高大中庭天幕的参数化分析和互动性遮阳节能设计研究——以湖南长沙LIVE 项目S2 地块为例

汪洪 黄宽政 王巍翔 梁华卿 尹俊植

1 中国建筑科学研究院有限公司

2 五矿地产有限公司

3 中国核电工程有限公司

高密度的现代建筑与交通工具的快速发展，使很多开敞的公共空间备受交通污染与噪音的影响，逐渐失去了其作为人们共享、交往平台的空间意义。为了营造一种既开敞、接近自然又能免受外部气候影响的环境，建筑师越来越多地采用中庭这种特殊的空间形式[1]。

为了实现中庭空间的开敞性及近似自然光环境的效果，围合中庭结构的顶部通常由大面积透光性较好的玻璃构成，导致其空调能耗与热舒适问题十分突出。玻璃顶棚虽然保证了室内良好的自然采光效果，但是由于太阳短波辐射经过玻璃的大面积透射对中庭围护结构产生了加热作用，而结构表面的长波辐射进入到室内环境后在室内积蓄从而产生温室效应[2]（图1a）；同时随着较高的中庭空间顶部空气不断地被太阳加热，在垂直高度上形成空气的密度差从而造成热压力差，形成中庭内热气流的攀升，即烟囱效应（图1b）。

因此，高大中庭的温度在垂直分布上梯度较大，热空气往往堆积在空间上方，造成中高层空间过热及冷负荷较高的情况。而中庭空间的热环境质量不仅关乎中庭空间及其紧邻空间的能耗情况，还直接影响空间使用者的舒适度及使用心情。所以，如何平衡这种高大中庭空间的通透性、节能效果与室内热舒适度，是建筑师与工程师需要共同面对和解决的难题。

为剖析对比高大中庭的日照情况及在不同措施下对节能与室内热环境的影响，以下将以湖南长沙LIVE项目S2地块的高大中庭为例（图2），对其环境性能进行模拟分析。该项目为商业建筑，总建筑面积约10万m2，由三层底层商业与两栋办公塔楼组成，是一栋集办公、购物、休闲、娱乐、商务于一体的新型城市文化综合体。

1 多环境性能的建筑参数化分析方法

1.1 模拟分析方法

建筑环境性能决定了建筑空间使用者的舒适度和满意度，反映了建筑综合设计水平，并长期影响着建筑的周边环境及能源的消耗。建筑环境性能主要包括日照、采光、自然通风、室外风环境和热舒适度等，在建筑设计初期就对其进行预判与模拟分析，利用优化设计解决分析中发现的问题，将会显著减少建筑能源方面的浪费[3]。如今，随着人们对于建筑环境体验感、健康建筑环境的重视，以及计算机运算能力和人工智能的发展，建筑性能参数化分析的应用越来越广泛[4]，能够实现室内外环境与建筑空间的紧密结合，完成各种当地实时气象参数的动态分析与数据的可视化显示。

近些年来，以Rhino为3D可视化建模平台发展的建筑多环境性能的参数化建模及模拟分析Grasshopper插件成为国内外参数化建模软件的主流[4]。Rhino、Grasshopper以及其他附属插件解决了以往建模软件与环境模拟软件在几何模型数字转换方面的障碍，真正实现了参数化模型与软件模拟结果的结合且直观地反馈在建模平台上[4]。本研究采用Ladybug等Grasshopper插件作为气象、日照和热环境模拟软件，为后期的遮阳优化设计提供依据（图3）。

