Research on Building Method and Tool Platform of Performance-oriented Office Buildling Skin Information Modeling
舒欣| SHU Xn方正燃|FANG Zhengran唐超| TANG Chao陆伟东| LU Wlecdong
摘要：本文立足建筑信息建模[BIM）与性能驱动的设计思维，提出了性能导向的办公建筑表皮设计方法：结合BIM构件管理、参数化建模、性能模拟与优化算法等技术，构建了兼具动态性和交互性的表皮信息建模技 术路线：以表皮性能为目标开发技术平台.为长三角地区的办公建筑表皮设计和性能提升提供技术支持，并结合案例验证设计方法及技术平台的可行性.
关键词：性能优化、建筑信息建模、表皮设计、参数化设计、交互平台
Jojad e buug u5isap uanup-aueuoad pue (wie) Suapow uogeuoju) 5upng uo paseg oensqy
performance simulation and optimization algorithms a dynamic and interactive fagade information modeling usap qaueed wg uuqwo q pasdod sem supq ayoo poau ufisap pee pquuooueprocess was establishe atechnical platfom was developed based on fagade perfrmance as the goal. providing technical support for fagade design and performance improvement in office buildings in the Yangtze River Deltaregion and the feasibility of the design method and techical platfom was verified through case studies.
Keywords; Performance optimization. Building Information Modeling (BIM) . Skin design Parametric design. Interactive platform
作者：
舒欣，南京工业大学建筑学院副 教摄：方正燃，南京工业大学建筑学院 硕士研究生唐超，华东建筑设计研究院有限 公司助理工程师陆伟东（通讯作者），南京工业大 学土木工程学院教授，江苏省绿
建筑信息建模（Building Information Modeling.设领域实现2030年前碳达峰目标莫定基础.建BIM）理论自推出至今已广泛应用于工程实践中，筑与环境相互影响和作用的性能关系作为设计导 并涵现出各类BIM建模工具.BIM技术通过信向受到重视，而绿色建筑设计标准的提高与数息集成代替图纸，将建模对象由筒单的几何图元字技术的飞跃为“性能导向”的设计思维发展提形结合体”网，为建筑行业的数字化转型奠定了技具成果选择与主观控制，发挥了设计者的主现约随着全球气候环境问题的日益严峻，可持续挥了数字技术优势，具有更强的节能设计可能性 束作用：而相比“自上而下”节能设计思维又发
转换为包含几何，材料，构造等复合信息的“数供了契机，其相比“自下而上”节能设计思维更术基础.
色建筑工程技术研究中心主任，
LCA的气续适应性办公建筑表 国家自然科学基金项日“基于BM-皮模块化设计优化方法研究 ()
江苏省自然科学基金项目“性前 导向的办公建筑表皮气候适皮性和模块化设计优化方法研究 (BK201906801
和绿色建筑议题受到各界普遍关注.住建部于探索能力.
江苏省住房和城乡建设厅科技项 日“现代木结构产能建筑关键技术研究与示范”（2024H09）.
建筑发展规划》中，提出“到2025年，新建建标与物理环境响应相结合，通过多源数据建模与筑全面建设为绿色建筑”的总体框架，为城镇建优化，实现高性能建筑环境的协同生成，在
录用日期：2025-07
能设计融合的流程，工具与平台展开了大量研究，或果可分为以下几类：
(1）设计流程研究：孙晓峰等通过追计中的潜在优势，建立了面向设计全过程的BIM辅助设计流程及BIM模型文件组织方式
(2）性能优化与节能设计应用：Moha-mmed Rahmani Asl 提出了-个基于 BIM 的 性能优化的集成框架BPOpt：宋谨标通能过文献综述法，对比分析法，模拟法，案例法探究了BIM技术在节能设计及绿色评价中的应用：杨宏字等分析了“双碳”用：袁烽团队利用智能算法，以一种数 背景下BIM技术在装配式建筑中的节能运据驱动的方法来生成和分析建筑形体
(3）工具与平台开发实践：Ravi性能评估提供了重要框架，用于设计，操作和维护低/净零能耗建筑环境及其他环境：孙红三等针对DeST软件的发展，开发了该软件的gbXML接口，完成了软开发一个包含过程，材料库和连接BIM和 件BIM能力的提升：JungsikChoi 等通过能源建模的EPA支持系统的环境，提高基于BIM的EPA（能源绩效评估）的互操作性：张竞宇等构建了一种以绿色建筑节并以节能为目标建立了技术平台 能性能为导向的住宅智能生成设计方法，
性能导向的建筑设计方法强调客观环境条件与主观设计决策之间的动态耦合关系，其目标在于通过数字化手段提升设计 方案的环境适应性与综合性能表现，BIM作为建筑全生命周期信息的载体，已在建筑性能导向设计中得到广泛应用，并形成了涵盖建模，分析，与协同的初步体系.然而，随着设计复杂度的不断提高，尤其是在多目标优化与构件级集成建模等
此过程中，BIM技术成为支撑性能导向设方面，现有BIM流程在参数关联性与人机和设计推进，再转换为专用的分析模型来计的核心手段.国内外学者围绕BIM与性交互效率上仍存在进一步拓展的空间.
