Ladybug Tools 在生態(tài)城市設(shè)計中的應(yīng)用

吳婷婷， 李曼凌

(四川省建筑設(shè)計研究院有限公司， 四川成都 610000)

LadybugTools是一款基于Grasshopper平臺，用于城市及建筑物理環(huán)境分析設(shè)計的免費(fèi)應(yīng)用程序集合。它建立在如Radiance,OpenStudio等眾多仿真模擬引擎之上，具有開源、集成、參數(shù)可變、3D可視等多種特性。在所有的環(huán)境設(shè)計軟件包中，LadybugTools是最全面的工具之一，它將3D模型與眾多仿真模擬引擎進(jìn)行有效連接。

不同于常規(guī)以工程師為主導(dǎo)的工具開發(fā)模式，LadybugTools由兩位建筑師美國賓夕法尼亞大學(xué)客座教授MostaphaSadeghipourRoudsari和畢業(yè)于美國麻省理工學(xué)院的建筑師ChrisMackey進(jìn)行開發(fā)。他們都具有出色的參數(shù)化編程能力、建筑性能設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和性能模擬知識背景。因此，該工具被賦予面向方案設(shè)計階段的特性與優(yōu)勢：其擁有簡單易讀的圖示化操作界面，可以幫助毫無模擬知識背景的設(shè)計師快速建立起性能設(shè)計的評估流程；其對模型的兼容能力超越其他模擬工具，可以在形態(tài)生成與性能模擬優(yōu)化之間建立起緊密的、自動化的交互機(jī)制；其可基于同一形態(tài)模型，同時進(jìn)行多種性能優(yōu)化計算，以綜合性的評價數(shù)據(jù)提供多樣化的優(yōu)選方案[1]。

生態(tài)城市設(shè)計與傳統(tǒng)城市設(shè)計相比，更注重對風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境和聲環(huán)境的數(shù)據(jù)等的綜合分析以及城市物理環(huán)境與空間形態(tài)的耦合優(yōu)化[2]。LadybugTools不同于其他模擬引擎的繁冗與復(fù)雜，該工具參數(shù)設(shè)置簡化，更加突出城市設(shè)計優(yōu)化與物理分析的實(shí)時交互性能，有利于協(xié)助規(guī)劃師及建筑師實(shí)現(xiàn)生態(tài)城市及建筑空間性能優(yōu)化的設(shè)計流程開發(fā)與方法創(chuàng)新。

1 ladybugTools分類及功能

LadybugTools由ladybug、Honeybee、Butterfly、Dragonfly四組工具組成(圖1、表1)。

1.1 Ladybug

Ladybug對氣候文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成2D或者3D的氣候分析圖解用于早期的設(shè)計分析及被動式策略選擇。同時，在設(shè)計前期也支持基于太陽輻射、日照分析、陰影遮擋等環(huán)境分析，對城市或建筑的空間幾何形態(tài)進(jìn)行設(shè)計。

1.2 Honeybee

Honeybee是現(xiàn)有的所有城市及建筑物理環(huán)境設(shè)計分析軟件中最綜合、最集成的插件之一。支持設(shè)計中后期的采光及熱力學(xué)建模，通過能耗計算內(nèi)核EnergyPlus和光模擬內(nèi)核Radiance，完成能耗計算、光環(huán)境模擬和結(jié)構(gòu)熱橋分析等。

表1 Ladybug Tools功能與運(yùn)用類型

1.3 Butterfly

Butterfly可以快速將幾何圖形導(dǎo)出到OpenFOAM并運(yùn)行幾種常見類型的氣流模擬，這些模擬對城市及建筑設(shè)計非常有用。模擬城市風(fēng)模式的室外模擬、模擬熱舒適性和通風(fēng)效果的室內(nèi)邊界驅(qū)動模擬等。

1.4 Dragonfly

Dragonfly能夠模擬及評估大尺度的氣候現(xiàn)象，如城市熱島、未來的氣候變化以及地形變化等當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩氐挠绊?。Dragonfly還能鏈接到多個數(shù)據(jù)集，包括國家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)的公共小時天氣數(shù)據(jù)和熱衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)集(LANDSAT)數(shù)據(jù)庫。Dragonfly使這些大型氣候變量可以在Ladybugtools其他工具中使用，其他工具可以將這些氣候數(shù)據(jù)作為分析和模擬的起點(diǎn)。

2 Ladybug Tools在生態(tài)城市設(shè)計中應(yīng)用案例

值得注意的是，LadybugTools還可銜接遺傳算法插件Galapagos，進(jìn)行單一性能最優(yōu)解計算或多變量權(quán)衡決策，即利用參數(shù)化算法進(jìn)行方案尋優(yōu)。LadybugTools+Galapagos這種多目標(biāo)優(yōu)化算法模型是以綜合性能指標(biāo)為評價方式，通過設(shè)定控制邏輯讓計算機(jī)自動完成復(fù)雜的計算和尋優(yōu)過程，在較短時間內(nèi)得到特定邏輯下的最優(yōu)結(jié)果[3]；這有助于超越以往“模擬-優(yōu)化”的人工模式，實(shí)現(xiàn)城市及建筑物理性能優(yōu)化的自動化，創(chuàng)新城市規(guī)劃美學(xué)，革新生態(tài)城市規(guī)劃設(shè)計方法。