1 建筑中庭的温室效应（a）和烟囱效应（b）

2 长沙LIVE 项目S2 地块设计前期效果图

3 模拟分析流程和软件

4 建筑模型示意图

5 Ladybug 应用图示

业主：湖南旷代房地产开发有限公司

建设地点：湖南省长沙市

建筑设计：Benoy 贝诺建筑设计事务所（香港）

项目负责人：黄宽政

节能与舒适性专项设计团队：中国建筑科学研究院EHS 中心

节能与舒适性专项设计负责人：汪洪

节能与舒适性专项设计团队成员：王巍翔、梁华卿、尹俊植

总建筑面积：175 583.33m2

项目状态：施工图设计中

设计时间：2019 年底至今

建成时间：2022 年（预计）

摄影/图片：湖南旷代房地产开发有限公司、中国建筑科学研究院

1.2 参数化模拟软件与参数设置

1.2.1 参数化建模软件及三维可视化平台

Rhino为参数化分析与交互设计提供了便捷的操作过程及模拟结果可视窗口；Grasshopper基于Rhino的平台运行，是自身有许多参数化建模工具并提供丰富插件接口的可视化编程语言，为Ladybug等内置插件提供连通与共享建模平台的可能，实现集参数化建模、气象数据分析、建筑多性能模拟于一体[5]。

图4展示了Rhino模型中庭玻璃顶棚（浅蓝色部分）及周围建筑的分布情况。

1.2.2 日照模拟分析

Ladybug是一款以Daysim与Radiance为计算核心的Grasshopper插件（图5），能够实现多项气象数据的分析与可视化，对建筑中庭的太阳轨迹、建筑日照阴影分布情况、日照小时数以及太阳辐射量进行模拟分析[6]。不同于常见的其他分析软件，Ladybug完全内置于Rhino和Grasshopper中，拥有优异的交互性与高效性，在Grasshopper参数化建模工具的辅助下，对气象数据及建筑性能的分析可与模型的修改协同进行，模拟结果还可直观地在三维建筑模型上实时展示，大大提高模拟效率及美观性[6]。

6 长沙市全年温度数据

7 日照时长与太阳辐射模拟结果

8 长沙市夏至日太阳轨迹

9 夏至日不同时间点建筑自遮阳情况

表1 热环境模拟参数设置

项目所处的湖南长沙属于夏热冬冷地区，夏季气候炎热，且冬夏两季温度与日照水平差别明显。因此，为探讨一年之中日照较强与极端的情况，选取夏季（6月1日—8月31日）与夏至日（6月22日）为本次日照模拟分析的主要时间。

1.2.3 热环境模拟分析

本项目热环境模拟软件是一款内置于Rhino的计算流体动力学的软件插件程序，其温度模拟计算功能在Rhino三维建模的基础上，以官方天气数据为基础模拟中庭内部自然通风与温度分布情况，为建筑设计提供依据。

本项目建筑中庭空间内除了首层还有二层与三层的连廊，其距地高度分别为5.6m和11.2m。考虑到中庭的两种热环境变化规律——温室效应及烟囱效应，二层与三层的连廊可能呈现出与首层不同的温度分布趋势，故取这三个平面上方1.5m人行高度平面为数据截取平面，取夏至日下午2点为模拟时间，进行数据整理与分析。

依据长沙市全年温度数据对夏季热环境模拟的室外温度进行取值（图6）。在三维温度分布图中，黄色为长沙夏季平均温度30℃且在下午2点最常出现，橙色则为较常出现的极端高温温度35℃。因此，选择在这两种工况下对白玻璃（遮阳系数SC值为0.8）、优化遮阳系数后的玻璃（遮阳系数SC值为0.35及0.3）以及优化传热系数的玻璃（传热系数K值为2.6、2.4及2.0）进行模拟与数据对比分析（表1）。

2 优化策略的模拟数据依据

2.1 中庭日照模拟结果与分析

根据长沙气象参数，对长沙夏季及夏至日中庭玻璃顶棚日照情况进行模拟分析。通过对比日照时长与太阳辐射的模拟结果（图7），红色虚线框选区域为玻璃顶棚在不同模拟状况下日照时长较长与太阳辐射较强的区域，可以发现受西侧两栋高楼遮挡的影响，顶棚中部与东部为日照最强的地方，应着重考虑进行优化。

长沙所处纬度距离北回归线较近，夏至日太阳高度角较高（图8），并且一天之中日照时间较长。随着太阳的移动，一天之中不同角度建筑本身对室内空间会有一定程度的遮挡作用，如将建筑性能优化与原本建筑设计的优势适当结合，可以使后期的优化策略起到事半功倍的效果。由图9可以看出，从下午4点开始，建筑阴影才开始遮挡大面积的人员停留空间，即首层中庭地面及二层、三层连廊，因此优化措施将主要针对商场营业时间即上午10点至下午4点的时间段。

