室內(nèi)自然采光BIM模擬分析研究概述

吳 偉 梁 銘 彭 杰 王 承

(1.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200122； 2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

室內(nèi)自然采光BIM模擬分析研究概述

吳 偉1梁 銘1彭 杰1王 承2

(1.上海中建東孚投資發(fā)展有限公司，上海 200122； 2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

隨著人們對(duì)建筑要求品質(zhì)的提高，綠色理念已經(jīng)或多或少的被利用至建筑設(shè)計(jì)中。本文著重探討了中建廣場(chǎng)項(xiàng)目BIM和自然采光技術(shù)的結(jié)合，研究了如何利用BIM模型結(jié)合相關(guān)軟件直接進(jìn)行自然采光技術(shù)全過程。

BIM技術(shù);自然采光;模型簡(jiǎn)化

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.03

1 前言

在現(xiàn)代室內(nèi)裝修過程中，為達(dá)到一定的建筑功能和美觀效果，一般會(huì)采用采用大量人工照明，這在一定程度上不僅僅隔離了人和自然的聯(lián)系，也有可能造成能源的極大浪費(fèi)。在當(dāng)前大力提倡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的大背景下，室內(nèi)自然采光設(shè)計(jì)最終會(huì)走到綠色生態(tài)設(shè)計(jì)這個(gè)方向上。

如何在保證達(dá)到建筑功能及美觀效果的同時(shí)，合理的利用能源已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。傳統(tǒng)采光分析在分析軟件中依據(jù)CAD圖紙進(jìn)行模型搭建并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，最終計(jì)算得出模擬分析結(jié)果。這種方式需花費(fèi)大量的工作時(shí)間在基礎(chǔ)分析模型的搭建上。而基于BIM模型進(jìn)行的分析僅需通過項(xiàng)目既有的BIM模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化、調(diào)整，然后導(dǎo)入到分析軟件中即可進(jìn)行性能化模擬分析。與傳統(tǒng)的性能化分析相比，工作量大幅減少。

BIM技術(shù)和室內(nèi)自然采光分析技術(shù)的結(jié)合，在一定程度上使得項(xiàng)目采光設(shè)計(jì)過程各種方案得到快速的論證，保證采光設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)的優(yōu)化和高效。

2 關(guān)鍵技術(shù)闡述

2.1 軟件選型

目前對(duì)于室內(nèi)自然采光分析，主要的分析軟件有DIALux和Radiance。DIALux是當(dāng)今市場(chǎng)上最具功效的照明計(jì)算軟件，它能滿足目前所有照明設(shè)計(jì)及計(jì)算的要求。Radiance采用了蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向光線追蹤引擎。Radiance廣泛地應(yīng)用于建筑采光模擬和分析中，其產(chǎn)生的圖像效果完全可以媲美高級(jí)商業(yè)渲染軟件，并且比后者更接近真實(shí)的物理光環(huán)境。

兩者相較而言DIAlux 更加偏向于照明設(shè)計(jì)軟件，兼具自然采光模擬的功能，而Radiance功能更加全面，在自然采光模擬方面更具專業(yè)性。

因此，本次自然采光模擬我們選用了Radiance進(jìn)行模擬分析。

2.2 BIM模型簡(jiǎn)化

在室內(nèi)自然采光分析計(jì)算時(shí)會(huì)忽略室內(nèi)家具等設(shè)施的影響，在模擬過程中需要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間位置、壁面材質(zhì)反射系數(shù)、玻璃材質(zhì)可見光透射比等參數(shù)。而BIM模型的建立不僅僅應(yīng)用于一般分析還需考慮各專業(yè)協(xié)調(diào)等其他用途，其模型所包含的構(gòu)件遠(yuǎn)比室內(nèi)自然采光分析要多很多，如直接將模型導(dǎo)入ECOTECT中將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量很大使得計(jì)算效率降低或軟件死機(jī)的情況出現(xiàn)，所以需根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行BIM模型的簡(jiǎn)化。

2.3 BIM分析流程

室內(nèi)自然采光的分析流程主要如圖1：

圖1 室內(nèi)自然采光模擬流程

2.3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1)方案設(shè)計(jì)模型或二維圖、氣象數(shù)據(jù)、區(qū)位數(shù)據(jù)。

2.3.2 分析優(yōu)化操作流程

1)收集數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

2)根據(jù)前期數(shù)據(jù)以及分析軟件要求，建立分析所需的模型；

3)根據(jù)氣象、區(qū)位信息進(jìn)行環(huán)境設(shè)定；

4)分別獲得單項(xiàng)分析數(shù)據(jù)，綜合各項(xiàng)結(jié)果反復(fù)調(diào)整模型，進(jìn)行評(píng)估，尋求建筑綜合性能平衡點(diǎn)；