KPF在IdeaBlock&MasterPlanLondon城市研究中，利用LadybugTools建立起一套較為成熟的以城市光環(huán)境優(yōu)化為導(dǎo)向的參數(shù)化城市模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋城市、街區(qū)和單體等不同尺度的設(shè)計模型，可以基于性能評價生成合理的城市、街區(qū)和建筑方案[4]。該項(xiàng)目在保證高容積率的基礎(chǔ)上，充分研究街區(qū)形態(tài)、街區(qū)尺度、城市光環(huán)境，并通過參數(shù)化編程定義最佳配置開發(fā)經(jīng)驗(yàn)法則。最終通過Galapogas遺傳算法自動生成性能最優(yōu)的城市街區(qū)規(guī)劃方案。

3 Ladybug Tools在生態(tài)城市設(shè)計中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 氣候數(shù)據(jù)分析

(1)Ladybug可以在設(shè)計初期幫助設(shè)計師了解一個城市的氣候特征，如日軌圖、干球溫度、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向、直接垂直輻射、間接水平輻射、總水平輻射、直接垂直照度等等。通過EPW文件導(dǎo)入Ladybug，可以直接以2D或者3D的顯示模式生成圖表，或者在模型上直觀的進(jìn)行顯示。例如，可以在日晷圖上顯示6月、9月、12月的21日全天24h的溫度、太陽位置及太陽高度角。

(2)Ladybug可以運(yùn)用Analysisperiod以及Conditionalstatement對特定時間段的限定條件進(jìn)行多組氣候數(shù)據(jù)的疊加篩選顯示，進(jìn)行日照、熱輻射、溫度、濕度，風(fēng)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。例如，通過Ladybug對北京全年的氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，全年大于26 ℃的小時數(shù)為1 178h，占全年總時間的13.45 %。而具有自然通風(fēng)潛能的時間(26 ℃小于干球溫度小于32 ℃，相對濕度小于80 %，風(fēng)速大于2m/s)為459h，只占全年時間的5.24 %。

(3)Ladybug還可用于生成焓濕圖進(jìn)行被動式策略的選擇。可以將幾種熱舒適度的策略進(jìn)行疊加，顯示不同策略影響下，舒適區(qū)的范圍，還可以顯示不同策略對整個舒適度的貢獻(xiàn)率以及作用時間。協(xié)助設(shè)計師進(jìn)行判斷，找出適合的策略或組合策略方式。例如，最適宜北京的被動式策略為直接蒸發(fā)降溫、高熱容維護(hù)結(jié)構(gòu)+夜間通風(fēng)、加強(qiáng)自然通風(fēng)、被動式太陽能采暖。其分別的貢獻(xiàn)率為2.47 %、2.15 %、2.48 %、24.50 %。通過以上的被動式策略，全年舒適區(qū)的比例從7.53 %提高到35.35 %(圖2)。

圖2 城市基礎(chǔ)氣候數(shù)據(jù)分析

3.2 城市光熱環(huán)境模擬分析與優(yōu)化

在城市光熱環(huán)境模擬分析方面，可以通過Ladybug+Honeybee計算城市街區(qū)的熱輻射、日照時間以及建筑群的采光。輸入模擬計算的城市的地理位置及氣象數(shù)據(jù)，分析的物體、周圍環(huán)境，設(shè)置計算時間及計算網(wǎng)格，最后進(jìn)行顯示模式的設(shè)定。Ladybugtools的分析相較于其他物理分析軟件，建模更容易，設(shè)置更簡單，計算更高效，不僅可以進(jìn)行平面計算，還可以對建筑群體進(jìn)行三維計算，實(shí)現(xiàn)方案調(diào)整與模擬計算實(shí)時交互，以及多方案的比較(圖3)。

圖3 城市街區(qū)的光熱環(huán)境模擬分析

在城市光熱環(huán)境優(yōu)化方面，Ladybugtools與遺傳算法工具Galapagos結(jié)合，可以展現(xiàn)出更多的應(yīng)用。

案例一：以成都冬季12月熱輻射量最大為目的，調(diào)整街道界面。首先確定街道兩側(cè)建筑群體量。通過Galapogas中基因池控制街道兩側(cè)建筑群各單體位置。通過迭代運(yùn)算計算得出街道的開敞空間和緊縮的空間，使整個街區(qū)冬季12月熱輻射量最大。通過遺傳算法優(yōu)化之后，整個街區(qū)熱輻射量對比優(yōu)化之前提升了8.17 %，并使街道空間尺度層次更豐富，形成了明顯的開敞與緊縮空間(圖4)。

