计算机模拟技术是深化研究的利器，在通过基本概念评价，获取基本形态要素的相关数据结合具体的环境参数和条件，对基本判断进行的校核调整，可以更为直观地获得模拟评价的结论和规律，是形态设计深化、优化、创新的理性科学的重要依据。在高层建筑形态的生态效益评价中，可以采用的计算机模拟评价软件。其可分为两类：一类是跨行业借用国内外已有的成熟能耗评价软件对本研究中的高层建筑形态问题进行应用；另一类是针对本研究的独特视角，针对高层建筑的形态与其能耗之间的关系，专门设计评价模型及软件。
第一类借用的已有评价软件主要有：室外风环境模拟软件Fluent、室内风环境模拟软件Airpak、Algor、室内自然采光与人工照明模拟软件Radiance。由于此类软件都是通用计算软件，都不针对特定行业（尤其是建筑行业）进行优化配置，所以使用过程中发现，其计算条件参数的设置具有很大的商榷空间。比如，常用的汽车行业的虚拟风洞模拟参数就不适合高层建筑，它们无论在边界条件还是风速的方向、数值、动态上都有明显的不同。因此，经过多次实践，该类软件主要用于对基本评判作比较性的性验证。
第二类则是主要借助与本研究相关的课题研究中，项目团队自主开发的高层建筑专用形态评价模型，主要涉及对给定建筑形态的日照辐射接收情况与温差风承受荷载。经过之前的设计概念与原则研究，这两个方面被认为是关乎高层建筑形态的生态性能的最主要指标。研究团队从高层建筑的形态视角出发，以Rhino三维软件环境为界面，以连续过程的离散化、流体对象的粒子化为模拟基础假设，开发了以下两组指标。可以给多个高层建筑形态方案之间的比较，带来定量化的指标性依据，更可以为建筑师在设计之初进行“找形”提供独到的生态性能抓手。同时，这些指标虽然是对复杂环境过程的简化，但经第一类已有成熟软件的验证，其结果仍然具有趋势一致性的（虽线性一致性略显不足）。足以胜任多方案比较和优化。
以下列举两组关于日照辐射指数、日照辐射与外部风环境的模拟评价实例加以说明。
3.1.2.1 日照辐射指数的模拟评价
基于现有的日照辐射公式，通过日照辐射模拟累积计算，提出了日照辐射指数这一定量化评价指标，着力于设计前期对建筑形态的优化和选型。
1. 基本设定
（1） 太阳轨迹设定
由于太阳轨迹的复杂性，本案例沿用建筑学领域常用的近似公式来描述太阳的轨迹，并在此基础上遵循以下假设：① 地球为正球体；② 全年按365天计算； ③ 按平太阳时计算；④ 日升/日落时间不受大气折射影响；⑤ 正午太阳方位角为零；⑥ 负Y轴方向为正南方向；⑦ 太阳方位角以正北方向顺时针计算，取值范围：0—360度；⑧ 计算精度最高为分钟。
（2） 太阳辐射设定
实际的太阳辐射包含许多复杂的因素，本案例沿用基本的简化方法设计辐射模型。计算太阳常数用日地平均距离。太阳的入射辐射包括直射辐射、散射辐射、反射辐射三部分，本案例仅分析直射辐射部分，并在此基础上遵循以下假设：① 太阳常数取1 367瓦/平方米；② 在太阳高度角绝对值不大于70度范围内计算太阳辐射；③ 引入大气透明系数，近似计算到达地表的垂直辐射强度；④ 气象状况晴朗、无云状况；⑤ 有限元分析法，每隔一定的时间步长计算一次太阳辐射能通量密度，即太阳辐射强度，作为该时间间隔内的平均辐射能通量密度，将总辐射量的计算离散处理；⑥ 任意单位时刻到达地表某一坡面的太阳辐射能通量密度只与大气质量、大气透明系数、坡面法向与太阳光入射方向的夹角相关。
（3） 建筑设定