计直接影响建筑的热舒适性，光环境与能 耗调控与室内环境调节的关键界面，其设要以调控和决策的身份介入表皮设计流程，溯CAD起源并分别论述CAAD各发展阶段源绩效.现有研究已在表皮性能模拟，建技术特征，总结了BIM与参数化设计运行模策略与优化方法等方面取得一定进展，的逻辑模式及二者间的差异”：丁熠等分析且有大量聚焦设计前期的性能评估及多目 传统建筑设计流程存在的问题及BM在设标优化的先例.在此背景下，本文旨在整合BIM建模.参数化设计.性能仿真模拟及多目标优化等工具，提出一种面向办公建筑表皮的性能导向建模方法及工具平台.该方法通过构建参数化的构件体系，建立信息流与机制，实现建筑表皮性 能数据与设计模型之间的高效联动，助力建筑师在复杂性能目标下进行多轮次，可视化的优化选代.
一，性能导向的办公建筑表皮设计 方法和信息建模体系
程中：另一方面，需要确立表皮信息建模流程体系与人机交互的关联逻辑，为表皮优化程序提供理论支撑和实现路径.
1.性能导向的办公建筑表皮设计方法
随着数字化技术的发展，性能模拟.参数化设计，优化算法等新兴技术开始参与到建筑设计的各阶段中，通过科学方法将建筑信息建模和数字化技术有机结合也为线性工作流，以设计模型为主体做剖析段中推进细化的良性循环.
图1.性能导向的表皮设计方法
模拟建筑光环境，风环境，能耗等性能与此同时，办公建筑表皮作为建筑能而性能导向的表皮设计方法中，设计师主：修正建筑表皮的各种变量，如位置，范围覆盖程度，形状，可调节程度等通过实时的交互界面和智能算法，动态生成并优化设计方案.这种基于数字化技术的设计方法从顶层决策入手，将角色关联和设 计因素进行合理组织，采用数学逻辑进行层级判断，这一方法不同于传统线性表皮设计模式对结论的重视，强调动态过程和多层次的系统性分析（图1].
