全年動態(tài)光模擬軟件DAYSIM在傳統(tǒng)園林建筑中的應(yīng)用研究

吳 蔚，石延安

(南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇南京 210093)

全年動態(tài)光模擬軟件DAYSIM在傳統(tǒng)園林建筑中的應(yīng)用研究

吳 蔚，石延安

(南京大學建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇南京 210093)

基于傳統(tǒng)建筑技術(shù)和文化的雙重影響，中國園林建筑內(nèi)的天然光環(huán)境獨具特色，值得深究。然而受時間、經(jīng)費及相關(guān)管理部門等的各種條件限制，實地測量所得到的數(shù)據(jù)有限，往往僅能代表所測氣候情況下的建筑光環(huán)境特征。近些年開始廣泛應(yīng)用的天然采光模擬軟件DAYSIM，可以根據(jù)當?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)來動態(tài)模擬全年采光情況,但如何利用DAYSIM來模擬中國傳統(tǒng)園林建筑卻面臨著很多困難和問題。本文以蘇州古典園林中具有代表性網(wǎng)師園小山叢桂軒為研究對象，嘗試利用DAYSIM還原和分析其全年光環(huán)境，并探討利用先進的計算機天然光模擬技術(shù)在傳統(tǒng)園林建筑光環(huán)境研究中的有效性和可行性。

蘇州園林建筑; 天然采光；計算機模擬；DAYSIM

引言

受中國傳統(tǒng)建筑技術(shù)和人文文化的雙重影響，中國傳統(tǒng)園林建筑的室內(nèi)天然光環(huán)境獨具特色，值得研究。然而受時間、經(jīng)費和相關(guān)管理部門的多種限制，實地測量所獲得的數(shù)據(jù)往往有限且不夠全面，有時候僅能代表所測量時間和特定氣象情況下的室內(nèi)光環(huán)境特征。而真實的室內(nèi)天然采光是隨著時間、天氣的變化處于動態(tài)的變化過程中，某一個時刻或者某一天的采光情況并不一定能真實有效地反映天然光隨時間變化而變化的情況。

先進的計算機光模擬技術(shù)因其方便快捷，節(jié)省資源，在天然采光研究和設(shè)計上發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。尤其是近些年開發(fā)出來的全年動態(tài)光模擬軟件DAYSIM，它以傳統(tǒng)的天然光模擬軟件Radiance為基礎(chǔ)，可以根據(jù)氣象資料模擬全年動態(tài)光環(huán)境，包括評估傳統(tǒng)的天然采光系數(shù)，以及一些新的采光參數(shù)，如天然光自主參數(shù)(Daylight autonomy)和有效天然采光照度(Useful daylight illuminance)[2]。盡管DAYSIM本身并不提供建立模型的功能，但它為多個較常用的CAD軟件如Autodesk-ECOTECT、Rhinoceros(犀牛)和Google Sketch Up提供轉(zhuǎn)接插口，因而受到廣大研究人員的喜愛[3-5]。

盡管DAYSIM已經(jīng)被驗證可以較為準確的模擬現(xiàn)代辦公建筑[6]，但對于模擬中國傳統(tǒng)園林建筑，還存在以下幾個問題和難點：

1)中國傳統(tǒng)園林建筑周邊環(huán)境復(fù)雜，花草樹木、假山、廊道、粉墻等環(huán)繞周圍。筆者在實地調(diào)研和測量里發(fā)現(xiàn)，由于花草樹木、假山和建筑物等的遮擋，蘇州園林庭院里的光照強度往往是室外無遮擋處的一半。中國園林追求光影變化，其中粉墻即白色高墻是我國傳統(tǒng)園林中重要的造園手法, 它不僅分隔了空間, 還是造園大師的畫紙,即所謂的“弄影粉墻”。[7]然而這些白色高墻的反射光往往對園林建筑室內(nèi)光環(huán)境有較大影響。如何準確有效地模擬這些復(fù)雜的室外遮擋物，一直是計算機天然光模擬技術(shù)所面臨的問題之一。

2)受中國傳統(tǒng)建筑技術(shù)影響，園林建筑結(jié)構(gòu)形式及室內(nèi)界面復(fù)雜，如不同的屋頂制式、斗拱、挑檐或檐廊(有柱或無柱)等都對會對室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生影響。以網(wǎng)師園小山叢桂軒為例，其東、南、西三個方向的檐廊寬1.3 m，北面的挑檐也為1.15 m左右，而室內(nèi)為斜屋頂，天花用軒，深色的軒、梁枋、斗拱等只能提供較少的反射光。因而軒內(nèi)很少有直射陽光，其光線主要由室外遮擋物透射出的漫射光和室內(nèi)外周圍的反射光組成。如何準確模擬這種與現(xiàn)代建筑不同的室內(nèi)光線組成和流動方向，是計算機光模擬技術(shù)所面臨的問題。