5)根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，選擇能夠最大化提高建筑物性能的方案。

3 項(xiàng)目介紹

周家渡項(xiàng)目(圖2、圖3)位于上海周家渡區(qū)域，緊靠世博園B片區(qū)。項(xiàng)目地塊緊靠地鐵6、7號(hào)高科西路站，東靠東明路(北至東方路、臨沂路)、楊高南路(向北直達(dá)中建大廈)，南側(cè)為高科西路(西至西藏南路隧道)，北側(cè)為白蓮涇河西側(cè)、西側(cè)為河道匝道口。項(xiàng)目總用地面積16 573.7m2，總建筑面積75 968m2，其中地上50 413m2，地下25 555m2。

規(guī)劃初期，項(xiàng)目制定了綠色三星及LEED金獎(jiǎng)的需求。項(xiàng)目制定了年能耗110KWH的高性能綠色指標(biāo)，引入60多項(xiàng)綠色技術(shù)，并在全過程中引入BIM，輔助進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)； 將綠色設(shè)計(jì)、綠色施工和綠色生活的理念貫穿于全過程。

圖2 項(xiàng)目BIM模型

圖3 項(xiàng)目效果

4 BIM分析

4.1 日照條件

上海日照充足，太陽(yáng)輻射最高的季節(jié)為春、夏季，最高輻射量可達(dá)800W/m2。其他季節(jié)平均輻射量也可達(dá)500至600W/m2(圖4)。

圖4 項(xiàng)目日照條件圖示意

4.2 參考依據(jù)

1)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033-2013；

2)委托方提供的相關(guān)建筑設(shè)計(jì)文件；

4.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容

由于各地光氣候資源條件存在差異，不同地區(qū)相同建筑類型建筑采光系數(shù)要求各不相同。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2013規(guī)定，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以相應(yīng)地區(qū)的光氣候系數(shù) K，不同地區(qū)光氣候系數(shù)如表1所示。

表1 光氣候系數(shù)

光氣候區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤK值0．850．911．11．2室外天然光設(shè)計(jì)照度(lx)1800016500150001350012000 注：本表引自《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50033-2013表304。

上海地區(qū)屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，其室外天然光設(shè)計(jì)照度為13 500 lx，光氣候系數(shù)為1.1。

表2 各采光等級(jí)參考平面上的采光標(biāo)準(zhǔn)值

采光等級(jí)側(cè)面采光頂部采光采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(%)室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值(lx)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(%)室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值(lx)Ⅰ57505750Ⅱ46003450Ⅲ34502300Ⅳ23001150V11500575

表4 采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

采光等級(jí)場(chǎng)所名稱側(cè)面采光頂部采光備注采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(%)室內(nèi)天然光照度照度標(biāo)準(zhǔn)值(lx)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(%)室內(nèi)天然光照度照度標(biāo)準(zhǔn)值(lx)Ⅲ辦公室、會(huì)議室3045022300強(qiáng)制性條文Ⅳ大堂2030010150非強(qiáng)制性條文

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033-2013中： 3.0.3 規(guī)定了各采光等級(jí)參考平面上的采光標(biāo)準(zhǔn)值，見表2。此外，辦公建筑的各類功能空間的采光標(biāo)準(zhǔn)要求值見表1-3。

表3 辦公建筑的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

采光等級(jí)房間名稱側(cè)面采光采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值(%)室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值(lx)Ⅱ設(shè)計(jì)室、繪圖室40600Ⅲ辦公室、會(huì)議室30450Ⅳ復(fù)印室、檔案室、大堂20300V走道、樓梯間、衛(wèi)生間10150

因此，依據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50033-2013)中對(duì)各類型房間的采光等級(jí)和采光系數(shù)的要求。結(jié)合本項(xiàng)目所在地區(qū)及各個(gè)房間的作業(yè)精度，各類功能房間和區(qū)域的采光要求分別見表4。

4.4 分析軟件

Revit模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ECOTECT并結(jié)合Radiance計(jì)算的方式對(duì)室內(nèi)自然采光進(jìn)行模擬，并分析判斷其室內(nèi)各類功能空間的采光效果是否達(dá)到《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50033-2013)的要求。

