建筑環(huán)境模擬綜述

曾龍煒 （福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，福建 永安 366000）

1 研究背景

1.1 當(dāng)前綠色建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展

當(dāng)今世界關(guān)注的一個(gè)非常熱門的話題是建筑節(jié)能，該熱點(diǎn)同時(shí)也是目前節(jié)能領(lǐng)域研究課題的一個(gè)重點(diǎn)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)在西方發(fā)達(dá)國家中，占比社會總能耗的30%～45%為建筑能耗。目前我國建筑能耗已占國家總能耗的20%～25%，并且朝35%大關(guān)穩(wěn)步爬升。根據(jù)國家相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有建筑面積近430億m2，高耗能建筑占比約有95%，且高能耗類型建筑在每年新增建筑面積中占比仍然高達(dá)80%以上。我國建筑能耗遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家，主要表現(xiàn)：①在缺乏建筑能源獲取與消耗方面研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，刻意強(qiáng)調(diào)降低建筑建成成本，以致建筑用能效率較低；②過去我國對建筑節(jié)能缺乏相關(guān)認(rèn)識，經(jīng)過這幾年的節(jié)能推廣，國民節(jié)能意識在逐步提升。

為此就建筑環(huán)境而言，如何進(jìn)行節(jié)能減排、水資源的合理性利用與室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量改善等問題越來越頻繁的擺在了社會發(fā)展面前。因此，當(dāng)今綠色建筑研究領(lǐng)域的研究是如何實(shí)現(xiàn)建筑的環(huán)保與節(jié)能減排[1]。

綠色建筑由理念到實(shí)踐，在發(fā)達(dá)國家中綠色建筑研究逐步完善，形成了體系化的設(shè)計(jì)方法，評估體系，各種新技術(shù)、新材料層出不窮。通過技術(shù)人員不懈的實(shí)踐與探索，大量工程技術(shù)被攻關(guān)成功后，我國的綠色建筑行業(yè)逐漸步入快速發(fā)展的大好年代。雖然攻克了很多技術(shù)，但是現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)意識及技術(shù)積累厚度與國外對比的不足，其嚴(yán)重制約著我國綠色建筑的普及發(fā)展及應(yīng)用，是我國綠色建筑行業(yè)目前需要面臨諸的多問題。

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，我國的城鎮(zhèn)綠色建筑發(fā)展中面臨諸多復(fù)雜問題，需要引入新技術(shù)和新方法。作為當(dāng)前中國建筑業(yè)的兩大發(fā)展趨勢，BIM和綠色建筑具有許多相同或相似的理念。在闡述綠色BIM相關(guān)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對BIM與綠色建筑的高效整合進(jìn)行了分析，探討了BIM在綠色建筑中推廣應(yīng)用遇到的主要障礙并提出合理的解決方案，認(rèn)為我國建筑業(yè)應(yīng)盡快推動(dòng)BIM在綠色建筑中更廣泛和深入的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)綠色建筑高效、協(xié)作和可持續(xù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)綠色建筑的普及和生態(tài)城市的發(fā)展。

1.2 BIM技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢

BIM信息化技術(shù)是通過建筑信息建模 (Building Information Modeling)、建筑信息模型 (Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三個(gè)功能部分組成，是創(chuàng)建并利用數(shù)字信息模型支持項(xiàng)目全生命周期的技術(shù)、方法和過程。BIM是信息化技術(shù)在建筑業(yè)上的直接應(yīng)用，該技術(shù)可應(yīng)用于建筑的建設(shè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理等整個(gè)建筑生命周期，將BIM信息化技術(shù)在應(yīng)用上進(jìn)行有效整合，深度融入到綠色建筑，進(jìn)而將建筑性能進(jìn)行全面的提升，從而去實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展。該技術(shù)可以為綠色建筑的節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境性能評估以及運(yùn)營階段的能耗模擬及建筑室內(nèi)外環(huán)境舒適性提供了強(qiáng)大而有效的技術(shù)支持。

綠色BIM將會成為建筑業(yè)未來發(fā)展的大趨勢。其中一個(gè)目標(biāo)是從項(xiàng)目各個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，提高建筑能效目標(biāo)的BIM工具的使用的將綠色建筑與BIM的有機(jī)結(jié)合起來的定義被美國一家專業(yè)從事該方面研究的大公司麥格勞—希爾建筑信息公司在2010年的時(shí)候創(chuàng)新性的提出——“Green BIM(綠色 BIM)”。