3)傳統(tǒng)中國園林建筑中的采光口，其花樣復(fù)雜的漏雕門窗無疑對室內(nèi)采光起著一定的影響。但這些復(fù)雜采光口也為計算機光模擬技術(shù)提出了一個問題，即數(shù)字模型的精度、模擬準確度及模擬時間之間的關(guān)系。先進的三維建模軟件已經(jīng)可以較為準確地建立復(fù)雜的門窗模型，但建立復(fù)雜的數(shù)字模型不僅需要較長的建模時間，更大大地延長了模擬計算時間，對于變化幅度大的天然采光而言，是否需要建立這些復(fù)雜采光口或如何能夠有效地簡化它們值得探討。

綜上所述，如何利用先進的計算機光模擬技術(shù)來研究中國傳統(tǒng)園林建筑中的光環(huán)境還存在著不少問題和疑問，因而有必要進行進一步的深入研究。

1 小山叢桂軒建模及參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)師園為蘇州四大名園之一，始建于宋朝，是我國江南中小型古典園林的代表作品。小山叢桂軒是網(wǎng)師園內(nèi)的主要花廳之一，為乾隆末年(公元1795元)太倉富商瞿遠村買下網(wǎng)師園后增建，其形制為四面廳，軒內(nèi)四周均為漏雕門窗，東、南、西側(cè)有檐廊。軒周圍有假山、樹木、粉墻等經(jīng)典江南園林景觀。有關(guān)小山叢桂軒建筑圖紙和基地周圍環(huán)境介紹詳見潘谷西、劉先覺先生編著的《江南園林圖錄》[8]。

筆者選取Ecotect建立小山叢桂軒的三維數(shù)字模型。Ecotect被選取的原因是該軟件同時具有Radiance和DAYSIM轉(zhuǎn)接平臺，可以同時進行天然光模型的準確性和應(yīng)用性研究。盡管Sketchup和Rhino這兩款專業(yè)的三維建模軟件可以較容易建立復(fù)雜的三維模型，但僅有DAYSIM轉(zhuǎn)接插口，較難根據(jù)實地測量結(jié)果進行驗證性研究。

由于模型的復(fù)雜程度直接關(guān)系著模擬運算時間和精度，根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗，在初次建模時，對數(shù)字模型進行了一定程度的簡化，主要是在保證檐廊和挑檐的長度、高度與原屋頂一致的情況下對屋頂進行了簡化，漏雕門窗簡化成簡單的采光口，未考慮木質(zhì)窗欞的遮擋。四周環(huán)境先是建立了建筑周邊的高墻、連廊及假山等不變的物理遮擋物，三維模型都里都按照真實的尺寸進行簡化處理。小山叢桂軒周邊的樹木，由于較難測量和模擬，因此在初次建模時并沒有建立。

初次建模后，筆者按照在小山叢桂軒實地測量的數(shù)據(jù)在Ecotect里進行材質(zhì)設(shè)定，材料的光物理參數(shù)詳見表1。小山叢桂軒的玻璃為單層透明無色玻璃，玻璃透射率則根據(jù)實測數(shù)據(jù)設(shè)定為0.80。由于小山叢桂軒室內(nèi)面積較小，為了提高模擬的精確度，選擇的模擬網(wǎng)格尺寸設(shè)置為100 mm×100 mm，距地0.8 m。

筆者選取2014年3月下旬兩個晴天和一個全陰天對小山叢桂軒進行了實地測量。測量時間為9:00—15:00，每隔一小時記錄一次測量數(shù)據(jù)，全天記錄共7個小時的測量記錄，小山叢桂軒平面圖、測點分布及編號如圖1所示。

圖1 小山叢桂軒平面圖及室內(nèi)外測點分布圖(自繪)Fig.1 Floor plan of Xiaoshan Chonggui Hall and illuminance measuring positions

