基于Ladybug工具集的绿色建筑性能分析方法及应用研究

罗小华

（苏州科技大学 建筑与城市规划学院，江苏 苏州215011）

当前，绿色建筑正在越来越多地成为大家关注的焦点，因地制宜，被动优先的生态节能设计理念正被越来越多的人所接受。一方面，在建筑方案设计阶段，各种影响因素错综复杂，建筑师难以凭个人经验准确把握设计因素与性能指标之间的关系及其规律，并快速地对设计目标进行优化。另一方面，随着绿色建筑设计性能要求与目标的日益提升，现有的性能模拟分析技术的局限性也逐渐步凸显。例如，不同的性能模拟分析往往需要借助不同的分析软件，且存在与设计模型兼容性差、过程繁琐、周期长、反馈滞后等问题。

参数化技术的出现，为解决性能模拟分析与设计之间的反馈、联动，实现自动寻优，提高绿色建筑设计水平提供了很好的解决方法。

本文主要工作：对参数化技术及其绿色建筑性能分析工具集Ladybug的基本功能与特点进行讨论，在此基础上结合具体设计案例，从不同侧面探讨其在绿色建筑设计中的应用。

1 基于Ladybug技术的环境性能模拟平台

以Rhinoceros&Grasshopper为平台的参数化设计模式，是国内近几年在建筑设计中得到广泛应用的手段或方法。参数化设计就是采用预定义的方法建立模型的几何约束集，将描述模型几何特征的参数与几何约束集进行关联，所有的关联表达式由应用程序来实现，通过人机交互方式修改参数，最终由程序执行表达式来完成。

参数化设计的基本特点是不仅具有强大的建模能力，还在于其对设计输出结果的可调性，即模型的调整有别于传统“手工”操作，只需要调整形体控制参数值或通过程序设定形体参数值就能获得新的模型，极大地提高了建模效率。

Ladybug是基于Rhino+Grasshopper参数化设计平台开发的绿色建筑性能分析工具集，其通过整合Energyplus、Therm、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模拟计算内核，实现了跨平台的数据交互，通过设定控制逻辑让计算机自动完成复杂的计算和寻优过程，能在较短时间内得到特定逻辑下的最优结果。这些特点可以弥补目前绿色建筑设计过程中性能模拟分析方面的不足，近两年在绿色建筑设计性能分析中得到了越来越多地应用，已有渐成主流之势。

Ladybug工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly、EpwMap和Pollination等不同功能的模块，可以进行能耗计算、太阳辐射、天然采光、人工照明、自然通风、城市热岛效应等各种性能模拟分析。Ladybug本身是环境分析模块，可以帮助设计人员在建筑方案初期完成对气象数据的分析，包括气象数据可视化、风玫瑰图、日照遮阳分析、室内热舒适指标PMV-PPD计算、室外舒适性指标UTCI计算、太阳辐射分析、阴影分析等。图1为该工具集与各种模拟软件之间的连接、调用关系示意图。

图1 Ladybug&Honeybee工具集功能关系示意图（图片来源：https://github.com/mostaphaRoudsari/ladybug[2017-8-26]）

Honeybee为工具集中的另一重要模块，主要功能为天然采光、人工照明、能耗模拟。借助Daysim软件，Honeybee可以实现动态采光模拟分析。

Ladybug工具集本质上是一种编程工具，其功能组件运算器采用Python语言编写。作为一种源代码开放的平台，用户可以依据自己的实际应用对其进行编辑修改，拓宽其应用范围。Ladybug工具集与Grasshopper参数化设计平台整合所形成的可视化节点编程界面，为建筑师提供了符合自身设计习惯的操作模式。

工具集主要开发者是美国宾夕法尼亚大学教师Mostapha Sadeghipour Roudsari和建筑师Chris Mackey，他们出色的参数化编程能力、绿色建筑设计经验和环境性能模拟知识，是该套工具集开发的重要前提。

2 应用案例分析

2.1 气象数据分析与被动式设计策略选择

被动式设计策略的选择应该建立在当地气候条件的分析之上。Ladybug通过读入当地全年8 760 h的逐时气象数据（.epw），包括风环境、空气温度、相对湿度、太阳辐射等，配合相关运算器，最后由Ladybug的可视化模块对结果进行展示分析，帮助设计人员确定被动式设计策略。

