计算机天然采光模拟插件在树木遮挡空间的应用研究

吴 蔚，汤 晋

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

引言

建筑物四周被树木环绕是一种常见现象，这些树木或多或少都会对建筑物中低层的室内采光产生一定影响[1,2]。然而，由于树木的形状复杂并且会随着时间、季节的变化而变化，因此很难建立出一个较精确的数字模型。同时，树木材质也不是匀质的，每片叶子既是透射面也是反射面，并且互相影响。这一切都对现今计算机光模拟软件的模拟能力，以及计算机本身的运算能力造成极大的挑战。

随着计算机光模拟技术的不断发展，一些基于计算机辅助建筑设计(Computer Aided Architectural Design, CAAD)的天然采光模拟插件，如Sefaira、 DIVA、 Honeybee，以及我国自主开发的绿建斯维尔等不断地被开发出来。由于这些插件依附在辅助建筑设计软件中，被建筑设计人员所熟知和广泛使用，因此这类插件已成为计算机光模拟软件的主要发展趋势之一[3]。本次研究选择了两款近些年来表现较为突出的计算机天然光模拟插件DIVA和Honeybee，用以模拟研究被树木遮挡房间的天然光环境，选择这两款插件的主要原因是：

1)DIVA和Honeybee均是基于建筑师较为常用，且发展较为完善的建筑辅助设计软件Rhino上的光模拟插件，且操作性相对优化；

2)具有较为完整的采光模拟功能，包括材料参数，天空模型以及精度参数等完整的输入条件，以及包括照度值、采光系数、Daylight Autonomy以及Useful Daylight Illuminance等完整的输出指标。

3)这两款软件目前在在光学研究或实际项目都有较为广泛的应用，且已被验证能较精确的模拟室内天然采光[4,5]。

本研究以一个真实的被树木遮挡空间为研究对象，通过实地测量和比较分析，从静态和全年动态天然光模拟两方面探讨这两款插件在树木遮挡空间的适用性和可靠性，总结树木在数字化建模时的简化原则、以及在模拟时所遇到的问题和困难，并提供一些优化模拟建议。

1 实地测量

本文选择南京某大学一栋建于1995年的传统多层办公建筑作为研究对象，该建筑采光方式为侧采光形式，除树木外，四周遮挡物较少。为避免地面反射和室外其他遮挡物的干扰，一间位于二楼东侧顶端的办公用房被选择为实验用房，该房间的南北两侧的采光口皆受树木遮挡，图1、图2分别为被测房间的室内外照片。

图1 从左到右分别显示被测房间的顶侧、南侧、北侧的树木遮挡情况Fig.1 From left to right: view from the sample room looking toward ground, looking toward building south façade, view of north façade

图2 从左到右显示被测房间的东侧、南侧、被测的室内鱼眼照片Fig.2 From left to right: east, south and north interior fish-eye views of the sample room

表1 被测房间室内各表面的实测光学参数

被测房间面宽14 m、进深13.6 m、层高3.5 m，室内天花与墙面均采用白色涂料粉刷，地面材料为灰色水磨石，室内布置有桌椅，但无办公隔断，表1为实测所得的室内各面的反射率。室内南北侧各有4扇2.4 m×1.8 m的窗户，窗台高度为0.88 m，窗框为白色钢材，玻璃为双层中空普通白玻璃，较为肮脏，因此透射率仅为0.57。房间东侧有一个玻璃门和小阳台。

图3、图4分别为实验用房的平、剖面图及测点位置。室内共设12个测点。所有测点距地高0.75 m。 测量时间选择为2019年5月5日—8日四个晴天和2019年1月8日、3月18日以及3月21日三个全阴天进行。为避免直射阳光影响，测量选择从10:30—13:00，每隔半个小时测量一次，测量采用两个手持式照度计，以便互相校准。室外照度则是在该建筑屋顶距地1 m处测量。从实测可以看出，测点2、4、11和12受到树木遮挡影响较大，其照度值变化范围相对稳定。然而，我们也在实测中注意到树冠会受到风力的影响而改变位置，即便尽量保证在树木相对静止时进行测量，对测点照度值仍会产生一定影响。

图3 被测房间的平面及测点位置图Fig.3 Floor Plan and the floor plan for measuring position of the sample room

图4 被测房间剖面及测点位置图Fig.4 Floor plan and measuring points for the sample room

2 静态采光模拟分析

对树木遮挡空间进行采光模拟，其难点在于如何在室外建立树木模型。直接建立真实树木模型是不现实的，一方面树木本身很难准确测量，更不要提建立精确的数字模型；另一方面是树木材质复杂，且互相影响。我们在对传统园林建筑的计算机采光模拟研究中，尝试通过在采光口前建立垂直遮挡物模拟树木遮挡，当树木较为茂密时则可以添加水平遮挡物的方法，来简化树木模型。由于树木遮挡会出现漫反射，漫透射以及直接透射三种情况，因此将其设置为半透明材质[6]。

