Ladybug Tools 在生态城市设计中的应用

吴婷婷， 李曼凌

(四川省建筑设计研究院有限公司， 四川成都 610000)

LadybugTools是一款基于Grasshopper平台，用于城市及建筑物理环境分析设计的免费应用程序集合。它建立在如Radiance,OpenStudio等众多仿真模拟引擎之上，具有开源、集成、参数可变、3D可视等多种特性。在所有的环境设计软件包中，LadybugTools是最全面的工具之一，它将3D模型与众多仿真模拟引擎进行有效连接。

不同于常规以工程师为主导的工具开发模式，LadybugTools由两位建筑师美国宾夕法尼亚大学客座教授MostaphaSadeghipourRoudsari和毕业于美国麻省理工学院的建筑师ChrisMackey进行开发。他们都具有出色的参数化编程能力、建筑性能设计经验和性能模拟知识背景。因此，该工具被赋予面向方案设计阶段的特性与优势：其拥有简单易读的图示化操作界面，可以帮助毫无模拟知识背景的设计师快速建立起性能设计的评估流程；其对模型的兼容能力超越其他模拟工具，可以在形态生成与性能模拟优化之间建立起紧密的、自动化的交互机制；其可基于同一形态模型，同时进行多种性能优化计算，以综合性的评价数据提供多样化的优选方案[1]。

生态城市设计与传统城市设计相比，更注重对风环境、热环境和声环境的数据等的综合分析以及城市物理环境与空间形态的耦合优化[2]。LadybugTools不同于其他模拟引擎的繁冗与复杂，该工具参数设置简化，更加突出城市设计优化与物理分析的实时交互性能，有利于协助规划师及建筑师实现生态城市及建筑空间性能优化的设计流程开发与方法创新。

1 ladybugTools分类及功能

LadybugTools由ladybug、Honeybee、Butterfly、Dragonfly四组工具组成(图1、表1)。

1.1 Ladybug

Ladybug对气候文件进行数据处理，形成2D或者3D的气候分析图解用于早期的设计分析及被动式策略选择。同时，在设计前期也支持基于太阳辐射、日照分析、阴影遮挡等环境分析，对城市或建筑的空间几何形态进行设计。

1.2 Honeybee

Honeybee是现有的所有城市及建筑物理环境设计分析软件中最综合、最集成的插件之一。支持设计中后期的采光及热力学建模，通过能耗计算内核EnergyPlus和光模拟内核Radiance，完成能耗计算、光环境模拟和结构热桥分析等。

表1 Ladybug Tools功能与运用类型

1.3 Butterfly

Butterfly可以快速将几何图形导出到OpenFOAM并运行几种常见类型的气流模拟，这些模拟对城市及建筑设计非常有用。模拟城市风模式的室外模拟、模拟热舒适性和通风效果的室内边界驱动模拟等。

1.4 Dragonfly

Dragonfly能够模拟及评估大尺度的气候现象，如城市热岛、未来的气候变化以及地形变化等当地气候因素的影响。Dragonfly还能链接到多个数据集，包括国家气候数据中心(NCDC)的公共小时天气数据和热卫星图像数据集(LANDSAT)数据库。Dragonfly使这些大型气候变量可以在Ladybugtools其他工具中使用，其他工具可以将这些气候数据作为分析和模拟的起点。

2 Ladybug Tools在生态城市设计中应用案例

值得注意的是，LadybugTools还可衔接遗传算法插件Galapagos，进行单一性能最优解计算或多变量权衡决策，即利用参数化算法进行方案寻优。LadybugTools+Galapagos这种多目标优化算法模型是以综合性能指标为评价方式，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，在较短时间内得到特定逻辑下的最优结果[3]；这有助于超越以往“模拟-优化”的人工模式，实现城市及建筑物理性能优化的自动化，创新城市规划美学，革新生态城市规划设计方法。

KPF在IdeaBlock&MasterPlanLondon城市研究中，利用LadybugTools建立起一套较为成熟的以城市光环境优化为导向的参数化城市模型系统。该系统涵盖城市、街区和单体等不同尺度的设计模型，可以基于性能评价生成合理的城市、街区和建筑方案[4]。该项目在保证高容积率的基础上，充分研究街区形态、街区尺度、城市光环境，并通过参数化编程定义最佳配置开发经验法则。最终通过Galapogas遗传算法自动生成性能最优的城市街区规划方案。

3 Ladybug Tools在生态城市设计中的应用实践

3.1 气候数据分析

(1)Ladybug可以在设计初期帮助设计师了解一个城市的气候特征，如日轨图、干球温度、相对湿度、风速风向、直接垂直辐射、间接水平辐射、总水平辐射、直接垂直照度等等。通过EPW文件导入Ladybug，可以直接以2D或者3D的显示模式生成图表，或者在模型上直观的进行显示。例如，可以在日晷图上显示6月、9月、12月的21日全天24h的温度、太阳位置及太阳高度角。

(2)Ladybug可以运用Analysisperiod以及Conditionalstatement对特定时间段的限定条件进行多组气候数据的叠加筛选显示，进行日照、热辐射、温度、湿度，风数据的综合应用。例如，通过Ladybug对北京全年的气温数据进行筛选，全年大于26 ℃的小时数为1 178h，占全年总时间的13.45 %。而具有自然通风潜能的时间(26 ℃小于干球温度小于32 ℃，相对湿度小于80 %，风速大于2m/s)为459h，只占全年时间的5.24 %。