室內(nèi)室外地面墻圍天花(暗紅色)梁柱及花窗木質(zhì)家具黃石假山白色高墻0.30.270.090.050.060.160.80

2 計算機光模擬模型驗證及調(diào)整

計算機光模擬研究分為兩步：首先是驗證性研究，根據(jù)實測時的氣象條件和時間在Radiance進行光模擬，將實地測量數(shù)據(jù)與模擬值互相對比，根據(jù)實測數(shù)據(jù)對三維模型及相關(guān)參數(shù)進行反復(fù)調(diào)整和驗證；其次是應(yīng)用性研究，在確保Radiance光環(huán)境模擬相對準確的情況下，再利用全年動態(tài)光模擬軟件DAYSIM對調(diào)整后的模型進行全年光環(huán)境模擬。

圖2是9:00—15:00時間段內(nèi)，實地測量的室內(nèi)平均照度值與調(diào)整前、后模型的Radiance模擬值的比較曲線。從圖2可以看出即使是調(diào)整前的數(shù)字模型，在9:00—15:00時段內(nèi)其變化趨勢與實測值是一致的，這說明該數(shù)字模型本身較為準確。但圖2也顯示出初次建模所模擬出來的室內(nèi)照度值遠高于實測值。造成計算機模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)有較大差異的原因很多，除一些較客觀的原因如實測時測量數(shù)據(jù)的誤差、Radiance所用的理想天空模型與真實的天空狀況不同外，本次研究有兩個較為明顯的主觀原因：①初次建模時沒有考慮樹木對光線的遮擋。圖3所示的是實測值與模型修改前后的Radiance模擬的誤差百分比值?？梢钥闯鲈谀Ｐ托薷那埃鋵崪y值與模擬值的誤差百分比的均值為641%，模擬誤差較小的在軒北側(cè)的3個測點7～9。對比實測和數(shù)字模型，可以發(fā)現(xiàn)因軒北側(cè)樹木較少，僅有大片的假山，這是在初次建?？紤]范圍內(nèi)。同理，測點2也就是靠近大門處的較為開闊、樹木較少的測點，因而較為接近測量值。由此可見，樹木的遮擋必須考慮到建模范圍內(nèi)。②初次建模時過分簡化采光口，未考慮漏雕門窗的影響；而筆者在實地調(diào)研中注意到窗欞對光的遮擋較為明顯，因而有必要在模型調(diào)整中加以考慮。

針對上述兩個問題，筆者首先根據(jù)當?shù)貥淠镜膶嶋H情況，在數(shù)字模型中增添了垂直遮擋物，在有濃密樹木環(huán)境下，還適當增加水平遮擋物。因樹木不僅有遮擋作用，還具有一定的透光度，筆者首先嘗試將其材質(zhì)設(shè)置成半透明體，但卻發(fā)現(xiàn)原因不明的模擬誤差。在多次嘗試后，決定將樹木設(shè)置為反射率為0.13的非透明體，利用降低采光口透光率的方法來模擬樹木的遮擋和投射。而漏雕門窗對光影響方面，筆者曾嘗試建立較詳細的窗欞模型，卻因計算機運算能力的限制，不得不放棄，最后采用修改采光口玻璃材質(zhì)來解決窗欞遮光影響。經(jīng)過與實測值的反復(fù)對比和調(diào)試后，將玻璃的材質(zhì)設(shè)置為毛玻璃，透光率由原先的0.80調(diào)整為0.28。圖4為調(diào)整后的小山叢桂軒數(shù)字模型。

比較調(diào)整后模型的模擬值與實測值，9:00—15:00時間段內(nèi)的室內(nèi)平均照度變化趨勢大致相同(圖2)，唯一不同的地方是模擬平均值在15:00時呈上升趨勢。這是因為這時有直射光線進入室內(nèi)，但筆者在實測時避開了直射陽光。模型調(diào)整后，室內(nèi)各測點從9:00—15:00的實測照度平均值與模擬值的平均誤差值為15%，盡管有個別測點誤差值較高，但考慮到天然光變化幅度大這一特性，基本上是在可接受的范圍內(nèi)。

圖2 小山叢桂軒從9:00—15:00實測的室內(nèi)平均照度值與計算機模型調(diào)整前、后的模擬值Fig.2 Interior on-site measured and simulated mean illuminance levels from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall

圖3 小山叢桂軒9:00—15:00時間段內(nèi)室內(nèi)各測點實測的平均照度值與模型調(diào)整前后模擬值的誤差百分比Fig.3 Percentage error of on-site measurements at different measuring points from 9:00 to 15:00 in Xiaoshan Chonggui Hall and mean illuminance levels simulated by original and adjusted models