4.5 參數(shù)設(shè)置

材料的材質(zhì)、顏色和表面狀況決定了光的吸收、反射和透射性能，對(duì)建筑的采光和遮陽(yáng)分析有著較大的影響，模擬分析時(shí)應(yīng)依據(jù)實(shí)際材料的屬性對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本報(bào)告依據(jù)委托方提供的材料(建筑施工圖)并參考《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50033-2013)中的附錄D進(jìn)行參數(shù)選取，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)光學(xué)性能參數(shù)的具體取值如表5所示。

表5 材料光學(xué)性能參數(shù)

構(gòu)造材料室內(nèi)反射比可見光透射比樓面、地面塑料貼面板012[BH?墻面乳膠漆080[BH?頂棚白色乳膠漆石膏板吊頂084[BH?玻璃幕墻隔熱鋁合金雙玻窗043

此外，對(duì)于透光材料，如側(cè)窗和天窗，還需考慮采光構(gòu)件的窗結(jié)構(gòu)擋光折減系數(shù)和窗玻璃的污染折減系數(shù)，參照《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的附錄D進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，其具體參數(shù)取值如表6所示。

表6 透光構(gòu)件的折減系數(shù)

構(gòu)造名稱窗結(jié)構(gòu)擋光折減系數(shù)窗玻璃的污染折減系數(shù)窗07509

4.6 分析模型

分析模型采用項(xiàng)目既有Revit模型進(jìn)行簡(jiǎn)化調(diào)整導(dǎo)入ECOTECT軟件，圖5所示為項(xiàng)目的分析模型。

圖5 分析模型效果

4.7 自然采光分析結(jié)果

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034-2004)中各類建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定，本次室內(nèi)自然采光模擬計(jì)算時(shí)，主要功能空間的參考平面為0.8m水平面。

表7

續(xù)表7

計(jì)算結(jié)果表明，項(xiàng)目的主要功能空間采光系數(shù)和71.37%的內(nèi)區(qū)主要功能空間采光系數(shù)滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033-2013)中的要求。因此，項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB50378-2014中8.2.6條“公共建筑主要功能房間80%以上面積的采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033的要求”和8.2.7(2)條“內(nèi)區(qū)采光系數(shù)滿足采光要求的面積比例不低于60%”的要求。

5 結(jié)論

利用BIM技術(shù)和室內(nèi)采光技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，將BIM模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后導(dǎo)相關(guān)計(jì)算軟件，在減少傳統(tǒng)根據(jù)CAD重復(fù)建模的工程量的同時(shí)，能大大提高分析效率。

[1]陳雪峰.BIM協(xié)同綠色建筑設(shè)計(jì)成趨勢(shì)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向.2015(4)： 75.

[2]張迪, 郝之鵬.從最新綠建標(biāo)準(zhǔn)看BIM的應(yīng)用與發(fā)展[J].土木建筑工程信息技術(shù),2015,7(4)： 52-58.

[3]楊科, 康登澤, 車傳波, 徐鵬.基于BIM的碰撞檢查在協(xié)同設(shè)計(jì)中的研究[J].土木建筑工程信息技術(shù),2013,5(4)： 71-75+98.

[4]劉清.BIM在綠色建筑中的應(yīng)用探析[J].四川水泥.2016(1)： 122.

[5]劉立明, 李宏芬, 張宏南, 邢宇.基于BIM的項(xiàng)目5D協(xié)同管理平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例——RIB-iTWO系統(tǒng)應(yīng)用介紹[J].城市住宅.2014(8)： 47-51.

[6]魏來(lái).BIM、信息化、大數(shù)據(jù)、智慧城市及其他[J].城市住宅.2014(6)： 14-16.

Analysis and Research on BIM Simulation of Indoor Natural Lighting

Wu Wei1, Liang Ming1， Peng Jie1， Wang Cheng2

(1.CSCDongFuGroup，Shanghai200122,China; 2.EastChinaArchitecturalDesing&ResearchInstitution，Shanghai200041，China)

With the improvement of the quality of building requirements，the concept of green has been more or less used in the architectural design.This chapter focuses on the combination of BIm and natural lighting technology in the CSC Plaza project，and studies how to use the BIM model combined with the relevant software to carry out the whole process of natural lighting.

BIM Technology; Indoor Natural Lighting; Model Simplification

吳偉(1981-)，女，上海中建東孚投資發(fā)展有限公司技術(shù)研發(fā)部BIM組長(zhǎng)，主要研究方向：綠色建筑、裝配式建筑、BIM新技術(shù)研發(fā)及推廣;王承(1985-)，男，碩士，華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司數(shù)字化技術(shù)研究咨詢部BIM經(jīng)理，主要研究方向：項(xiàng)目BIM全生命周期應(yīng)用。

TU17;TU113.5

A

1674-7461(2016)06-0018-05