在本次模拟研究中，研究小组采用了同样的方式，根据树木实际遮挡的面积和茂密程度，建立垂直和水平遮挡物，并将实际测量和模拟相互比较，通过对遮挡物的多次调整后，最后确定的材料参数设置以及遮挡物位置。由于Honeybee与DIVA在建模方面都是依托建模软件Rhino，因此本次研究的所有三维数字模型都是在Rhino建模，但Honeybee需要使用Rhino的grasshopper插件才可以进行模拟。

图5为本次研究所采用的三维模型文件和室外树木的光学参数设定。由于计算机采光软件的模拟精度通常会对电脑的运算时间产生较大影响，因此要在二者之间取得一定平衡。在本次研究中，DIVA精度设置为：-ab 5-aa 0.1-ad 512-as 256-ar 256。Honeybee可设置的精度参数仅有两个，设置为-ab 5-aa 0.1，尽量与DIVA保持一致。

图5 被测房间三维数字模拟模型和树木的光学参数设定Fig.5 3D simulation model and Optical parameter setting of trees

图6和图7分别为在全阴天和晴天状态下被测房间各个测点的模拟值和实测值，及其模拟值和实测值之间的相对误差。其中全阴天中模拟和实测值采用的是天然采光系数值，而晴天则使用的真实照度值。可以看出在建立室外半透明材质的遮挡物之后，绝大部分测点的模拟和实测的相对误差值均在20%之内，由此可知DIVA和Honeybee较为准确地模拟树木遮挡空间的天然采光环境。此外，研究小组也注意到在晴天天空下，计算机模拟与实测的相对误差率会随着时间变化而变化较大。这是因为模拟中采用匀质半透明材料来替代树木遮挡，这导致光线会均匀地射入室内。而实际上当天然光穿过树木时，特别是有直射阳光的情况下，情况会变得比较复杂，并不是会均匀的进入室内。这也是造成在晴天条件下，测点7的Honeybee模拟照度值与实测的相对误差值是25%的主要原因。

图7 比较晴天条件下被测房间各个测点的平均照度实测照度值与DIVA和Honeybee模拟值，以及实测值与模拟值的相对误差Fig.7 A comparison of measured and simulated illuminance and their relative errors in the sample room under clear sky

本次模拟研究也再次证明在模拟树木时，无需建立复杂的三维树木模型，可以将树木简化处理为半透明材质的垂直或水平几何遮挡片。对于如何预估几何遮挡体，我们有以下几点建议：①可以通过在室内拍摄垂直于窗口的影像来确定垂直遮挡片的大小和范围。②如果树木明显高过窗口位置，且在室内无法观察到天空，则一般需要设置水平遮挡片。其大小和宽度则需要根据树木实际遮挡位置确定。③模拟树木几何遮挡片的透射度可根据实测有遮挡和无遮挡处的室内照度值进行简单计算所得。当然，要想使模拟树木的遮挡几何体更为准确，还需要在模拟后通过与实测进行对比调整才行。

Spark框架的批处理模式只在将数据读入内存和将最终结果持久存储时需与存储层交互,其他所有中间态的处理结果均存储在内存中,效率非常高。

此外，对于一些不能建立或调整室外插件的光模拟软件，如绿建斯维尔无法建立室外遮挡物，或者Ecotect本身自带的光模拟模块，仅是简单地将采光口视作光源，就会无法模拟树木遮挡空间的天然采光。

3 全年动态采光模拟分析

由于太阳高度角和方位角会随着时间产生变化，天空的云量和云状也会随着天气产生变化，真实的天然采光会一直处于动态的变化过程，因此为了反映真实的室内天然采光环境，需要对全年动态采光环境进行模拟。目前应用较为广泛且准确性较高的全年动态采光模拟软件Daysim软件，已经被证明在南京地区具有较好的适用性和可行性[7]。因此在难以进行收集全年实测数据的情况下，研究小组采用该软件的全年采光系数、Daylight Autonomy(天然光自主参数，DA)和Useful Daylight Illuminance(有效天然采光照度，UDI)的模拟结果，作为参考标准验证DIVA和Honeybee两款插件在全年动态采光模拟的可行性。

为解决全年动态采光模拟时所遇到的不同问题，文献[8]中开发了Radiance矩阵二相法、三相法和五相法采光模拟方式。三相法是在二相法的基础上增加了窗口矩阵，用于解决复杂或者动态采光口带来的问题，其后的五相法则是在三相法的基础上增加了太阳位置矩阵，用于更加准确地模拟太阳直射光线在全年的变化，文献[9]中证实了五相法的准确性。而Honeybee的拓展程序Honeybee[+]采用二相法、三相法和五相法作为全年动态采光模拟内核，因此在模拟全年动态天然光时，本研究不仅分析了DIVA和Honeybee，还增加了Honeybee[+]的模拟分析。

Daysim、DIVA、Honeybee和 Honeybee[+]皆采用静态天然光模拟所用的Rhino模型。Daysim中的材料参数编辑与DIVA相同，为了减少精度参数对不同软件的模拟结果影响，所有四款软件的主要参数设置均相同，其余参数保持Daysim默认推荐的设置不变。所采用的全年气象参数也均使用的是美国能源部下载的南京市典型气象年参数(China Standard Weather Data)。此外，模拟实验都使用的时间步长为1 h。