2.2 中庭热环境模拟结果与分析

10 不同工况下温度模拟结果

表2 热环境模拟温度结果

图10中6组彩色温度分布图突出体现了现有全玻璃顶棚对室内温度场分布均匀性的劣势，因北半球太阳始终处于南侧，并且下午2点时中庭西南侧高楼仅对中庭空间产生小部分遮挡，略偏西斜的太阳在中庭东北角空间造成了局部高温的状况，并且伴随着室外温度的升高，局部高温区域的室内外温差更加显著。然而人体体表温度受风速的影响，在长沙西南夏季风的影响下，南侧与东侧出入口产生局部的穿堂风，带走了大量的热量，形成局部凉爽的效果。

表2中记录了6组以单一变量为原则进行的不同遮阳系数、传热系数中庭玻璃所产生热环境的模拟实验，从中可得出几点温度变化规律。

（1）首层受人员负荷的影响温度略高；然而随着高度攀升，空间热环境逐渐受到玻璃热辐射的影响，在上层空间产生高温空气堆积的情况。综合来看，二层连廊的温度在这三层模拟平面中最为适宜。

（2）通过对比室外温度35℃、30℃以及24℃的温度模拟数据可以发现，室外温度越高，室内温室效应与烟囱效应越明显。35℃时，室内外温差可达3℃左右，垂直温升可达1℃。

（3）通过对照组1和2、3和4可得，遮阳系数的优化可减少太阳辐射对中庭热环境的影响，改善夏季过热的环境状况，使同对照高度平面的温度降低约0.2～1℃；

（4）由对照组4和5可得，传热系数的优化对中庭中下层空间的影响不明显，对顶层空间稍有影响。

3 建筑中庭的节能优化策略

3.1 建筑遮阳

遮阳是提高节能性能、改善室内环境的有效途径，分为内遮阳和外遮阳两种。日照通过窗户进入室内的能量为80%[10]，从节能的角度来说，外遮阳能够有效避免阳光透过玻璃直射进入室内，防止阳光过分直射和加热建筑围护结构，从而降低带入室内的热量，减少室内负荷与空调的用电量。研究数据显示，采用外遮阳措施可为建筑减少10%～24%的总能耗[11]，并且在不开启空调的条件下，相比不用外遮阳的房间，有外遮阳的房间室内温度平均下降8℃[10]。从光环境与热环境的角度来说，无论是内、外遮阳都能够有效防止眩光，改善人的体表热感受[11]。

结合项目中庭空间的高能耗产生原因、设计特点及措施的整体成本考虑，采用建筑遮阳系统作为长沙LIVE项目主要的节能优化策略。

11 被动式遮阳设计策略示意图

12 数字化互动式遮阳

13 长沙LIVE 项目S2 地块设计后期效果图

3.2 被动式遮阳设计策略

通过3.1节中对比不同日照分析情况下的相似性与规律性，取其重叠的部分作为最有必要设置遮阳的范围（图11a）。其中黄色阴影区域为日照小时数和太阳辐射量普遍较高的区域，采用遮阳系数为0.3的彩釉玻璃；橙色阴影区域为辐射量及日照时长分布最集中且数值最高的区域，采用非透明设计，如铝板；其余区域采用遮阳系数为0.35的Low-E玻璃。为保证遮阳设计满足室内热环境性能的整体需求，铝板采用双层铝板+保温棉的形式，其与玻璃传热系数分别为0.85W/（m2·K）与1.8W/（m2·K）。

结合二层与三层连廊的遮阳需求以及设计的完整性与美观性，对玻璃顶棚边缘区域进行科学的遮阳布置（图11b）。根据太阳高度角及建筑的自遮阳情况，夏至日中庭建筑可在南侧顶层长廊形成约2.6m的阴影，长廊余下的区域则需由顶棚南侧边缘提供遮阳，最终形成图11c的建议设计效果。