过引入建筑性能参数，在建筑信息建模中 性能导向的办公建筑表皮设计方法通建立一个动态且互动的工作流程，有效发挥绿色性能模拟对于方案设计的积极作用利用参数化工具对建筑设计阶段的环境性能因子与表皮设计因子信息做量化 处理P，使其能通过计算机运行逻辑生成更精准的性能优化方案，并支持任意阶段建立性能导向的办公建筑表皮设计体的调参及可视化图形的转译.围绕设计环Srinivasan讨论了D-BIMWorkbench开发的系，一方面需要建立相应的设计方法论，节以设计者为主体完成表皮信息呈现，强初步研究，其为在BIM中进行综合建筑引导性能优化理念贯彻到整个表皮设计流化性能对建筑表皮设计流程的影响，允许 i 通过选代优化和即时可视化呈现不同设计的效果，以促进建筑信息模型的实时更新和，实现更加忧质高效的设计成果，
表皮方案的性能模拟和数据处理依靠底层代码处理复杂计算，设计者在交互过 程中无须涉及数理逻辑层面的构建，仅关注建筑本身的信息录入与读取，通过引入遗传优化算法，为设计者提供寻优通道，按照预定的性能标准筛选出可行的替代方面临新的可能.现有的表皮设计模式通常改效率，降低设计优化成本，促成设计阶 案供选择，有效提升办公建筑表皮方案修
2.性能导向的办公建筑表皮信息建模流 程体系
性能导向的办公建筑表皮信息建模与技术体系，通过对办公建筑表皮进行细致的拆解和重组，建立一种高性能参数关联和高用户交互性的建筑表皮构建流程.BIM模型的几何信息，材料属性，尺寸大小和构造方式等要素需具备多层级的参数 化控制以及自适应调控，能根据性能综合最优路线实时更新要素信息并即时显示模型信息，以确保设计师能够在设计过程中，随时掌握建筑表皮的性能表现从而做出相应的调整和优化.此外，为契合用户 的全过程使用，提高主观参与性，建筑表皮构建流程在用户交互方面加强可读性，以直观的可操作界面代替性能量化数据.调整和性能评估[图21.依据设计阶段的 文字和图表，便于使用者进行实时的参数推进程度，构建流程可分为交互性建模和性能导向的参数化调参两个子部分.
建筑表皮的交互性信息建模环节主要在设计初期，信息建模的核心在于如何支持设计者基于任务书要求和场地条件进行快 速响应和性能，设计流程通常由建筑师主导基本体量和构造形式的确定，幕墙设计师则在此基础上对表皮系统进行细化设计.应支持多角色参与，并实现从设计输入到 因此，一个具有协同能力的数字化平台，性能的高效交互.基于参数化建模环境(如 Rhino/Grasshopper Revit Dynamo 等).可将地理位置，建筑形态，构造选型等前置条件转化为设计参数，并实时生成对应的建筑体量和表皮系统，设计者可通过界 面划分房间功能，指定空间用途，系统则自动识别图层信息，匹配如办公室.走廊会议室等典型功能单元，并生成与之相适配的性能模型.同时，性能模型借助联动程序，与BIM模型形成联动关系：当构件 参数调整（如遮阳构造，开窗比例）时，系统将即时建筑能耗，采光，通风等指标，以图表和空间可视化方式呈现，
计过程进行.在表皮构件库中，设计者可 性能导向的参数化调参环节则结合设
依据设计意图，自主选择建筑表皮的形式及分隔参数，自动处理数据信息并生成大致框架，并实时链接到BIM模型中.随着方案的深入推进，设计者根据实际需求 对表皮作细分和深入设计，在提供的多种数字化表皮中筛选合适方案，随后，基于表皮几何信息与性能信息，计算机自动生或易解读的可视化图表，最后借助遗传算级，在该环节中，设计者可随时对方案进 法提供性能优化后的方案比选以及绿建评行再划分，调参，比选，并实时浏览表皮
图2：办公建筑表皮参数架构与设计要素交互
图3.性税导向的办公建筑表皮信息建模流程
性能数据和模型信息.
总体而言，交互性建模侧重于建立一个用户友好的建模环境，令使用者能够设置：性能导向的参数化调参则侧重于 通过直观的界面进行模型构建和初步参数设计的后期阶段，通过复杂的参数化控制和自适应调控机制，进行深入的性能优化和调整，这种分阶段的设计流程，能够实现模型的简便操作，性能数据的优化筛 选，以及性能导向表皮方案的多样性生成(图3).
法体系下的技术平台
皮设计方法，笔者基于BIM软件，参数化 为完善并落实性能导向的办公建筑表程序和智能算法研发了新一代表皮优化设自计工具平台“Fagade of BIM-LCAFBL"，该平台是面向设计师的长三角地区办公建筑表皮性能优化设计与综合决策平台，旨在 通过人机交互为性能导向的信息建模过程提供实时，可视化的决策支持.
FBL平台根据办公表皮设计需求以及存在问题，综合考虑表皮设计中的数据传输，性能，方案寻优等内容构建协 同工作流.平台基于Rhino/GrasshopperArchiCAD，Ladybug 以及遗传优化算法，以GH为底层编辑语言，与BIM软件联动调取表皮构件信息，并生成性能模型，为设计师可视化性能数据以及寻优 方案.
