浅析天然光非视觉计算机模拟评价工作流开发研究

吴 蔚，聂柏慧

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

引言

天然光不仅具有视觉功效，还会通过非视觉效应作用于人体的生理节律[1，2]。近年来，越来越多的研究显示采光照明的非视觉效应对人体健康具有重要意义[3]，一系列现代社会高发疾病如睡眠障碍、糖尿病、心血管疾病、阿尔兹海默症等都与光的非视觉效应存在着密切关联[4-6]，有时甚至会影响DNA修复从而诱发癌症[5]，这些研究使得人们重新审视和思考采光照明的需求，即不仅要满足视看要求，还需满足人体健康需求[6，7]。然而，天然采光下的非视觉效应在影响因素、评价方法和标准上都与传统的视看效应不同，目前所开发出来的计算机非视觉模拟评价插件，如Lightsolve[8]和Lark[9]，由于原理和计算过程的复杂性，还主要适用于研究领域，在使用上仍有较大的局限性，较难为建筑设计人员所用。

在总结目前国内外非视觉研究最新成果的基础上，研究团队尝试探索开发一种适合建筑设计人员的天然光非视觉计算机模拟工作流，并在此基础上编写了一款基于Rhino+GH平台上的非视觉评价工具。本文主要介绍非视觉计算机模拟工作流思路和工具开发，以及相应的应用验证研究，研究显示该方法能较为便捷准确地评估不同地域、建筑类型和设计影响因素下的非视觉光环境，从而帮助设计师创造出更为健康舒适的光环境。

1 非视觉效应下的天然采光计算机模拟

要开发一种适合建筑设计人员的天然光非视觉计算机模拟方法，最简单的方法是采用一款被建筑师广泛运用的计算机辅助设计软件为基础平台，通过工作流的形式将不同既有软件串联起来。由于计算机模拟技术和非视觉研究日新月异，该平台中所采用的非视觉评价标准、计算机辅助设计软件和计算机光模拟软件或插件，都可以根据需要进行更换和升级更新。由于天然光的非视觉效应在影响因素、评价方法和标准都与视觉效应不同，研究团队将非视觉效应下的天然采光计算机模拟分成三个步骤：首先是在进行计算机非视觉模拟评价前，根据非视觉评价标准进行气象数据转换；然后进行非视觉光环境模拟计算；最后是为了方便阅读模拟结果，进行可视化处理。图1为计算机天然光非视觉模拟评价的方法步骤。

图1 计算机天然光非视觉模拟评价的相应步骤Fig.1 Corresponding steps of computer non-visual simulation evaluation in daylighting environment

犀牛(Rhino)是一款建筑设计员常用的计算机辅助设计软件，Grasshopper则是在Rhino平台上的可视化节点式编程插件[10]，具有非常强大的参数化控制功能，能够方便地对于各种设计影响因素进行调节，因此研究团队选择Rhino+GH作为平台进行非视觉模拟评价工具的开发。目前国际上根据既有的三种非视觉光谱响应曲线，即Gall曲线[11]、Rea曲线[12，13]和Lucas曲线[14]，发展出了三种评价方法，即生物照度阈值法、多通道计算法和CEA法[15]，其中CEA法出现最晚，无论从模型的复杂度、因素考虑完整度还是使用标准权威性等方面都具有一定优势，因此被选为此次模拟评价工具的开发基础[16]。Well建筑标准是国际上最早加入非视觉光照要求的标准，在WELL Building Standard 2018中，规定需在每天的9:00—13:00满足照度阈值为200EML(Equivalent Melanopic Illuminance，等值黑视素勒克斯)的要求，以满足使用者的非视觉要求[17]。因此，本模拟评价工作流主要依据WELL Building Standard 2018和CEA评价法编写。根据上述步骤，在使用GH平台上的VB.net脚本编辑器进行编写后，利用既有的采光模拟插件构建出一套模拟分析工作流(图2)。工作流共分为气象数据处理、采光模拟计算和可视化分析三大模块，共包含5个VB组件，可对非视觉照度、刺激频率、有效节律区域百分比等指标进行计算。建构具体步骤如下：

图2 计算机天然光非视觉模拟评价工作流示意Fig.2 Computer Evaluation workflow of non-visual effects

1)在Grasshopper中通过VB.net语言编写脚本程序，根据WELL Building Standard 2018计算每种天空类型的非视觉照度转换系数，然后利用计算机光模拟软件如 Ladybug中的时间分析组件，包括：时间间隔分析(Analysis Period)、日出日落时间(Sunrise Sunset)、图形输入(ImportEPW)组件来提取因变量参数。