2 研究目的和意義

2.1 研究目的

科學(xué)范疇上定義的建筑環(huán)境：是指建筑在其全壽命周期內(nèi)對環(huán)境（設(shè)備、空氣、水、土壤和生物等各方面）的包含了各物理及化學(xué)綜合影響的總量，其包含了從原材料上的獲取和運(yùn)輸過程，建筑材料的生產(chǎn)制造、運(yùn)輸和安裝過程，建筑工程的設(shè)計(jì)，建設(shè)施工、建筑運(yùn)行、建筑維護(hù)以及最后的建筑拆除等全周期中對環(huán)境的全部影響[2]。

建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)，指的是依靠CFD,ECOTECT,Designbuilder等建筑環(huán)境性能模擬軟件的使用，仿真獲得建筑物實(shí)際當(dāng)中的各種工作情況和性能表現(xiàn)，然后通過編程運(yùn)算仿真，獲得建筑物環(huán)境性能模擬等舒適性所需的大數(shù)據(jù)。建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)在建筑物能源消耗分析與優(yōu)化提高和建筑環(huán)境設(shè)備系統(tǒng)性能分布上的分析和優(yōu)化提升等方面上發(fā)揮積極重要的作用。伴隨著人類對提高環(huán)境質(zhì)量建設(shè)的要求，加大了對建筑節(jié)能的關(guān)注度，建筑環(huán)境性能模擬也愈來愈成為建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展上設(shè)計(jì)、評價(jià)、分析工作中必不可缺的重要工具之一，并在更多更廣的領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

本項(xiàng)目研究的目的就是在于如何通過基于BIM條件下的環(huán)境性能模擬為綠色建筑的規(guī)劃與設(shè)計(jì)成果環(huán)境節(jié)能性能和照明、熱環(huán)境設(shè)計(jì)效果的直觀演示，使設(shè)計(jì)者對自己的設(shè)計(jì)有一個(gè)更直接的感受與體驗(yàn)，通過這個(gè)技術(shù)，可以極大的促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐G色建筑的設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平。

2.2 研究意義

在通過借鑒和吸收國內(nèi)外相關(guān)綠色建筑評價(jià)具體標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)詳細(xì)內(nèi)容、評價(jià)方法以及實(shí)際工程案例，然后充分的去考慮綠色建筑評價(jià)體系的發(fā)展趨勢的正確方向，提出一種與以往不同的綠色建筑環(huán)境性能評價(jià)的新思路。通過引入BIM技術(shù)，結(jié)合相關(guān)軟件和各評價(jià)體系，找出影響建筑環(huán)境性能的代表性因素，構(gòu)造適用于我國綠色建筑的環(huán)境性能評價(jià)指標(biāo)體系，并且探尋綠色建筑評價(jià)體系的方法，以求能夠達(dá)到減少環(huán)境負(fù)荷，提高能源利用率和建筑舒適度的目的，并為建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作提供科學(xué)指導(dǎo)，為管理決策部門提供可考核的辦法，倡導(dǎo)建筑行業(yè)健康發(fā)展[3]。

通過環(huán)境性能模擬軟件可以對建筑能耗、室內(nèi)舒適性、建筑風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境、太陽能系統(tǒng)、光環(huán)境、室內(nèi)氣流組織、室內(nèi)污染物分布等進(jìn)行建筑環(huán)境性能模擬；可以對圍護(hù)結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱工特性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并選擇合理方案；可以對環(huán)保低耗、高效的建筑設(shè)備使用系統(tǒng)進(jìn)行論證設(shè)計(jì)分析；可以對建筑節(jié)能方案的制定評估、天然新能源系統(tǒng)的方案選擇、節(jié)能產(chǎn)品生命周期內(nèi)的能耗分析與節(jié)能潛力探尋等建筑環(huán)境性能模擬與分析。通過計(jì)算機(jī)模擬來預(yù)測建筑物完工后的物理環(huán)境，為評價(jià)室內(nèi)環(huán)境舒適度和建筑能耗水平等提供必要的定量支持。設(shè)計(jì)人員可以通過仿真模擬與評估，找出方案中的缺漏，在規(guī)劃設(shè)計(jì)的早期階段不斷調(diào)整，修改和完善建筑方案的缺漏。因?yàn)榻ㄖ陨砑捌洵h(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性，僅憑經(jīng)驗(yàn)感覺或簡單的計(jì)算是無法準(zhǔn)確判斷綠色建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)方案的長短利害，因此，運(yùn)用建筑環(huán)境模擬技術(shù)對方案進(jìn)行模擬分析是綠色建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)的重要方法。