1.办公建筑表皮信息建模生成算法开发
数化表皮的生成逻辑及对界面程序的预 平台前端的人机协同界面源自对参想在Visual Studio 中建立GrasshopperAssembly for Rhino 7（C#）新项目，从程序内部引入WPF（Windows Presentation Foundation，用于开发桌面客户端应用程序并使用C#语言进行程序代码编写.在界面搭建中，选用了TextBlock用于展示标签文字，TextBox用于参数输入.ComboBox提供参数选项切换，ExpanderLstViewitem用于数据或模型状态的列表 用于分类折叠管理，Button用于指令触发，显示.此外，前端界面可实时读取模型状态与参数数值，并通过事件绑定机制联动后端逻辑，实现界面与参数模型间的双向通信.
程序后端借助Rhina/Grasshopper，按模块编译电池组作为底层架构.电池组可分为模型建立和转化，参数调控，构件库调取，性能优化四种类型.结合C#语言编写的代码实现底层与前端实时同
二、性能导向办公建筑表皮设计方步，根据用户需求在各个阶段生成相应结果.每个模块均由多个已定义或自定义的Grasshopper组件构成，部分复杂逻辑通过嵌入C#脚本组件实现扩展功能，这些电 池组在界面调用时根据用户所选设计阶段自动激活生成模型或参数的结果，确保用户在不同设计节点均能获得对应的数据响应与模型输出.后端程序通过C#语数，几何与性能指标的实时同步更新.例 言与前端WPF界面共享数据通道，实现参如，当设计者在前端更改窗墙比例或选择特定构造节点时，后端可立刻执行参数联动.模型更新及性能数据重算，最终以图形化形式返回至界面.
数据库建立于ArchiCAD中，通过现场调研和数据采集，预先构建了几十种框库，表皮库，构造类型，以便在“表皮构件库”和“数字化表皮”模块选择构件类型时进行参数调用.在研突初期阶段，对 主流的建筑信息建模平合进行了系统调研与对比分析，考察了Autodesk Revit 与Graphisoft ArchiCAD在参数化交互、性能联动，构件提取等方面的适配性，对比发现ArchiCAD平台原生的轻量级模型管理与 构件参数结构，结合Grasshopper-ArchiCADConnection插件，能够更加顺畅地将参数化流程中生成的几何体快速转换为可编辑的 BIM构件，因此以ArchiCAD 作为 BIM平合基础，借助 Connection 插件在GH中 即时调取存放于BIM库中的构件模型和数据，并利用前端程序界面呈现给设计师，形成三方闭环.
图4.技术平台搭建架构
工具平台人机交互的便捷性主要借助Visual Studio Grasshopper ArchiCAD 三和种工具实现，利用计算机技术对输入数据作据库以确保表皮构件的准确有效，同时通 快速运算处理并输出可视化结果，统一数过遗传算法计算生或多个备选方案以供设计师遵选（图4）.具体的算法逻辑如下：
[1]首先限定长三角地域范围，在南京，上海，杭州等城市对办公建筑进行 实地勘测调研，结合相关规范，设计企业和施工单位的资料归纳表皮构件的常见构造类型，总结表皮选配规律，提取表皮模数关系.同时结合理论研究，归纳出玻璃种表皮类型，基于RHhino建立相应表皮模 幕墙、窗洞表皮，复合表皮，自由遮阳多型以验证其可行性.再将模型转化为基于Grasshopper的参数化表皮模型，并添加于表皮构件库中.每一种表皮根据其不同特性结合相应的参数设置项，如：玻璃幕 墙支持表皮面偏移，外观样式的修改：窗洞表皮支持对不同表皮面做窗格密度，间距，大小的设定：复合表皮可针对不同表皮面设置不同幕墙形式，以及幕墙的分段数，桃出深度、平移比例，同时，各类表 皮形式均支持添加可调参遮阳系统.
[21由于平，立面的复杂性和不确定性，程序巧妙地利用网格对平，立面进行满铺划分，基于网格的拓扑关系及Grasshopper的数字处理能力，将平，立 面根据设计师意图划分为含有自定义设置的具体功能区块，用于平面房间功能及立面表皮形式的设定，在此基础上，平，立
面参数在后续使用过程中仍支持修改和再划分.