2)在计算机三维辅助软件Rhino或Grasshopper中建立室内空间的三维数字模型，并转换成计算机光模拟软件或插件可识别的数据模型，然后在光模拟软件里设定室内材料的光学参数和模拟参数。非视觉光环境评价关注的是人眼，因此视看方向的确定对整个评价非常重要，需要使用view direction组件来设置分析点和人眼的视看方向。其次根据对非视觉模拟的目的，选择不同的模拟类型进行模拟计算，包括：利用年分析组件进行非视觉照度的计算；提取年分析组件的输出端数据进行每月、每季或一年中选定时间范围内的数据分析；使用SF analysis 组件对刺激频率数据做进一步处理，计算设定时间范围内满足指定刺激频率级别的时间占比以及空间占比sfCEA；利用emlCEA analysis组件求取每天的emlCEA值和总体平均值，并判断分析范围内每天是否满足 CEA 阈值要求。

3)通过评价工具中各个组件的配合使用，生成与各种指标相对应的数据，再借助grasshopper即可在Rhino界面中以图示表达计算结果。另外也可借助其它插件实现与Excel的联动，将处理的数据录入Excel中生成各式图表。需要指出的是，分析结果的图示化表达是开放性的，研究团队提出的图表只是一种示例，使用者可以根据自己的需要对输出数据进行其他类型的处理。

2 应用研究

以南京市某高级中学教室为例，研究团队对所开发出来的评价工具进行有效性研究。研究显示，该工具的模拟结果与实测的非视觉评估在趋势上基本一致，时间都是在10:00之前表现较弱，空间上都是在讲台附近区域难以达到非视觉标准，这说明该评价工具对现有建筑空间的非视觉评估具有一定的有效性[18]。

在此基础上，研究团队选择朝向、地域、窗地比这三个对天然光非视觉影响较大的设计因素对评价工具进行进一步的适用性研究[19]。由于文章篇幅问题，本文仅以不同朝向为例探讨天然光非视觉效应的影响。教室的计算机建模及参数设置详见《南京市中学教室天然光非视觉效应研究》一文[20]。在模拟分析时间上，选用非视觉效应水平变化较大的8:00—9:00时间段，这段时间是人体对光照最为敏感的生物节律重置期[20]，并选择教室正中间测点的刺激频率全年雷达图来探讨各因素对生物暗区的影响。在模拟工具上修改朝向，只需要通过给annual daylight simulation组件的noth端输入不同方向的GH向量，就可改变教室的主朝向，如图3所示。调用Daysim分别对南、北、东、西四个方向进行全年天然光模拟计算，然后利用可视化分析模块生成图表，评价不同朝向的非视觉效应水平。

图3 改变朝向组件连接Fig.3 Connection of orientation Components

图4是不同朝向的emlCEA指标(满足EML阈值要求的区域占比)。其中CE (Circadian-Effective，有效昼夜节律)指若建筑内某点某一方向接受的等值黑视素勒克斯(EML)的平均值达到WELL Building Standard 2018 规定的非视觉效应最小光照刺激标准200等值黑视素勒克斯(EML)，即认为这一天在该点产生了有效的昼夜节律。由于评价一个建筑空间非视觉效应的天然采光是对该空间内所有点的综合效果进行评价，故引入有效昼夜节律区域百分比，简称CEA(Circadian Effective Area)。CEA表示一天中该空间内所有计算测量点中达到或超过设定的Stim.freq(刺激频率)的百分比。而emlCEA全年分布图表示的是全年每一天中满足EML阈值要求的区域占比，从图4可以看出，四个朝向的emlCEA全年分布情况非常相似，都是在3月至10月能够基本达到75%标准值，而1月、2月和11月、12月则基本处于10%以下的较低水平；单从emlCEA年均值来看，四个朝向的差别并不大，东向会略好于其他朝向。

图4 不同朝向下全年emlCEA分布(8:00—9:00)Fig.4 Annual emlCEA distribution in different orientations (8:00—9:00)

