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ladybug tools采光模拟软件辅助建筑遮阳(三)
ladybug tools采光模拟软件辅助建筑遮阳(三)ladybug tools软件应用（三） 基于Octopus帕累托前沿解多目标寻优原理 求解建筑可变式外遮阳设计参数方法研究 注：本文为2026创研课题《夏热冬冷地区气候响应式建筑自适应遮阳体系参数化模拟与动态控制研究》的阶段研成果，是从绿色建筑采光、遮阳与能耗等性能多目标优化出发、实现建立建筑外遮阳体系自主响应气候变化的相关设计技术体系和模拟分析工作流程的基本方法。 一、基本原理 鉴于在之前的研究《ladybug tools软件应用(二) ——基于ASE单目标遗传算法分析下遮阳设计参数自动寻优》中发现：采光有效性指标sDA和ASE值存在偏离。不仅是采光与眩光存在矛盾、采光与能耗同样不是正向关系，通过ASE、UDI及建筑能耗等多目标耦合一定是权衡建筑性能设计更合理的方法。 （一）多目标优化原理 1、广泛适用于遮阳/表皮、窗墙比/SHGC等设计优化，基于Grasshopper （Ladybug、Honeybee）平台与 Radiance及Energy-Plus引擎，通过多目标迭代寻优求解器，在不恶化某一性能指标的前提下提升其它性能指标，并获得设计参数多组解，实现建筑设计参数与多个性能目标之间的互动关系权衡分析。优化性能对应多目标(3个及以上)，常用于建筑自然采光遮阳模拟分析的性能目标包括： 1.1.ASE：眩光区域面积比 一年中室内自然光照度值大于1000lux、且时间超过250h的区域面积百分比。一般要求ASE≤20%，LEED4.1标准要求不大于10%。否则应配置遮阳设施。 1.2.sDA即sDA(300/50%):有效采光面积比 室内工作区域在一年中至少50%时间且自然光照度值达到300lux的面积百分比。LEED标准从银、金到铂金级分别要求sDA≥40%、55%和75%； 1.3.UDI（Useful Daylight Illuminance）:有效天然光照度 工作平面上，全年使用时段内天然照度在“舒适可用区间”的时间占比（%）,即自然光照度值100~2000lux范围的时间与工作时间的比值。 1.4.EUI（Energy Use Intensity）：能源利用强度 表征单位面积全年消耗能源强度，统一折算成等效电能或热值，用来横向对比不同体型、面积建筑能耗高低。EUI=建筑年总能耗/总建筑面积 1.5.GA（glare autonomy）：全年不眩光时间百分比 全年工作时间内，室内某点不发生不舒适眩光的时长占总工作时长的百分比，是采光眩光年度评价核心指标。 GA=∑全年无眩光工作小时数 (DGP<0.40)/1800（全年工作小时数）×100% LEED4.1最低标准要求GA不小于80%。（80~90%、90~95%、大于95%三挡） 2、采光遮阳的设计参数（变量）包括：水平垂直遮阳板出挑尺寸（长或深度）、遮阳百叶板宽、倾角、数量及间距等。 （二）设计参数（变量）与优化目标选择 1、变量（Genomes）选取 设计参数（变量）的相互组合将生成大量设计策略。通过对每个方案进行各项建筑性能模拟，可以评估这些设计策略的优劣和性能侧重，筛选出符合使用者或设计者需求的策略。这种穷举法虽然实现和理解较为直接，不依赖复杂的算法或假设，但计算量大、耗时长，不适合处理高维设计问题（多个设计变量和多个性能设计目标的问题）。相比之下，多目标方法擅长处理具有多个相互冲突目标函数的寻优，允许调查更大的解空间。该法能够快速找到多个最优的设计策略，称为“帕累托前沿”（Pareto Front）。针对这种方法，本研究计划将主要遮阳控制参数（选择前面所述的遮阳百叶宽度、倾角及数量） 接入 Octopus-Genomes，并限定合理参数区间。 2、优化目标（Objectives） 选取