圖4 通過Ladybug+Galapogas熱輻射模擬調(diào)整街道界面

案例二：以成都冬季熱輻射量較大并且容積率較大為目的，求得街區(qū)建筑群體最優(yōu)解布局。通過Galapagos中基因池控制街區(qū)的尺度(130m×150m～130m×180m)，朝向(南偏東45 °～南偏西45 °)，中心綠地的比例(35 %～65 %)，高層建筑的位置。之后將整個街區(qū)的12月熱輻射值累加，與街區(qū)容積率進(jìn)行權(quán)重求和，通過遺傳算法迭代運(yùn)算，求出兼顧容積率及冬季熱輻射的最優(yōu)解。最終，通過遺傳算法求解，最適合本街區(qū)的尺度為130m×160m，朝向?yàn)槟掀珫|28.3 °，中心綠地比例為36.7 %。綜合多種因素，街區(qū)建筑群容積率可達(dá)6.18，街區(qū)熱輻射單位面積熱輻射×容積率對比優(yōu)化之前(各變量取中值)提升了16.43 %。

此方法還可以作為其他多種環(huán)境因素與城市要素疊加分析的方法。但值得注意的是，盡管遺傳算法能自動求解，但規(guī)劃師或建筑師仍然需要占據(jù)設(shè)計的主導(dǎo)，提出需要參與分析計算的變量與參數(shù)，并且整個計算邏輯仍取決于設(shè)計者本身的主觀意識。在參數(shù)化設(shè)計求解過程中，計算機(jī)僅僅取代了重復(fù)、繁重且精細(xì)度較高的計算分析工作，而設(shè)計問題的分析與策略的制定、方案邏輯的展開與算法的編寫，都需要建筑師的思考與抉擇。參數(shù)化求解另一個優(yōu)點(diǎn)在于，最優(yōu)求解不僅僅限于單一結(jié)果，同時，還能記錄較優(yōu)的多個結(jié)果，即最優(yōu)族群。方便設(shè)計師在最優(yōu)族群中，挑選出更符合自己思維邏輯與形式喜好的結(jié)果(圖5)。

圖5 通過Ladybug+Galapogas對城市街區(qū)空間進(jìn)行模擬優(yōu)化

3.3 城市熱島效應(yīng)模擬分析

Dragonfly在城市熱島效應(yīng)模擬分析方面的應(yīng)用可以叫做Urbanweathergenerator城市氣候生成器。它通過一系列城市參數(shù)模擬城市建設(shè)活動對原始場地的改變。這些因素包括：

(1)建筑物的幾何形狀(包括建筑物的高度，密度，窗墻比和外觀，建筑面積)。

(2)建筑物用途(包括建筑類型，HVAC系統(tǒng)和人員和設(shè)備使用計劃)。

(3)冷卻系統(tǒng)向室外散熱(夏季)。

(4)室內(nèi)散熱到室外(冬季)。

(5)城市建設(shè)的材料(包括道路，墻壁和屋頂?shù)男顭嵝阅?，反照率和輻射?。

(6)交通產(chǎn)生的人為熱量(包括交通時間表)。

(7)植被覆蓋率(樹木和灌木叢)。

(8)來自城市邊界和冠層的大氣傳熱。

在模擬模型中，街區(qū)大部分辦公、商業(yè)、住宅建筑定義為新建，部分輔助建筑定義為1980年后建筑，辦公建筑玻璃幕墻或窗戶的比例為65 %，太陽得熱系數(shù)為0.35，屋頂反射率為0.5，城市街道由于車輛或人活動產(chǎn)生的熱量為10W/m2(參考新加坡商業(yè)區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù))，植物反射率0.35，道路反射率0.2。再輸入原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行對比分析后，得出模擬模型在7月，建設(shè)后比建設(shè)前，場地溫度升高了0.73 ℃。滿足DBJ51T009-2018《四川省綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》場地室外日平均熱島強(qiáng)度不高于1.5 ℃的要求(圖6)。

4 思考展望

城市基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)、交通路網(wǎng)、綠化景觀、街區(qū)尺度、建筑布局等對城市室外光熱環(huán)境有重要影響。合理的被動式策略和規(guī)劃布局可改善群體建筑的光熱環(huán)境。在城市因素和環(huán)境因素疊加的生態(tài)城市設(shè)計過程中，研究不同策略間的關(guān)系可一定程度指導(dǎo)設(shè)計的進(jìn)行，但卻不可避免地存在大量的重復(fù)冗長的計算工作。Ladybugtools作為建筑參數(shù)化設(shè)計平臺Grasshopper下的插件，高效整合了已有的成熟的物理環(huán)境模擬工具計算內(nèi)核，可以極大地提高規(guī)劃師、建筑師的工作效率，將參數(shù)化生態(tài)城市設(shè)計方法變?yōu)榭赡堋?/p>

圖6 城市街區(qū)熱島強(qiáng)度模擬分析