圖4 小山叢桂軒最終的數(shù)字模型Fig.4 Final digital model of Xiaoshan Chonggui Hall

為了再次驗證調(diào)整后數(shù)字模型的可靠性，筆者另外選取了一個全陰天的實地測量結(jié)果與調(diào)整后的模型進行了天然采光系數(shù)(Daylight Factor)的比較，發(fā)現(xiàn)全陰天空下調(diào)整后模型的模擬值更接近實測值，室內(nèi)平均天然光系數(shù)的模擬值為1.4%，僅略高于實測值(1.3%)。而比較小山叢桂軒各測點實測的采光系數(shù)與模擬值，實測的各測點天然采光系數(shù)變化幅度相較于模擬值大，但基本較為吻合。由此可見，調(diào)整后的模型已經(jīng)可以較為準確地模擬天然光環(huán)境，因此可以進行全年動態(tài)天然光環(huán)境模擬研究。

3 DAYSIM全年天然動態(tài)光環(huán)境模擬

全年動態(tài)光模擬軟件DAYSIM可以模擬全年的天然采光系數(shù)(Daylight Factor，以下簡稱DF)、DA (Daylight autonomy，天然光自主參數(shù))、UDI(Useful daylight illuminance有效天然采光照度)這三個天然采光評價指標。其中DA和UDI是兩個較新的天然采光評價標準，也更能精確的描述室內(nèi)天然光環(huán)境，有關(guān)這兩個標準的詳細介紹參見《淺析可取代采光系數(shù)的新天然采光評價參數(shù)》[2]。

利用上述已經(jīng)經(jīng)過驗證的數(shù)字模型，其它相關(guān)材質(zhì)參數(shù)和氣象參數(shù)設(shè)定不變。DAYSIM內(nèi)的參數(shù)是按其所推薦的設(shè)置，最主要的幾個參數(shù)設(shè)置如下：ambient bounces設(shè)為5，ambient divisions設(shè)為1000，ambient accuracy設(shè)為0.1，direct sampling設(shè)為0.2，direct relays設(shè)為2。

小山叢桂軒的全年動態(tài)光環(huán)境模擬結(jié)果如下：

1)圖5是DAYSIM所模擬的小山叢桂軒內(nèi)的天然采光系數(shù)，其值僅為1.37%，可以看出相較于Radiance天然采光系數(shù)模擬結(jié)果(1.4%)，DAYSIM模擬結(jié)果更接近于實測值(1.3%)。這表明在其室內(nèi)天然采光照度值較低，室內(nèi)光線偏向于柔和陰暗。

2)DAYSIM軟件模擬中(見圖6(a))，小山叢桂軒內(nèi)的天然光自主參數(shù)值(DA_300lx)范圍為11%～51%，DA_300lx均值為34.3%。這說明在全年的工作時間(9:00—17:00)內(nèi)，室內(nèi)能利用天然采光達到300lx的時間平均達到全年工作時間的34.3%，即超過三分之一的日照時間可以達到300lx的照度值。

圖5 小山叢桂軒DAYSIM的DF模擬結(jié)果Fig.5 DAYSIM simulation results of DF

圖6 小山叢桂軒DAYSIM模擬結(jié)果：DA(a)及UDI_100_2000(b)Fig.6 DAYSIM simulation results of DA_300lx(a) and UDI_100_2000 (b) in Xiaoshan Chonggui Hall

3)如圖6(b)顯示小山叢桂軒內(nèi)的UDI_100_2000模擬值為82.6%，這個模擬值是指一年中在工作面上的天然光在100～2 000lx范圍內(nèi)有效照度的數(shù)據(jù)。由此看出雖然小山叢桂軒內(nèi)的平均照度值并不高，但八成以上是在有效照度范圍內(nèi)。此外，模擬結(jié)果還顯示平均照度低于100lx的時間占全年有效計算時間的16.9%，超過2 000lx標準的有效時間為0.1%。這說明盡管小山叢桂軒四個立面均為通透的玻璃花窗，但四周的檐廊、挑檐、假山、和常青樹木的遮擋了大部分直射光線。但由于采光口面積大，房間面積相對較小，仍有大量漫射光和反射光進入室內(nèi)，因此室內(nèi)有較為充足的光線。

