特性，但需要指出的是计算机所模拟出来的客观结果并不能代替主观感受，特别是在深受道家思想影响，讲究“道法自然”，追求意境的中国园林中。如小山丛桂轩庭院中的“少阳”环境，檐廊内丰富的光影变化，及室外—檐廊—室内所形成的“白—灰—黑”的多层次光环境，都有效地调节和丰富了室内阴暗柔和的光环境，而四处通透的以景为框的雕花棂窗，更叫人感觉到室内阴而不暗，舒适平和的氛围。笔者认为要体验和设计这种不同于现代建筑的丰富而独特的天然光环境，需要研究和设计人员从实地出发，以实地调研为主，再配合先进的计算机光模拟技术，才能达到比较满意的效果。

[1] 罗涛，王书晓，林若慈，天然光光环境模拟技术综述[J].照明工程学报, 2010, 21(5):1-6.

[2] 吴蔚，刘坤鹏，浅析可取代采光系数的新天然采光评价参数[J].照明工程学报, 2012, 23(2):1-7.

[3] 吴基，孟庆林，张磊，等,广州某典型办公楼垂直百叶遮阳的综合节能分析[J]. 建筑科学, 2009(2)：79-82.

[4] REINHART Hristoph, MARDALJEVIC J., ROGERS Z. Dynamic Daylight Performance Metrics for Sustainable Building Design[J]. LEUKOS, 2006, 3(1):1-20.

[5] NABIL Azza, MARDALJEVIC John. Useful daylight illuminances: A replacement for daylight factors[J]. Energy and Buildings, 2006(38):905-913.

[6] 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.

[7] 黄常华.光与中国传统建筑[J].福建建筑, 2005，92(2):67-72.

[8] 刘先觉, 潘谷西. 江南园林图录:庭院·景观建筑[M].第1版.南京：东南大学出版社, 2007.

An Application of Annual Dynamic Daylighting Simulation Software DAYSIM to Study Traditional Landscape Architecture in Suzhou Classical Gardens

WU Wei, SHI Yanan

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Based on impacts of Chinese traditional building technology and culture, daylighting in landscape architecture of Suzhou classical gardens is very unique and worth studying. However, due to time, economic and other facts, the data collected on the field is limited. It may represent certain interior daylighting environments under the measured sky condition only. Annual dynamic daylight software DAYSIM which based on a weather climate file is widely used in recently years. This study applied DAYSIM to study daylighting in Xiaoshan Chonggui Hall, which is one of the main landscape architectures in Suzhou classical gardens. This paper analyzes problems and difficulties for applying DAYSIM to study daylighting in this four-sides Hall, and explores the possibility of using advanced daylighting software to study Chinese traditional landscape architectures.

landscape architecture of suzhou；daylighting; computer simulation; DAYSIM

TU13.5

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.009