本案例仅选取目标建筑的外表面进行太阳辐射分析，基本设想想为有限元分析法：① 根据有限元思想，连续变化的建筑表面被细分为一群小面，整个建筑表面的真实辐射量计算由这些小面的辐射量之合，即计算辐射量代替。随着细分小表面数量的增加，计算辐射量逼近真实辐射量。② 规定每个小面的形心处法向量为该小面的计算法向量。③ 计算中存在两类环境或建筑表面，一类称“评估表面”，即它受到的太阳辐射将被计算，同时场景中的其它表面对其产生的阴影会被当作辐射遮挡因素予以计算；另一类称“环境表面”，即它仅被当作遮挡物参与辐射计算，其自身受辐射情况不予讨论。
2. 评价指标（Rmax、 Rmin、 Rv、 Rm）
基于上述模型假设，计算太阳辐射量则先计算出任意时刻到达地表的太阳辐射能通量密度，即太阳辐射强度。然后依据有限元思想，将建筑表面细分成小面，分别计算每个小面在设定时间内的日照辐射积累量，最后对所有小面求和得到整个建筑在该时间内的总日照辐射量。
由于随着地理位置的变化，各个地区的气候环境会有很大差异，对建筑防寒、保温、防冻、防热等要求也不一样，所以在评判目标建筑的形体、朝向等因素时应该以所在地区的气候对辐射量的要求为前提。本书以我国的气候情况为例，按照中华人民共和国建筑气候区划标准一级区区划指标，将全国分为七个区域。依照我国各建筑气候区划，本研究主要提出三个评价指标如下（按优先级顺序排列），评价方法如表3—1：① 极值（单位：J/m2），即年辐射量最大值Rmax和年辐射量最小值Rmin；② 年辐射量月分布曲线的方差Rv表示各月平均辐射量与均值间的离散程度；③ 平均值Rm，即一年中十二个月日照辐射量的平均数。
表3—1 日照辐射指数评价指标
注：由于第Ⅴ建筑气候区仅要求该地区建筑满足湿季防雨和通风，对冬季防寒和夏季防热没有特殊要求，所以未列入上表。
3. 计算机运算模型与模拟评价方法
基于Rhino平台通过Rhinoscript脚本程序实现上述数学模型。基本流程如下：① 计算起始日到计算终止日每天日出日落的时间；② 以一定的时间间隔给出太阳每天从日升到日落的轨迹；③ 选定目标建筑及周边环境，对应目标建筑的每个小面计算起始日到终止日的日照总辐射量；④ 将所有小面的日照辐射量相加除以小面总数，求计算起始日到终止日目标建筑单位面积上的平均日照辐射量。
4. 典型评价对象
（1） 同形体变朝向比较案例
本案例选择上海地区做朝向比较案例分析（体积与形状相同）。上海属第Ⅲ建筑气候区，夏热冬冷；大气透明系数取0.8（大气透明系数在0至1之间，是一个表征大气混浊程度的指标，会随时间、区位、气象等因素改变）；取时间步长为60分钟。选择长45 m，进深15 m，高30 m的板式建筑体量做朝向比较分析：
a. 比较朝向方案甲（正南北立面长45 m，如图3—1），中Rmax＝3.03e＋8 （J/m2）； Rmin＝2.63e＋8 （J/m2）； Rv＝0.015； Rm＝2.79e＋8 （J/m2） （如图3—3）。
b. 比较朝向方案乙（正东西立面长45 m，如图3—2），中Rmax＝3.96e＋8 （J/m2）； Rmin＝2.14e＋8 （J/m2）； Rv＝0.434 （如图3—4）。
由上可知，在上海同样的建筑体量当采用长边南北朝向时（方案甲）的建筑冬季辐射量大，夏季辐射量小，方差小，极大值出现在春秋季，即冬暖夏凉；而采用东西向（方案乙）时冬季辐射量小，夏季辐射量大，方差大，极大值出现在夏季，极小值出现在冬季，冬天冷夏天热。从分析的结果来看上海地区南北朝向的建筑优于东西朝向，这与现实情况吻合的比较好。
图3—1 朝向方案甲模型
图3—2 朝向方案乙模型