3.3 主动式数字化互动遮阳设计策略

建筑中庭作为公共建筑中人员最集中、最有利于打造品牌设计特色和文化的建筑空间，遮阳系统除了解决基础的采光和能耗问题之外，其设计也应呼应公共空间设计理念，实现生动性与独特性。在现代智能化与可持续建筑技术发展的大环境下，数字化互动设计给建筑带来了更加丰富的可能性，打破了原有传统遮阳“静止”的状态，可以满足设计过程中建筑遮阳等建筑构件的动态变化需求，能够根据天气、季节与时间自动进行调整，更充分地发挥遮阳在节能、改善室内热舒适与视觉舒适度上的优异效果。

以软织物为主要制作材质的内遮阳相比于外遮阳，更容易满足数字化互动式遮阳的多变化性与艺术性，以及遮阳单元变化时对材料张力的要求，同时也无需考虑室外天气环境，如风负荷对材料寿命及变化形式的影响。参考陕西省科技资源中心的互动遮阳设计[12]（图12），对长沙LIVE项目进行伞状开合式与板状线性两种形式的主动式遮阳设计。整套系统在中庭屋顶外侧设置传感器，实时采集天气信息，传送给软件系统对太阳辐射、温度等信息进行实时数据分析，再将处理好的天气信息结合数字化建模软件（如Grasshopper）形成数字信号指令，传递给控制系统控制电机驱动遮阳构件角度或面积的精准变化[13]，从而实现遮阳系统对天气变化的实时追踪与互动，使遮阳系统全天候更加智能与精准地完成互动遮阳的效果。在设计美观方面，通过结合智能控制系统与中庭设计理念，中庭遮阳系统可随太阳辐射强度或温度变化自动变化图案，创造出丰富的光影效果，为中庭空间营造灵动、引人入胜的氛围。

然而主动式遮阳方式也存在缺点，与被动式遮阳方式相比，其电机、控制系统、遮阳构造及材质更为繁琐，造价更高，伞状开合式与板状线性式两种主动遮阳方式的造价分别约为2 200元/m2与1 600元/m2，并且内遮阳的安装与运营期间的定期维修多需要设计检修通道。

3.4 节能优化策略的优化效果

在综合对比分析了主动式与被动式遮阳方案之后，本项目最终选择了被动式遮阳设计策略进行深化。经过与建筑、幕墙专业沟通后进一步对方案进行改善，最终形成如图13的设计效果。

通过对优化前后顶棚全部采用遮阳系数为0.35、传热系数为2.4W/（m2·K）玻璃的工况模拟温度分布图进行比较（图14），明显可见优化后的顶棚构造不仅可以使室内温度降低1.8℃，还有效地解决了局部高温的状况，使温度分布更加均匀；并且优化后烟囱效应得到有力削弱，垂直高度的温升大大减小。

14 优化前后不同工况温度模拟结果

整体比较不同温度下优化前后的温度差值，可以发现室外温度越高时，优化后降温效果越显著。

4 结语

本项目的建筑性能模拟分析整体展现了长沙夏季太阳辐射较强、室内温升明显的现状。以建筑性能参数化分析为基础的遮阳优化设计，结合了科学的气象与环境模拟分析，较大程度上克服了传统遮阳设计的单一性，能够更准确地应对天气、季节的变化。经过遮阳系数与遮阳位置优化的顶棚构造对于改善中庭的温室效应及烟囱效应有显著效果，能够使同高度平面上的平均温度降低0.2～1℃，垂直温升降低约0.4℃。但同时研究也发现，遮阳材质传热系数的优化对于高大中庭热环境的影响甚微。

考虑到中庭空间的设计独特性，本研究也对数字化互动遮阳进行了探索。相较于“静止”的被动式遮阳，以室外环境参数为动力、以数字化为媒介、以智能控制系统为核心的主动式遮阳系统可以最大程度地发挥其对光源的利用率。然而其成本增量以及对安装、维修的较高要求，阻碍了主动式遮阳的普及。

参数化环境性能分析的应用，不仅能够更好地在设计初期将环境性能分析融入到建筑设计中，协调二者之间的关系，更推动了以建筑性能、人员健康舒适为关注重点的建筑发展趋势，使建筑在满足功能的同时，也能为人们提供更好的使用体验。