3、约束（Constraints） 添加硬性限制：ASE ≤ 0.2，不满足的方案直接淘汰，减少无效模拟。 （三）多目标寻优分析工具 1、分析工具选用： GH 平台中两个常用的多目标优化插件Octopus（八爪鱼） 和Wallacei（图）。Wallacei 作为外接插件能兼容更多的优化参数和更多维度的目标，同时具有更强的分析和可视化能力。本次选用Octopus 是GH自带的分析插件，其普遍用于较多优化目标，可以对相关的10个以内设计变量进行计算。 2、算法核心设置 算法：SPEA-2 / NSGA-II（通用） Population(种群)：20-30，Generations（迭代）：10-20 3、Octopus工作原理 Octopus工作原理以求解各指标的综合最小值（Minimize）。如目标前期阶段分析获得结果是最大值，则乘以-1代入计算；如目标前期阶段分析获得结果为大于1的常数，则首先应将求解阈值转换为0~1区间。Octopus求解运行后弹窗生成二维(2个优化目标)或三维（3个及以上优化目标）的帕累托前沿图，图上每一个点对应一套遮阳设计参数；优先选择靠近坐标轴拐点的方案——及在ASE达标前提下sDA最高、同时建筑夏季防止过多日照辐射同时兼顾冬季得热最优，兼顾采光、防眩光与建筑能耗。没有最优解，而是多个目标优化结果权衡后的几组解（集）。（见图1） 图1：Octopus求解界面
二、求解方法 （一）求解步骤 第一步先建立准确且简单的基准模型。要在同一研究类型下具有代表性，若是对建筑进行改造，则可将改造前的建筑作为基准模型。 第二步是从建立的基准模型中确定对应性能寻优的设计参数，确立好参数后方可进行性能模拟。性能模拟一般分为两大类，包括能源性能模拟和环境性能模拟。能源性能有制冷、制热、照明等，环境性能有风、光、热、声等要素。本次研究将与自然采光、防眩光及日照得热关系重大的建筑外遮阳（百叶）尺寸、旋转角度、数量（或间距）作为设计参数(变量)，并以室内自然采光舒适度（包括有效采光面积比sDA与眩光面积比ASE）及与建筑能耗密切相关的冬夏季日照辐射量作为模拟分析目标。 第三步为多目标寻优计算。将建筑外遮阳设计参数（宽度、数量、倾角）、以及性能优化的多目标分别接入Octopus电池组的Genomes端与Objectives端，10~20代迭代分析获得前沿解（集）。 （二）建立准确且简单的分析模型 1、建模方法： 在Rhino界面（以平面图为底图）新建分析模型，然后通过GH插件定义；建模可以通过墙体、屋面等FACES（面）建立，也可以通过SOLID（体块）建立。建模应注意需要按照采光、能耗模拟分析的需要分解为外墙、屋顶、外窗（外门）及遮阳等不同图层——外窗及遮阳构件等也可以直接使用GH插件生成——不必独立建模。另外如拟增加房间室内照度模拟分析准确性，也可以确定室内家具的大致布局。 本项研究以某实际项目高层塔楼为原型，在Rhino平台建立标准层平面(房间)模型，并通过Grasshoper定义其外围护结构——屋面、外墙构造集，以及外窗及建筑外遮阳，定性为办公楼（Large Office）。 
图2：办公塔楼标准层模型（外窗按照层WWT0.7生成，窗上槛0.8m/窗下槛0.1m） 2、建筑构造参数设置：（不考虑地方标准以及绿色建筑评价标准要求） 构造集设置方法1：选择LBT软件自带的ASHRAE90.1-2019标准（美标） 构造集设置方法2：依据我国现行规范——《公共建筑节能设计标准）2015版及《建筑节能与可再生能源通用规范2022》。与构造集相关热工指标见下表：
3、采光测试点设置 根据《公共建筑节能设计标准GB50189-2015》规定，采光测试工作面高度为0.75ｍ，在房间按照1MX1M敷设均匀分布采光测点。 4、气象环境参数及透明幕墙的工况 4.1环境气象数据导入上海市的CSWD(中国热工况标准值)。 