图3—3 朝向方案甲各月平均辐射量
图3—4 朝向方案乙各月平均辐射量
（2） 同体积变形态比较对象
研究再次选择上海地区做形态比较案例分析（体积与朝向相同）。选择底边边长45 m见方，高160 m的高层体量做形态比较分析：
a. 比较形态方案甲（侧面垂直，如图3—5），中Rmax＝2.76e＋8 （J/m2）； Rmin＝2.26e＋8 （J/m2）； Rv＝0.026； Rm＝2.55e＋8 （J/m2） （如图3—7）。
b. 比较形态方案乙（侧面扭曲，如图3—6），中Rmax＝2.34e＋8 （J/m2）； Rmin＝2.01e＋8 （J/m2）； Rv＝0.013； Rm＝2.20e＋8 （J/m2）（如图3—8）。
由上可知，规整形态的高层塔楼冬季辐射量大，夏季辐射量大，冬天暖和夏天热；自由形态的高层塔楼冬季辐射量小，夏季辐射量小，夏天凉爽冬天冷。二者方差相近，辐射量的主要变化趋势相同，选择幕墙时应根据其性能均值采用不同的材料。总体而言，夏季自由形态高层塔楼优于规整形态高层塔楼，冬季规整形态高层塔楼优于自由形态高层塔楼。
图3—5 形态方案甲模型
图3—6 形态方案乙模型
图3—7 形态方案甲各月平均辐射量
图3—8 形态方案乙各月平均辐射量
3.1.2.2 日照辐射与外部风环境的模拟评价
本案例探求一种在既定外部风环境下，仅依赖建筑形体几何信息的评价方法，使建筑师能够在建筑设计初期，对所设计形体的外部风环境热工荷载进行定量化指示，达成多形体方案比较优选的目的。
1. 基本假设
由于本案例是对现实复杂环境的抽象模拟，因此需要排除一些次级的影响因素而保留关键的主导数据信息，即以以下假设为前提：
（1） 对到达建筑表面的风流，假设垂直表面的分量对建筑的得热与失热产生主要影响；(www.xing528.com)
（2） 风流主要以直线行径方式影响建筑表面，其在局部形成的湍流与多次反射所产生的影响暂不计入；
（3） 关注建筑几何形体受到不同来向、速度、温度风流的热工影响，其主要体现为风流温度与室内设定温度的差量，而不考虑表面不同材料与构造对室内外温度传导的不同影响；
（4） 只考虑平吹风对建筑形体的影响，不考虑含有高度角的风流。
2. 评价指标
计算需要建筑的形体几何模型，设定的室内目标温度，以及外部风环境参数，即既定地区既定时间段中不同时间点的风速率、风方向和室外环境温度。其计算结果将反映该建筑形体在维持设定室内温度的这段时间内所需要克服的外部风环境热工荷载。计算结果将以“形体温差风指数”（Thermal Wind Index for Shape， TWIS）的形式提供，用以对不同设计方案的形体展开快速比较。
3. 计算机运算模型与模拟评价方法
本案例所获得的形体温差风指数（TWIS）是指定量地反映了特定建筑形体在既定风环境下，为了维持一定的室内温度，需要通过运行空调来克服的外部寒流与热流的总能量。它与特定环境下的风速率、风方向、室外环境温度和计算所需时长相关。借鉴直线粒子流的模拟场景，假设按照规定密度按风环境参数发射带有温度的空气粒子流，测算既定时间段内其到达建筑表面的数量，并根据各个粒子到达的角度进行效果折减，最后累加到达的总能量，从而完成上述指标的计算。累加过程可以通过引入式（3—1）来进行测算，并在公式中引入系数λ来完成能量单位的转换。
其中，
TWISk：室内温度为k时的形体温差风指数；
n：用于计算的时间片段数量；
αi：时间片段i的风方向与建筑表面法线方向的夹角；
Ki：时间片段i的室外环境温度；