(3)Ladybug还可用于生成焓湿图进行被动式策略的选择。可以将几种热舒适度的策略进行叠加，显示不同策略影响下，舒适区的范围，还可以显示不同策略对整个舒适度的贡献率以及作用时间。协助设计师进行判断，找出适合的策略或组合策略方式。例如，最适宜北京的被动式策略为直接蒸发降温、高热容维护结构+夜间通风、加强自然通风、被动式太阳能采暖。其分别的贡献率为2.47 %、2.15 %、2.48 %、24.50 %。通过以上的被动式策略，全年舒适区的比例从7.53 %提高到35.35 %(图2)。

图2 城市基础气候数据分析

3.2 城市光热环境模拟分析与优化

在城市光热环境模拟分析方面，可以通过Ladybug+Honeybee计算城市街区的热辐射、日照时间以及建筑群的采光。输入模拟计算的城市的地理位置及气象数据，分析的物体、周围环境，设置计算时间及计算网格，最后进行显示模式的设定。Ladybugtools的分析相较于其他物理分析软件，建模更容易，设置更简单，计算更高效，不仅可以进行平面计算，还可以对建筑群体进行三维计算，实现方案调整与模拟计算实时交互，以及多方案的比较(图3)。

图3 城市街区的光热环境模拟分析

在城市光热环境优化方面，Ladybugtools与遗传算法工具Galapagos结合，可以展现出更多的应用。

案例一：以成都冬季12月热辐射量最大为目的，调整街道界面。首先确定街道两侧建筑群体量。通过Galapogas中基因池控制街道两侧建筑群各单体位置。通过迭代运算计算得出街道的开敞空间和紧缩的空间，使整个街区冬季12月热辐射量最大。通过遗传算法优化之后，整个街区热辐射量对比优化之前提升了8.17 %，并使街道空间尺度层次更丰富，形成了明显的开敞与紧缩空间(图4)。

图4 通过Ladybug+Galapogas热辐射模拟调整街道界面

案例二：以成都冬季热辐射量较大并且容积率较大为目的，求得街区建筑群体最优解布局。通过Galapagos中基因池控制街区的尺度(130m×150m～130m×180m)，朝向(南偏东45 °～南偏西45 °)，中心绿地的比例(35 %～65 %)，高层建筑的位置。之后将整个街区的12月热辐射值累加，与街区容积率进行权重求和，通过遗传算法迭代运算，求出兼顾容积率及冬季热辐射的最优解。最终，通过遗传算法求解，最适合本街区的尺度为130m×160m，朝向为南偏东28.3 °，中心绿地比例为36.7 %。综合多种因素，街区建筑群容积率可达6.18，街区热辐射单位面积热辐射×容积率对比优化之前(各变量取中值)提升了16.43 %。

此方法还可以作为其他多种环境因素与城市要素叠加分析的方法。但值得注意的是，尽管遗传算法能自动求解，但规划师或建筑师仍然需要占据设计的主导，提出需要参与分析计算的变量与参数，并且整个计算逻辑仍取决于设计者本身的主观意识。在参数化设计求解过程中，计算机仅仅取代了重复、繁重且精细度较高的计算分析工作，而设计问题的分析与策略的制定、方案逻辑的展开与算法的编写，都需要建筑师的思考与抉择。参数化求解另一个优点在于，最优求解不仅仅限于单一结果，同时，还能记录较优的多个结果，即最优族群。方便设计师在最优族群中，挑选出更符合自己思维逻辑与形式喜好的结果(图5)。

图5 通过Ladybug+Galapogas对城市街区空间进行模拟优化

3.3 城市热岛效应模拟分析

Dragonfly在城市热岛效应模拟分析方面的应用可以叫做Urbanweathergenerator城市气候生成器。它通过一系列城市参数模拟城市建设活动对原始场地的改变。这些因素包括：

(1)建筑物的几何形状(包括建筑物的高度，密度，窗墙比和外观，建筑面积)。

(2)建筑物用途(包括建筑类型，HVAC系统和人员和设备使用计划)。

(3)冷却系统向室外散热(夏季)。

(4)室内散热到室外(冬季)。

(5)城市建设的材料(包括道路，墙壁和屋顶的蓄热性能，反照率和辐射率)。

(6)交通产生的人为热量(包括交通时间表)。

(7)植被覆盖率(树木和灌木丛)。

(8)来自城市边界和冠层的大气传热。

在模拟模型中，街区大部分办公、商业、住宅建筑定义为新建，部分辅助建筑定义为1980年后建筑，办公建筑玻璃幕墙或窗户的比例为65 %，太阳得热系数为0.35，屋顶反射率为0.5，城市街道由于车辆或人活动产生的热量为10W/m2(参考新加坡商业区统计数据)，植物反射率0.35，道路反射率0.2。再输入原始气象数据进行对比分析后，得出模拟模型在7月，建设后比建设前，场地温度升高了0.73 ℃。满足DBJ51T009-2018《四川省绿色建筑评价标准》场地室外日平均热岛强度不高于1.5 ℃的要求(图6)。

4 思考展望

城市基础气象数据、交通路网、绿化景观、街区尺度、建筑布局等对城市室外光热环境有重要影响。合理的被动式策略和规划布局可改善群体建筑的光热环境。在城市因素和环境因素叠加的生态城市设计过程中，研究不同策略间的关系可一定程度指导设计的进行，但却不可避免地存在大量的重复冗长的计算工作。Ladybugtools作为建筑参数化设计平台Grasshopper下的插件，高效整合了已有的成熟的物理环境模拟工具计算内核，可以极大地提高规划师、建筑师的工作效率，将参数化生态城市设计方法变为可能。

图6 城市街区热岛强度模拟分析