注：《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015（以下称《公建节能标准》）3.3.3第3条：当设置外遮阳构件时，外窗的太阳得热系数应为外窗本身的太阳得热系数与外遮阳构件的遮阳系数的乘积。即SHGC==SHGCg*SD(建筑外遮阳系数) 5、外遮阳设计参数（变量）设置： 建筑外遮阳形式设置为外挂【竖向】百叶、起始点从外窗【左侧】（横向百叶则为下侧），（遮阳百叶反射比0.85、可见光透射比0.15），百叶与窗户间距选择默认值（0），【百叶宽度】【百叶数量】、【旋转角度】等设计参数作为变量。其中百叶宽度间值0.1~0.9m，百叶数量区间值1~10，旋转角度区间值0~60度（整数值）。（见图4） 
（三）多目标寻优分析工作流 1、筛选出典型房间作为模拟分析对象 出于计算成本考虑，对计算模型进一步简化处理——从标准层15个房间选出遮阳影响相对显著的1个房间作为分析对象——具体方法通过能耗分析模版分析发现日照影响下室内温度最高房间（见图5、图6）。 
图6：选取出典型房间后的模拟分析模型 2、建立冬夏季日照辐射量差值计算工作流 在本阶段，分析的核心聚焦于遮阳构件对直射太阳辐射的物理阻挡能力。针对夏热冬冷地区的气候特征，将夏季分析时段设定为 6 月至 9 月，冬季分析时段设定为 12 月至 2 月。外遮阳构件的几何形态（如百叶旋转角、间距及伸出深度）被设定为连续变量参数。第一阶段的优化目标函数为冬夏两季透过窗口直射太阳辐射总量的差值最大化，数学表达式为： 
即夏季被遮阳构件遮挡后的直射太阳辐射总量与冬季被遮挡后的直射太阳辐射总量的差。通过最大化该差值，能够求解出在夏季防热性能最佳且冬季太阳辐射损失最小的几何构件极限形态。 
由于此阶段优化目标单一（仅针对冬夏辐射差值），可采用单目标遗传算法的 Galapagos 求解器进行分析。通过第一阶段分析发现百叶宽度0.2m、百叶数量9的组合相对经济合理，因此将百叶宽度及数量固定下来。（见图8） 3、建立采光、遮阳及热环境双重约束下的多目标帕累托求解工作流 遮阳构件在遮挡直射太阳辐射的同时，会同步削减进入室内的漫射自然光，容易引发室内采光不足或光环境不均等问题。为平衡遮阳与采光的内在矛盾，第二阶段引入动态采光评价指标——空间采光自主度与年日照过量曝光率，将优化过程拓展为多目标耦合求解。空间采光自主度sDA用于评估工作面上照度达到或超过300lx的时间比例不少于50%的区域面积百分比，反映自然采光的充足性；年日照过量曝光率ASE用于评估工作面上直射日光照度超过1000lux的累计时间超过250h的面积百分比，反映潜在的视觉不舒适与眩光风险。第二阶段基于 Honeybee 调用的 Radiance 引擎，在第一阶段导出的辐射能效最优解基础上，将“最大化sDA”与“最小化ASE ”设为新增优化目标，采用多目标遗传算法求解器 Octopus 进行计算。Octopus 在多维目标空间中搜索并生成帕累托前沿解集（Pareto-optimal set），从而使设计团队能够在不恶化冬夏热辐射量调控性能的前提下，挑选出兼顾采光自主度与眩光控制的最佳几何配置（阈值区间）。（见图9） 