k：设定的室内目标温度26℃（即299 K）；
Vi：时间片段i的平均风速率；
t：时间片段i的持续时长；
λ：单位转换与数值调整系数。
由于本案例最终需要得出的是一个用于相互比较的值，而非确切的能量数值，所以这里将时间片断长度t与系数λ等固定值设为一个带有量纲的折算系数E，即令E＝t*λ，由此公式1可简化为式（3—2），计算的结果总带有折算系 数E。
本案例是简化性的研究实验，并不以得出确切的风流路径为目的。因此对于单个建筑本身，以假定的室内温度为标准，其形体温差风指数（TWIS）的绝对值越接近于0，即说明该建筑形体在维持室内设定温度的过程中需要克服的室外风带来的热工荷载越小。
上述数学模型在Rhino平台并通过Rhinoscript脚本编辑器实现，其基本流程如下：① 选取所需要计算的目标建筑（若有周边环境，则同时选取周围建筑环境）；② 按照设定的籽粒密度建立计算网格，并以一定时间间隔获取目标建筑表面的能量值；③ 累加每个面所获得的能量值，并将其除以相应表面积而获得每个面的平均能量，并以此为标准来为每个建筑表面设置相应的颜色（颜色的蓝色值越高，说明其形体温差风指数越小，红色值越高，说明其形体温差风指数越大）； ④ 累加总时间范围内的建筑表面所得能量总值。
4. 典型评价对象
典型评价以上海地区为例，以一年中24天正午12点的风环境信息为研究的基本参数，包括风速率、风方向和室外环境温度（图3—9、图3—10、图3—11）。另，案例使用1 m×1 m的粒子密度来建立计算网格。
图3—9 正午12点瞬时风速速率（上海地区）
图3—10 正午12点瞬时风速方向（上海地区）
图3—11 正午12点室外环境温度（上海地区）
图片来源：Ecotect Analysis 2011软件
（1） 同形体变朝向比较对象
建立长45 m，进深15 m，高30 m的板式建筑体量为研究对象进行分析。
方案A（正南北立面长45 m，如图3—12，即常称为“南北朝向”），其全年建筑各面能量累加之和为：
方案 B（正南北立面长15 m，如图3—13，即常称为“东西朝向”），其全年建筑各面能量累加之和为：
由上述可得，方案B的TWIS26B相比方案A的TWIS26A更加接近于0，这应解释为：如果以全年维持室内26°为标准，就相同的板式建筑单体而言，东西朝向所需要通过运行空调系统来克服的外部风流带来的热工荷载较小，而南北朝向较大（在这一案例中多了TWIS26A / TWIS26B－1＝18%）。
图3—12 朝向比较方案A
图3—13 朝向比较方案B
（2） 同体积变形态比较对象
建立长45 m、宽45 m、高150 m的高层建筑体量为研究对象，分别建立规整长方体建筑模型A及以中心z轴方向为轴线逆时针扭转90度的建筑模型B，对其进行形态比较分析。
方案A（未进行任何扭转，如图3—14），其全年建筑各面能量累加之和为：
方案B（进行逆时针扭转，如图3—15），其全年建筑各面能量累加之和为：
图3—14 未扭转的方柱形单体方案A
图3—15 扭转90度的方柱形单体方案B
由上述可得，方案B的TWIS26B相比方案A的TWIS26A更加接近于0，这应解释为：如果以全年维持室内26°为标准，就相同体积的方柱形建筑单体而言，扭转90度的单体所需要通过运行空调系统来克服的外部风流带来的热工荷载较小，而未扭转的单体所需较大（在这一案例中多了TWIS26A / TWIS26B－1＝7%）。
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