基于Ladybug工具集的綠色建筑性能分析方法及應用研究

羅小華

（蘇州科技大學 建筑與城市規劃學院，江蘇 蘇州215011）

當前，綠色建筑正在越來越多地成為大家關注的焦點，因地制宜，被動優先的生態節能設計理念正被越來越多的人所接受。一方面，在建筑方案設計階段，各種影響因素錯綜復雜，建筑師難以憑個人經驗準確把握設計因素與性能指標之間的關系及其規律，并快速地對設計目標進行優化。另一方面，隨著綠色建筑設計性能要求與目標的日益提升，現有的性能模擬分析技術的局限性也逐漸步凸顯。例如，不同的性能模擬分析往往需要借助不同的分析軟件，且存在與設計模型兼容性差、過程繁瑣、周期長、反饋滯后等問題。

參數化技術的出現，為解決性能模擬分析與設計之間的反饋、聯動，實現自動尋優，提高綠色建筑設計水平提供了很好的解決方法。

本文主要工作：對參數化技術及其綠色建筑性能分析工具集Ladybug的基本功能與特點進行討論，在此基礎上結合具體設計案例，從不同側面探討其在綠色建筑設計中的應用。

1 基于Ladybug技術的環境性能模擬平臺

以Rhinoceros&Grasshopper為平臺的參數化設計模式，是國內近幾年在建筑設計中得到廣泛應用的手段或方法。參數化設計就是采用預定義的方法建立模型的幾何約束集，將描述模型幾何特征的參數與幾何約束集進行關聯，所有的關聯表達式由應用程序來實現，通過人機交互方式修改參數，最終由程序執行表達式來完成。

參數化設計的基本特點是不僅具有強大的建模能力，還在于其對設計輸出結果的可調性，即模型的調整有別于傳統“手工”操作，只需要調整形體控制參數值或通過程序設定形體參數值就能獲得新的模型，極大地提高了建模效率。

Ladybug是基于Rhino+Grasshopper參數化設計平臺開發的綠色建筑性能分析工具集，其通過整合Energyplus、Therm、Radiance、Daysim、OpenCFD-OpenFOAM等性能模擬計算內核，實現了跨平臺的數據交互，通過設定控制邏輯讓計算機自動完成復雜的計算和尋優過程，能在較短時間內得到特定邏輯下的最優結果。這些特點可以彌補目前綠色建筑設計過程中性能模擬分析方面的不足，近兩年在綠色建筑設計性能分析中得到了越來越多地應用，已有漸成主流之勢。

Ladybug工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly、EpwMap和Pollination等不同功能的模塊，可以進行能耗計算、太陽輻射、天然采光、人工照明、自然通風、城市熱島效應等各種性能模擬分析。Ladybug本身是環境分析模塊，可以幫助設計人員在建筑方案初期完成對氣象數據的分析，包括氣象數據可視化、風玫瑰圖、日照遮陽分析、室內熱舒適指標PMV-PPD計算、室外舒適性指標UTCI計算、太陽輻射分析、陰影分析等。圖1為該工具集與各種模擬軟件之間的連接、調用關系示意圖。

圖1 Ladybug&Honeybee工具集功能關系示意圖（圖片來源：https://github.com/mostaphaRoudsari/ladybug[2017-8-26]）

Honeybee為工具集中的另一重要模塊，主要功能為天然采光、人工照明、能耗模擬。借助Daysim軟件，Honeybee可以實現動態采光模擬分析。

Ladybug工具集本質上是一種編程工具，其功能組件運算器采用Python語言編寫。作為一種源代碼開放的平臺，用戶可以依據自己的實際應用對其進行編輯修改，拓寬其應用范圍。Ladybug工具集與Grasshopper參數化設計平臺整合所形成的可視化節點編程界面，為建筑師提供了符合自身設計習慣的操作模式。

工具集主要開發者是美國賓夕法尼亞大學教師Mostapha Sadeghipour Roudsari和建筑師Chris Mackey，他們出色的參數化編程能力、綠色建筑設計經驗和環境性能模擬知識，是該套工具集開發的重要前提。

2 應用案例分析

2.1 氣象數據分析與被動式設計策略選擇

被動式設計策略的選擇應該建立在當地氣候條件的分析之上。Ladybug通過讀入當地全年8 760 h的逐時氣象數據（.epw），包括風環境、空氣溫度、相對濕度、太陽輻射等，配合相關運算器，最后由Ladybug的可視化模塊對結果進行展示分析，幫助設計人員確定被動式設計策略。