图8是Daysim与DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年动态天然光系数比较值。从图8可以看出，DIVA和Honeybee[+]在被测房间各测点的平均天然采光系数模拟值与Daysim模拟值较为相近，都在15%之内，其平均相对误差分别为7%和5%，这说明DIVA和Honeybee[+]能较为准确的模拟全年动态采光系数值。而Honeybee比起其它两款软件而言，准确度略差，除去测点10的相对误差为24%，其他测点的相对误差均在20%之内，平均相对误差为7%，也是在可接受误差范围之内。

图8 比较Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年动态天然光系数模拟值(平均天然采光系数)Fig.8 A comparison of dynamic daylighting performance (average daylighting factors) simulated by Daysim, DIVA, Honeybee and Honeybee[+] in the sample room

表2为Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年动态DA、UDI、UDI100与UDI2000的模拟图像。表3为DIVA、Honeybee和Honeybee[+]的全年动态模拟值与Daysim全年动态模拟值之间相对误差。从表2可以看出DIVA对UDI值的模拟相对准确，但是对DA值的模拟会出现一定误差；Honeybee对UDI值和DA值的模拟都会出现较大的误差；Honeybee[+]对UDI和DA的模拟值均与Daysim的模拟结果相近，相对误差也较小。整体而言，DIVA、Honeybee和Honeybee[+]在天然采光系数的全年动态模拟值上都较为准确，相对误差较小。而在其他全年动态模拟值上则因软件而异，其中Honeybee[+]在DA和UDI模拟上都较为准确，而DIVA则不能较准确地模拟DA值，而Honeybee在UDI和DA值的模拟上都会出现较大的误差。

表2 比较Daysim、DIVA、Honeybee和Honeybee[+] 的全年动态天然光模拟图像(DA，UDI，UDI100和UDI2000)

4 讨论和分析

尽管本实验严格控制了两款光模拟插件的各种参数变量，如采用同样Rhino数字模型，相同的材质设定和尽量一致的精度参数，但模拟结果还是参差不一，特别是对于全年动态光模拟。尽管DIVA和 Honeybee都是基于Radiance作为运算内核，但光模拟插件会在参数设置或信息转译过程中出现各种误差，加之光模拟插件本身的局限性和缺陷，这也是造成不同软件在模拟全年动态采光有偏差的主要原因。近些年来，依托于计算机辅助建筑设计软件的光模拟插件受到建筑设计人员的普遍喜爱。但这些插件会在数字模型的建立、材料和各种参数设置等很多方面过分依赖于辅助建筑设计软件，因此或多或少会有一定的局限性和弊病，所以要在使用时特别慎重，仔细研究不同天然光模拟插件的可行性、适用性和精确性。特别是目前很多光模拟插件都采用蒙特卡罗反向光线跟踪算法的Radiance作为运算内核，虽然能够较准确地模拟较简单的采光口，但对于较为复杂的采光口，如复杂的格栅窗、镜面反射材质的百叶窗等，或者室外有复杂遮挡物时，则会出现一定的问题[10]。

总体而言，本次研究发现所选用的两款天然采光插件在模拟树木遮挡空间时，其静态光模拟结果要好于全年动态光模拟，特别是DIVA和Honeybee在模拟DA和UDI值上准确性较差，从本次实验可以看出，由于Honeybee[+]采用了二相法、三相法和五相法采光模拟方式，有效地减少了模拟偏差。由此可见，要想提高全年动态光模拟的准确度，还需要从开发出更适合全年动态光模拟的计算法入手。

5 结语

树木遮挡空间的天然光模拟一直是计算机光模拟技术上的难点。本研究选择了两款目前较为流行的计算机光模拟插件DIVA和Honeybee，以一个真实的树木遮挡空间为研究对象，通过实地测量与比较性研究，从静态采光和全年动态采光两个方面，探讨了这两款计算机光模拟插件在模拟树木遮挡空间的可行性和可靠性。

研究结果显示在静态采光方面，DIVA和Honeybee都可以较精确的模拟被树木遮挡的室内光环境。在全年动态采光方面，这两款软件仅能够较好的模拟全年采光系数，而不能较精确的模拟DA和UDI值。而Honeybee的扩展程序Honeybee[+]由于采用了先进的二相法、三相法和五相法作为全年动态采光模拟内核，显著改善了模拟准确度。

在本次树木遮挡空间的光模拟验证研究中，选择的是被枝叶繁茂的小乔木所遮挡的空间，该小乔木四季常绿，生长缓慢，因此被遮挡的空间光学特性较为稳定。但由于树木本身种类繁多，不同地域、气候环境中生长的树木各有特色，其遮挡特性也大不相同，因此还需要更多的案例研究来补充验证。此外，本研究在进行静态和动态光模拟中采用了相同的树木模型，但这两种模拟对树木模型有不同的要求，希望能在进一步研究中寻找出更适合动态模拟的树木简化模型。