图5是四个朝向下室内满足天然光非视觉刺激频率全年分布(sfCEA)叠加图。sfCEA指标是指满足特定刺激频率的区域占比的时间分布图，sfCEA全年分布图表示的是全年每一天中各个刺激频率级别的区域占比。从图5可以看出，sfCEA全年分布在朝向改变后，也无太大差别，在3月至9月时间范围内表现较好，超过临界值(即Stim.freq ≥ 5d/wk of 7d/wk，A、B等级)的有效区域百分比基本都接近100%。在10月整体空间的主导刺激频率是3～4d/wk(C级),部分时间能够有超过90%的区域达到临界值。但在冬季1月、2月和11月、12月则明显存在刺激不足的问题，1月和2月的部分时间能够有部分区域达到3～4d/wk的刺激频率，大部分时间没有sfCEA，意味着所有区域均无法达到200EML的阈值,刺激频率为0d/wk(F级别)。单从sfCEA年均值来看，在1～4d/wk刺激频率下，东向会略好于其他朝向，在临界值以上的级别，朝向的影响倾向于越来越小，至7d/wk刺激频率下达到一致。

图6是四个朝向Stim.freq≥5d/wk占比空间分布，可以看出四个朝向较为一致，且都处于较为均匀的分布水平，除西北角、西南角和靠近讲台区域外，其他区域全年Stim.freq≥5d/wk的时间占比基本都能达到70%以上，靠窗区域更能够达到80%。另外结合图7的教室中间点的全年非视觉天然光刺激频率Stim.freq分布图，还可看出全年东向相比其他朝向对靠近讲台的生物暗区有略微提振作用，对冬季的刺激频率也有稍许改善。

图6 不同朝向下全年Stim.freq≥5d/wk占比空间分布Fig.6 Annual Stim.freq≥5d/wk spatial distribution ratio in different orientations

图7 不同朝向在教室中间点全年天然光非视觉刺激频率分布Fig.7 Annual Stim.freq distribution in different orientations in the classroom

既往研究显示出朝向对非视觉光环境有着重要影响，单泓景[21]、蒋靖才[22]在对我国医院病房和老年公寓的前期研究中，发现对于单侧采光的房间，东向的非视觉天然光环境会比其他朝向有明显的优势。但本次研究则发现对于双向采光的教室，朝向对天然光非视觉效应影响并不是很大。就emlCEA、sfCEA全年分布、全年Stim.freq≥5d/wk 比空间分布以及中间测点的刺激频率结果来看，尽管东向的非视觉效果会略好些，但总体上无太大差别。

此外，研究团队也利用该评价工具对不同地域、窗地比这两个设计因素进行非视觉评价的适用性研究。在对不同地域和窗地比的比较性研究中发现，不同地域对教室天然光非视觉效应影响较大，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类光气候区的代表城市明显好于Ⅳ类、Ⅴ类光气候区的代表城市。另外，随着窗地比的增大，室内空间的非视觉表现会越来越好，但是上升趋势在0.25之前较大，在0.25之后明显减缓。在我国现行《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)规范下(窗地比是0.2)[23]，教室天然光非视觉水平并不是很好，从非视觉采光的角度，该教室较为适合的窗地比约在0.3左右。

3 结语

上述研究显示，研究团队所开发的计算机天然光非视觉模拟工具能适用于不同设计因素、不同地域光环境下的非视觉效应评价。由于可以在Rhino平台上建立不同类型的建筑空间，在分析时允许自定义360°视场中的任意视看方向，能够同时对不同测点的不同视看方向进行分析计算，因此评估不同类型建筑的非视觉光效应也不是问题。此外，评价工具在输入设置上也提供了多种可能，还能够让使用者进行全年任意时间段或任意时间点的分析，以及根据需要进行各指标阈值的设定，因此该评价工具在有效性和灵活性上，适用范围也较为广泛，与之相配的是在工作流可视化分析模块上提供了多种图示表达的方法，能够较为直观地呈现出非视觉效应在时间和空间上的分布状况，让建筑师清楚了解天然光非视觉效应的模拟结果。

目前国际上非视觉计算机模拟评价方法还处于初级阶段，尽管本工具所采用的CEA法无论是从计算过程复杂度、因素考虑完整度，还是使用标准权威性等方面都具有一定优势，但本身也具有较多的不足之处。如在完成视觉照度向非视觉照度的转换系数计算时，只是将照度结果转化为眼部EML的方法，并没有考虑玻璃(如光谱选择透过性玻璃)或非中性内表面(如彩色墙壁、地板或天花板)对相对光谱的修正，即并没有考虑天然光在室内多次反射后光谱的变化。此外，该方法也没有考虑不同朝向的天空光谱的系数修正。在其后的研究里，研究团队将会根据该工作流，继续简化软件内容，选用更为先进的非视觉模拟评价方法，并尝试在其他CAAD平台上进行工具的开发研究工作，随着计算机CAAD软件、光模拟技术的迅速发展，以及非视觉光效应基础研究进一步深入，可以预见建筑光环境非视觉效应的评估将会更加准确便捷。