Connection插件将ArchiCAD 建立的构件库 [3 1 借助 Grasshopper-ArchiCAD导入Grasshopper中，以便后端运行时随时调用，在“表皮构件库”“数字化表皮”各参数设置后.即可在ArchiCAD平合实时生成包含各构件非几何信息的BIM模型.
性能模型，与BIM模型一样，同步跟随 [41根据输入的体量，表皮数据生成程序界面的参数调整而变化，性能分析阶段使用 Grasshopper 的 Ladybug Tools 调用EnergyPlus OpenStudio. Radiance 计 算 引I擎对模型做性能计算，并自动生或可视化 数据图表.
[5]平台“表皮构件库”与“数字化表皮”两大模块中的部分参数用于创建Grasshopper 中的 slider 数字滑块，将 slider的名称设置为“wlc_（任意名称）”格式. 此参数便可由 Wallacei进行批量播提，进而成为遗传因子.通过Wallacei 进行遗传优化后，得到可视化的总体标准差，适应度值和菱形图等，再采用多种方法对仿真结果进行可视化数据分析，得到多样化表 皮设计方案.设计师可根据优化结果对方案进行自主遗选，程序会依据选择生成数据列表，显示所选表皮的具体类型，尺寸，间距等信息，井且依照相关绿色建筑规范和评价标准生成雷达图，供设计师参考.
基于 Grasshopper.ArchiCAD.WPF 多方搭建的表皮优化程序，有效避免了上文所述的设计过程存在的问题，优化联动体系，提高构件库的利用效率.其算法逻辑主要采用数据处理算法和优化算法，形成 可实时修改，实时呈现的非线性参数化流程图5].
2.性能导向的建筑表皮设计平台技术路线
性能导向的建筑表皮设计平台以开放数据为沟通媒介.人机交互性为特点，涵盖了表皮设计过程中从模型建立到方案寻优的各个环节，为设计师和工程师提供协作基础和工作便利.其技术路线主要包括
建筑概况.表皮构件库、数字化表皮.性能优化四个功能模块（图6）.
（1）“建筑概况”模块将使用者输入理，合并转换成不包含表皮构件信息的基 的初始形体及划分后的平面功能统一处础BIM模型，通过特定图层进行体量录入，程序联动修改几何体量，保持设计师对设计语汇的高度关注.在BIM模型的基础上，1 设计师能够对建筑体量、柱，平面、立面 做具体参数的设置和调整，并修改屋顶楼板，墙体的构造形式，从而在设计前期干预和影响“表皮模块”的参数控制，以及“性能模块”的性能计算结果.
模型添加含有构件信息的建筑表皮，包含 （2）“表皮构件库”模块是为基础BIM框库，面板库、墙库，平面幕墙库、窗库，遮阳库，实体幕墙库等.表皮构件库的相关参数控制合通过拾取Rhino中几何定使构件尺寸参与遗传优化，设计师首先 线稿进行构件快捷设计，还可通过调参设需对立面大致划分以确定表皮外观基调
图5.办公建筑表皮信息建模算法逻辑
从中设置墙，框，板，遮阳等构件的具体参数信息：其次借助参数化-BIM联动插件在平合界面浏览各构件储存于ArchiCAD中的构造，材料选项，每个选项包含密 度.材质，隐含碳：反射率等物理信息，进行构件性能筛选.
（3）“数字化表皮”模块承接于参数化构件定制之后，将数字化表皮划分为玻璃幕墙，窗洞表皮，复合表皮，自由遮阳四类. 这一模块的作用是在对立面进行大面划分，设定好构件类型，大小、间距，材料等参数后，对表皮的具体形式和类型进行设置.不同类型表皮设置面板支持不同特征数值输入，如：“玻璃幕墙”支持幕墙选型，表 皮面偏移的修改：“复合表皮”支持分段数挑出深度，平移比例的修改，表皮的各项参数设定会自动通过Grasshopper电池组运行，在Rhino中显示可视化模型
人机交互的系统设置，设计师可根据需要 （4]“性能优化”模块提供了更多便于加入场地.经费，绿建评级.施工时间等