图9：第二阶段遮阳百叶变量—旋转角度与多目标寻优模拟分析脚本 4、分析结果： 经迭代计算，多目标前沿解条件下的百叶角度区间值在26度~33度之间（因本次分析的典型房间为南向、西向开窗，因此推算东侧房间外窗旋转角度应为-26度~-33度）。根据多阶段分析结论：确定百叶的设计参数：宽度0.2m、间距180mm、旋转变量范围-33~+33度。此区间旋转角度越小（趋近26度）——有效采光面积比sDA值越高，随着旋转角度增大（趋向33度）——冬夏季太阳辐射量差值有稍微增大。在此变量期间，眩光区域面积比指标ASE均<10%且变化近零。 注：竖向百叶垂直外窗工况角度为0度，由东向西旋转为正值（0~60度）。 结语 优化逻辑的有效性：通过将遮阳优化拆解为“冬夏辐射差值最大化”、“光-热多目标帕累托求解”两个阶段，通过第一阶段收敛分析变量，并在第二阶段将第一阶段优化目标不恶化前提下寻优其它两个性能指标的相对最优，打破了传统静态遮阳在冬夏两季热需求与全年采光需求之间的博弈僵局。 模型降维与工程实用价值：采用“模型优化 + 采光分析典型房间”等降维策略，克服了多目标优化中计算成本过高的技术瓶颈。基于 Grasshopper 开发的分析模板，可无缝对接新建绿色建筑的方案中遮阳构件设计，或既有建筑的外立面低碳改造，为实现建筑围护结构的智能化、低碳化转型提供了可重复、可量化的计算方法论。 附录：相关术语 气候区： 《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016将全国划分为五大气候区：严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区，分区指标以1月和7月平均气温为核心，辅以湿度、冻土、日照等参数，直接指导建筑设计的保温、隔热（遮阳）、通风等策略。 采光系数daylightfactor（DF）： 在室内参考平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。衍生概念：采光系数标准值、室内天然光照度标准值（两项合称为采光标准值） 全年天然采光时间百分比daylighting autonomy（DA） 全年时间内，室内工作面高度处天然采光满足最小照度值的时间与工作日总时间（8:00-17:00）的比值。 全年不眩光时间百分比glare autonomy（GA） 全年工作时间内，室内某点不发生不舒适眩光的时长占总工作时长的百分比，是采光眩光年度评价核心指标 照度illuminance： 表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量除以该面元面积之商。 室外照度exteriorilluminance 在天空漫射光照射下，室外无遮挡水平面上的照度。 室内照度 interior illuminance 在天空漫射光照射下，室内给定平面上某一点的照度。 年平均总照度annualaveragetotalilluminance： 按全年规定时间统计的室外天然光总照度。也称为年太阳辐照量 单一立面窗墙面积比windows to wall ratio（WWR）： 建筑某一立面的窗户洞口面积与该立面的总面积之比，简称窗墙面积比。 注：以上摘自《建筑采光设计标准GB50033-2013》 太阳得热系数solar heat gain coefficient （SHGC）： 通过透光围护结构（门窗或透光幕墙）的太阳辐射室内得热量与投射到透光围护结构（门窗或透光幕墙）外表面上的太阳辐射量的比值。太阳辐射室内得热量包括太阳辐射通过辐射透射的得热量和太阳辐射被构件吸收再传人室内的得热量两部分。热力学领域称为太阳能增益系数。SHGC是评价门窗、玻璃幕墙等透光围护结构隔热与遮阳性能的核心指标。 可见光透射比 visible light transmittance（VLT）： 透过透光材料的可见光光通量与投射在其表面上的可见光光通量之比。 遮阳系数Shading Coefficient（SC）： 《公共建筑节能设计标准GB50189》2005版的术语，定义为通过透光围护结构的太阳辐射室内得热量，与相同面积的标准玻璃（3mm厚的普通透明浮法玻璃）的太阳辐射室内得热量的比值。标准玻璃SHGC理论值≈SC*0.87 