如某地新建办公建筑拟进行自然通风设计，在确定计算条件（满足通风条件的温度、湿度的范围和室外风速要求）、分析周期后执行运算，即可获得相应的风玫瑰图和统计结果，如图2所示。办公建筑主要考虑白天开窗通风，因此图中分析周期时间段取早9至晚18点。如果对于住宅建筑，分析时间段可取全天24小时，则得到不同结果的风玫瑰图。依据图2所示结果，满足自然通风条件的时间只占分析周期（全年每日9-18点的时间段）的1.15%；同时，依据获取的风玫瑰图，开北向窗是该办公建筑进行自然通风设计的优先选择。

结合Grasshopper参数化平台，还可以对全年逐时气象数据结果进行进一步的数据筛选、统计分析，如均值、极值的确定等。

图2 满足通风潜能条件的某地风玫瑰图与统计结果可视化（图片来源：http://v.iarch.cn/course/272/task/3311/show[2017-11-19]）

2.2 太阳辐射与建筑形体优化

形式与功能一直以来都是建筑师争论的焦点，而在绿色建筑成为普遍共识的今天，形式与性能，或者说建筑是否生态、绿色、节能，能否取得共赢则是建筑师面临的新挑战。

太阳辐射是影响建筑热环境、建筑运行能耗等方面的重要因素，在进行建筑形体推敲时，通过对其获得的太阳辐射量的评估结果，可以对不同设计方案进行比选。如图3所示，通过对不同朝向、不同体形系数的异形建筑表面进行的太阳辐射分析来确定合理的建筑形态。不同于传统建模方式，该建筑形体模型采用参数化建模，即通过控制形体椭圆截面的长短轴的尺寸、圆形轨道半径等参数来调整形体变化；同时，借助grasshopper其他运算器，可以动态显示形体体形系数的变化，实现高效便捷地修改模型。同样，一些复杂的形体变化，流线型的设计，也都可以通过参数化建模轻松实现。参数化模型直接输入Ladybug模块中的太阳辐射运算器进行计算，同时将辐射天空运算器连接至该运算器（辐射天空运算器通过Radiance[1]的gendaymtx函数来计算一年中的逐时天空辐射），并导入全年气象文件数据，设置分析时间周期，即可以分别对不同季节或时段的太阳辐射进行计算，计算结果通过Ladybug可视化运算器展示。图3为冬至日6-18时时间段的太阳辐射情况，建筑师以此作为一个形体选择的参考因素。

结合Grasshopper平台，还可以对建筑形体进行计算机自动寻优设计，即设定太阳辐射目标值，通过相关遗传算法运算器Galapagos[2]在一定范围内调节形体的控制参数来获得最佳太阳辐射得热形体。如冬季可以设定太阳辐射目标值为最大值，夏季设定则为最小值进行形体寻优，全年则需要结合能耗运行分析来确定形体的设计参数，此时可设定全年能耗运行目标值为最小进行寻优计算。

图3 建筑形体太阳辐射分析

2.3 室外空间环境与室外热舒适指标UTCI

室外公共活动空间的设计是城市设计中的重要环节,需要通过良好的室外空间微气候环境来激发人们在室外开展活动的兴趣,比如公共活动空间应尽量保证足够的日照时间,并同时避免风口、漩涡风等不利风环境。公共空间也需要同时考虑冬夏季的有效综合使用,比如夏季开展公共活动的广场空间,可以在冬季成为儿童滑冰或晒太阳的休闲场所,从而丰富室外公共空间的活动类型,提升室外空间的使用效率。

在室外公共活动空间的前期设计中,可以通过对当地气候条件进行全方位的分析,为设计人员对室外空间布局做出有效的指导作用。

通用热气候指数[3]（Universal Thermal Climate Index，UTCI）是国际生物气象协会ISB于2009组织联合研究提出，在气候舒适度、城市规划等领域得到了比较广泛的应用。也可以作为建筑小区外部公共活动空间的热环境评价。Ladybug集成了UTCI的计算模块，通过输入相关气象数据，由UTCI模块计算出所需结果，并通过Ladybug可视化模块展示，如图4所示。采用UTCI作为室外热舒适度评价指标，不仅可以在方案设计阶段实现对室外热舒适的快速评价；同时，基于参数化的设计模式，还能快速调整设计方案实现改善室外热舒适的目的。