筆者的實地調(diào)查和測量也再次印證上述計算機光模擬結(jié)果。通過DAYSIM還原的所測廳堂建筑的全年光環(huán)境狀況，可以看出即使是在傳統(tǒng)園林建筑中以通透著稱的四面廳，其全年室內(nèi)光環(huán)境都是以陰翳為基調(diào)，和“暗”有著割不斷的聯(lián)系，這正是與我國傳統(tǒng)文化與建造技術(shù)共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文選擇蘇州園林建筑中具有代表性的四面廳堂建筑——蘇州網(wǎng)師園小山叢桂軒為研究對象，嘗試利用先進的計算機光模擬軟件DAYSIM來還原和分析所測廳堂建筑的全年光環(huán)境狀況,并著重探討和總結(jié)了在模擬中所遇到的問題和困難。

本次研究揭示出園林建筑周圍復(fù)雜的自然和人工環(huán)境、傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式及繁復(fù)的室內(nèi)界面，加之風格多樣的漏雕門窗等，都對計算機天然光模擬的準確性提出了挑戰(zhàn)。而要想達到較為精準的光模擬結(jié)果，則是需要配合實地測量結(jié)果，進行反復(fù)的調(diào)整和驗證。因此，利用計算機光模擬技術(shù)來研究和設(shè)計環(huán)境較為復(fù)雜的傳統(tǒng)園林建筑時，應(yīng)該慎重使用

盡管DAYSIM所模擬出來的結(jié)果再次證實了我國傳統(tǒng)園林建筑室內(nèi)天然光環(huán)境的獨特性，但需要指出的是計算機所模擬出來的客觀結(jié)果并不能代替主觀感受，特別是在深受道家思想影響，講究“道法自然”，追求意境的中國園林中。如小山叢桂軒庭院中的“少陽”環(huán)境，檐廊內(nèi)豐富的光影變化，及室外—檐廊—室內(nèi)所形成的“白—灰—黑”的多層次光環(huán)境，都有效地調(diào)節(jié)和豐富了室內(nèi)陰暗柔和的光環(huán)境，而四處通透的以景為框的雕花欞窗，更叫人感覺到室內(nèi)陰而不暗，舒適平和的氛圍。筆者認為要體驗和設(shè)計這種不同于現(xiàn)代建筑的豐富而獨特的天然光環(huán)境，需要研究和設(shè)計人員從實地出發(fā)，以實地調(diào)研為主，再配合先進的計算機光模擬技術(shù)，才能達到比較滿意的效果。

[1] 羅濤，王書曉，林若慈，天然光光環(huán)境模擬技術(shù)綜述[J].照明工程學報, 2010, 21(5):1-6.

[2] 吳蔚，劉坤鵬，淺析可取代采光系數(shù)的新天然采光評價參數(shù)[J].照明工程學報, 2012, 23(2):1-7.

[3] 吳基，孟慶林，張磊，等,廣州某典型辦公樓垂直百葉遮陽的綜合節(jié)能分析[J]. 建筑科學, 2009(2)：79-82.

[4] REINHART Hristoph, MARDALJEVIC J., ROGERS Z. Dynamic Daylight Performance Metrics for Sustainable Building Design[J]. LEUKOS, 2006, 3(1):1-20.

[5] NABIL Azza, MARDALJEVIC John. Useful daylight illuminances: A replacement for daylight factors[J]. Energy and Buildings, 2006(38):905-913.

[6] 吳蔚，劉坤鵬，全年動態(tài)天然采光模擬軟件DAYSIM[J].照明工程學報, 2012, 23(3):30-34.

[7] 黃常華.光與中國傳統(tǒng)建筑[J].福建建筑, 2005，92(2):67-72.

[8] 劉先覺, 潘谷西. 江南園林圖錄:庭院·景觀建筑[M].第1版.南京：東南大學出版社, 2007.

An Application of Annual Dynamic Daylighting Simulation Software DAYSIM to Study Traditional Landscape Architecture in Suzhou Classical Gardens

WU Wei, SHI Yanan

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Based on impacts of Chinese traditional building technology and culture, daylighting in landscape architecture of Suzhou classical gardens is very unique and worth studying. However, due to time, economic and other facts, the data collected on the field is limited. It may represent certain interior daylighting environments under the measured sky condition only. Annual dynamic daylight software DAYSIM which based on a weather climate file is widely used in recently years. This study applied DAYSIM to study daylighting in Xiaoshan Chonggui Hall, which is one of the main landscape architectures in Suzhou classical gardens. This paper analyzes problems and difficulties for applying DAYSIM to study daylighting in this four-sides Hall, and explores the possibility of using advanced daylighting software to study Chinese traditional landscape architectures.

landscape architecture of suzhou；daylighting; computer simulation; DAYSIM

TU13.5

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.009