如某地新建辦公建筑擬進行自然通風設計，在確定計算條件（滿足通風條件的溫度、濕度的范圍和室外風速要求）、分析周期后執行運算，即可獲得相應的風玫瑰圖和統計結果，如圖2所示。辦公建筑主要考慮白天開窗通風，因此圖中分析周期時間段取早9至晚18點。如果對于住宅建筑，分析時間段可取全天24小時，則得到不同結果的風玫瑰圖。依據圖2所示結果，滿足自然通風條件的時間只占分析周期（全年每日9-18點的時間段）的1.15%；同時，依據獲取的風玫瑰圖，開北向窗是該辦公建筑進行自然通風設計的優先選擇。

結合Grasshopper參數化平臺，還可以對全年逐時氣象數據結果進行進一步的數據篩選、統計分析，如均值、極值的確定等。

圖2 滿足通風潛能條件的某地風玫瑰圖與統計結果可視化（圖片來源：http://v.iarch.cn/course/272/task/3311/show[2017-11-19]）

2.2 太陽輻射與建筑形體優化

形式與功能一直以來都是建筑師爭論的焦點，而在綠色建筑成為普遍共識的今天，形式與性能，或者說建筑是否生態、綠色、節能，能否取得共贏則是建筑師面臨的新挑戰。

太陽輻射是影響建筑熱環境、建筑運行能耗等方面的重要因素，在進行建筑形體推敲時，通過對其獲得的太陽輻射量的評估結果，可以對不同設計方案進行比選。如圖3所示，通過對不同朝向、不同體形系數的異形建筑表面進行的太陽輻射分析來確定合理的建筑形態。不同于傳統建模方式，該建筑形體模型采用參數化建模，即通過控制形體橢圓截面的長短軸的尺寸、圓形軌道半徑等參數來調整形體變化；同時，借助grasshopper其他運算器，可以動態顯示形體體形系數的變化，實現高效便捷地修改模型。同樣，一些復雜的形體變化，流線型的設計，也都可以通過參數化建模輕松實現。參數化模型直接輸入Ladybug模塊中的太陽輻射運算器進行計算，同時將輻射天空運算器連接至該運算器（輻射天空運算器通過Radiance[1]的gendaymtx函數來計算一年中的逐時天空輻射），并導入全年氣象文件數據，設置分析時間周期，即可以分別對不同季節或時段的太陽輻射進行計算，計算結果通過Ladybug可視化運算器展示。圖3為冬至日6-18時時間段的太陽輻射情況，建筑師以此作為一個形體選擇的參考因素。

結合Grasshopper平臺，還可以對建筑形體進行計算機自動尋優設計，即設定太陽輻射目標值，通過相關遺傳算法運算器Galapagos[2]在一定范圍內調節形體的控制參數來獲得最佳太陽輻射得熱形體。如冬季可以設定太陽輻射目標值為最大值，夏季設定則為最小值進行形體尋優，全年則需要結合能耗運行分析來確定形體的設計參數，此時可設定全年能耗運行目標值為最小進行尋優計算。

圖3 建筑形體太陽輻射分析

2.3 室外空間環境與室外熱舒適指標UTCI

室外公共活動空間的設計是城市設計中的重要環節,需要通過良好的室外空間微氣候環境來激發人們在室外開展活動的興趣,比如公共活動空間應盡量保證足夠的日照時間,并同時避免風口、漩渦風等不利風環境。公共空間也需要同時考慮冬夏季的有效綜合使用,比如夏季開展公共活動的廣場空間,可以在冬季成為兒童滑冰或曬太陽的休閑場所,從而豐富室外公共空間的活動類型,提升室外空間的使用效率。

在室外公共活動空間的前期設計中,可以通過對當地氣候條件進行全方位的分析,為設計人員對室外空間布局做出有效的指導作用。

通用熱氣候指數[3]（Universal Thermal Climate Index，UTCI）是國際生物氣象協會ISB于2009組織聯合研究提出，在氣候舒適度、城市規劃等領域得到了比較廣泛的應用。也可以作為建筑小區外部公共活動空間的熱環境評價。Ladybug集成了UTCI的計算模塊，通過輸入相關氣象數據，由UTCI模塊計算出所需結果，并通過Ladybug可視化模塊展示，如圖4所示。采用UTCI作為室外熱舒適度評價指標，不僅可以在方案設計階段實現對室外熱舒適的快速評價；同時，基于參數化的設計模式，還能快速調整設計方案實現改善室外熱舒適的目的。