图4 UTCI运算器及数据可视化

图5 室外空间设计UTCI模拟分析示意图

图5 所示为某小区室外空间设计中的UTCI模拟分析图（本图分析周期为全年最热周7.27～8.24日）。通过对UTCI计算模块的配方运算器输入变量的参数选择，设计人员在设计过程中可以对环境因素进行配置，即通过参数化模型便捷地调整建筑布局、形体组合、绿化植物、水体配置等方式，实现对室外空间局部的风速、太阳辐射及环境的平均辐射温度MRT的调整，并依据UTCI的实时计算结果，完成对室外空间的优化设计，从而提高室外热舒适度指标UTCI在舒适范围的百分比。

需要说明的是，本文中的UTCI模拟分析未考虑各参数之间的耦合作用，在模拟精度上与考虑了辐射，温度等耦合作用的CFD计算结果比较有所不足，但在方案设计初期，不失为一种便捷的室外热环境评价、设计工具。

2.4 建筑总平面布局与自然通风

风环境是影响室内外热环境的重要因素之一，同时，风环境与建筑总平面布局密切相关。建筑物布局如果不合理，会导致居住区局部风环境恶化。高密度建筑群中，局部地方(尤其是高层)风速过大可能对人们的生活、行动造成不便，也有可能在某些地方形成旋涡和死角，不利于室内的自然通风，形成不好的小区微气候。因此，需要在建筑布局设计时对域内气流流动情况进行预测评价以指导优化设计。

不同于传统的通风模拟软件的操作方式，Ladybug工具集的自然通风模块Butterfly借助参数化技术的优势，实现了模拟过程的“自动”操作模式，以弥补了传统模拟方式耗时长、难以自动寻优等不足。Butterfly作用是连接参数化模型和OpenFoam，自动完成模拟条件设置、计算网格划分，再调用OpenFoam或者说生成OpenFoam的执行文件，进行CFD通风的数值计算，计算结果返回Ladybug并由可视化功能模块实现展示，如图6所示。

图6 Butterfly通风模拟“电池图”（模拟软件截图）

模拟条件的改变，包括场景模型、气象数据的调节，均可通过调整控制参数实现。因此，基于参数化技术的通风模拟方式，其高效的模拟效率，更适合于需要反复调整设计参数的方案设计阶段的需求。

Butterfly采用的CFD软件OpenFoam9（Open Field Operation and Manipulation）是OpenCFD Ltd公司开发的开放源代码的软件，是一款可以模拟多种复杂流动、计算流体的工具，运行的操作系统为Linux。对于国内采用windows系统的用户，在采用OpenCFD-OpenFOAM时，还需要安装诸如Oracle VM VirtualBox的“虚拟机”来运行OpenCFD-OpenFOAM。在本文写作之际，基于blueCFDCore的Butterfly版本已经发布，这将有利于简化安装流程，进一步提升模拟效率。

图7为上海某高级中学接建食堂综合训练楼，通过应用上述程序文件对其风环境进行模拟所得风压示意图，其中，图7（b）、图7（c）为两种方案的分析模型。已完成的日照分析表明，两种方案对基地原教学楼、周边民居楼环境的影响存在比较大的差异，如方案（b）对教学楼的采光影响较大，方案（c）对周边居民影响较大。对于两种方案的自然通风效果，则希望通过模拟得出可视化的直观数据，为方案的选择提供科学依据。通过对模拟风压图的综合比较分析，最终采用图7（b）为实施方案，图7（a）实施方案效果图。

图7 校园风环境风压示意图

3 结语

本文结合具体案例应用，从几个不同方面探讨了基于参数化技术解决绿色建筑设计问题的基本流程和方法。从本质上来看，就是理性地看待设计问题，将气候环境因素转化为建筑设计问题，同时以感性的思维对数据转换方式、表达形式进行选取。在技术方面，则是利用参数化技术强大的模型处理能力和Ladybug工具集数据处理、结果可视化功能，结合相关性能模拟软件，使得建筑设计、性能分析、方案比选优化和结果可视化在同一平台上得以实现。

目前，基于参数化技术的绿色建筑设计方法还处于发展阶段，有许多问题需要深入探索。一方面，在绿色建筑设计理念与思想层面上，如何依据参数化技术的特点进行调整，包括绿色建筑评价标准的调整；另一方面，在技术层面上需要进一步完善相关应用软件，如设计软件与性能分析软件的开发，接口界面的优化等。

毋庸置疑，基于参数化技术的绿色建筑设计方法，大大简化了设计流程，提高了设计效率，是一种值得推广的新方法。