圖4 UTCI運算器及數據可視化

圖5 室外空間設計UTCI模擬分析示意圖

圖5 所示為某小區室外空間設計中的UTCI模擬分析圖（本圖分析周期為全年最熱周7.27～8.24日）。通過對UTCI計算模塊的配方運算器輸入變量的參數選擇，設計人員在設計過程中可以對環境因素進行配置，即通過參數化模型便捷地調整建筑布局、形體組合、綠化植物、水體配置等方式，實現對室外空間局部的風速、太陽輻射及環境的平均輻射溫度MRT的調整，并依據UTCI的實時計算結果，完成對室外空間的優化設計，從而提高室外熱舒適度指標UTCI在舒適范圍的百分比。

需要說明的是，本文中的UTCI模擬分析未考慮各參數之間的耦合作用，在模擬精度上與考慮了輻射，溫度等耦合作用的CFD計算結果比較有所不足，但在方案設計初期，不失為一種便捷的室外熱環境評價、設計工具。

2.4 建筑總平面布局與自然通風

風環境是影響室內外熱環境的重要因素之一，同時，風環境與建筑總平面布局密切相關。建筑物布局如果不合理，會導致居住區局部風環境惡化。高密度建筑群中，局部地方(尤其是高層)風速過大可能對人們的生活、行動造成不便，也有可能在某些地方形成旋渦和死角，不利于室內的自然通風，形成不好的小區微氣候。因此，需要在建筑布局設計時對域內氣流流動情況進行預測評價以指導優化設計。

不同于傳統的通風模擬軟件的操作方式，Ladybug工具集的自然通風模塊Butterfly借助參數化技術的優勢，實現了模擬過程的“自動”操作模式，以彌補了傳統模擬方式耗時長、難以自動尋優等不足。Butterfly作用是連接參數化模型和OpenFoam，自動完成模擬條件設置、計算網格劃分，再調用OpenFoam或者說生成OpenFoam的執行文件，進行CFD通風的數值計算，計算結果返回Ladybug并由可視化功能模塊實現展示，如圖6所示。

圖6 Butterfly通風模擬“電池圖”（模擬軟件截圖）

模擬條件的改變，包括場景模型、氣象數據的調節，均可通過調整控制參數實現。因此，基于參數化技術的通風模擬方式，其高效的模擬效率，更適合于需要反復調整設計參數的方案設計階段的需求。

Butterfly采用的CFD軟件OpenFoam9（Open Field Operation and Manipulation）是OpenCFD Ltd公司開發的開放源代碼的軟件，是一款可以模擬多種復雜流動、計算流體的工具，運行的操作系統為Linux。對于國內采用windows系統的用戶，在采用OpenCFD-OpenFOAM時，還需要安裝諸如Oracle VM VirtualBox的“虛擬機”來運行OpenCFD-OpenFOAM。在本文寫作之際，基于blueCFDCore的Butterfly版本已經發布，這將有利于簡化安裝流程，進一步提升模擬效率。

圖7為上海某高級中學接建食堂綜合訓練樓，通過應用上述程序文件對其風環境進行模擬所得風壓示意圖，其中，圖7（b）、圖7（c）為兩種方案的分析模型。已完成的日照分析表明，兩種方案對基地原教學樓、周邊民居樓環境的影響存在比較大的差異，如方案（b）對教學樓的采光影響較大，方案（c）對周邊居民影響較大。對于兩種方案的自然通風效果，則希望通過模擬得出可視化的直觀數據，為方案的選擇提供科學依據。通過對模擬風壓圖的綜合比較分析，最終采用圖7（b）為實施方案，圖7（a）實施方案效果圖。

圖7 校園風環境風壓示意圖

3 結語

本文結合具體案例應用，從幾個不同方面探討了基于參數化技術解決綠色建筑設計問題的基本流程和方法。從本質上來看，就是理性地看待設計問題，將氣候環境因素轉化為建筑設計問題，同時以感性的思維對數據轉換方式、表達形式進行選取。在技術方面，則是利用參數化技術強大的模型處理能力和Ladybug工具集數據處理、結果可視化功能，結合相關性能模擬軟件，使得建筑設計、性能分析、方案比選優化和結果可視化在同一平臺上得以實現。

目前，基于參數化技術的綠色建筑設計方法還處于發展階段，有許多問題需要深入探索。一方面，在綠色建筑設計理念與思想層面上，如何依據參數化技術的特點進行調整，包括綠色建筑評價標準的調整；另一方面，在技術層面上需要進一步完善相關應用軟件，如設計軟件與性能分析軟件的開發，接口界面的優化等。

毋庸置疑，基于參數化技術的綠色建筑設計方法，大大簡化了設計流程，提高了設計效率，是一種值得推廣的新方法。