3 研究內(nèi)容與方法

3.1 研究內(nèi)容

建筑環(huán)境的表現(xiàn)性能是通過建筑地理位置、地形條件、室外氣候條件、建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能、室內(nèi)建筑設(shè)備系統(tǒng)工作情況，以及室內(nèi)外通風(fēng)條件等因素綜合作用影響來決定的。建筑環(huán)境控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要隨著建筑環(huán)境性能的實(shí)際情況的變化調(diào)整相對應(yīng)變，進(jìn)而去滿足建筑環(huán)境性能方面上的功能需求[4]。對此，本文基本遵照“提出問題——分析問題——解決問題——復(fù)核校正”的研究問題方法，通過對綠色建筑設(shè)計(jì)全過程以及全生命周期過程中各種專業(yè)模擬軟件和模擬方法的研究。

3.1.1 建筑能耗模擬

建筑環(huán)境能耗模擬是分析各種環(huán)境和氣象參數(shù)及各個(gè)用能設(shè)備系統(tǒng)下的建筑物的能耗。因?yàn)槟茉聪闹苯雨P(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益，能耗模擬仿真分析應(yīng)當(dāng)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度及技術(shù)合理性區(qū)去綜合選擇最適合當(dāng)?shù)貧夂虻脑O(shè)計(jì)方案[5]。例如對于福建地區(qū)處在夏熱冬暖氣候區(qū)及夏熱冬冷氣候區(qū)，利用能耗模擬可以有效分析建筑保溫、遮陽、通風(fēng)與隔熱所帶來的節(jié)能效果,為建筑師選擇方案提供科學(xué)的方案參考。

3.1.2 光環(huán)境

建筑環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良衡量的一項(xiàng)非常重要的硬性指標(biāo)是建筑采光，同時(shí)建筑采光規(guī)范的強(qiáng)制約束。為了較好的去保證建筑使用者身心健康，同時(shí)也保證室內(nèi)衛(wèi)生，提高室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的前提條件是要讓建筑獲得充足的日照時(shí)間。對日照質(zhì)量作出合理評價(jià)，是可以借用通過光環(huán)境的仿真模擬技術(shù)，在該技術(shù)的支持下，也可以通過該技術(shù)手段對規(guī)劃方案提出修改要求，以滿足建筑采光需求。

3.1.3 通風(fēng)模擬

建筑通風(fēng)模擬技術(shù)是通過以計(jì)算流體力學(xué)（CFD類軟件）的相關(guān)理論知識與計(jì)算方法為基礎(chǔ)，它是以空間為范本，將其劃分為模擬計(jì)算所需要使用到的一定需求數(shù)量的三維網(wǎng)網(wǎng)格空間，然后通過使用較為完整的方程控制去具體表述每個(gè)立體網(wǎng)格空間內(nèi)有關(guān)變量之間的聯(lián)系，其后通過將這些變量方程聯(lián)立去迭代求解計(jì)算獲得空氣溫度、濕度、風(fēng)速、有害物濃度等所需要的相關(guān)變量關(guān)系，最后建立起三維空空間網(wǎng)格內(nèi)所有的變量之間聯(lián)系。建筑通風(fēng)模擬的對象可以是整個(gè)建筑群體，也可以是對單個(gè)房間室內(nèi)通風(fēng)模擬的設(shè)計(jì)[4]。

3.2 擬解決的問題

在我國的綠色建筑環(huán)境評價(jià)當(dāng)中，有一些項(xiàng)目是通過專家的打分評定來確定綠色合格度的，這就在一定程度上使得評定結(jié)果帶有人為操作的因素，使評價(jià)結(jié)果不客觀，因此需要盡量把一些當(dāng)前的非量化指標(biāo)通過使用BIM技術(shù)輸出的建筑物具體信息來評判，確保在綠色建筑環(huán)境性能評價(jià)上做到客觀，有理有據(jù)。

本項(xiàng)目研究的目的就是在于如何通過基于BIM條件下的環(huán)境性能模擬為綠色建筑的規(guī)劃與設(shè)計(jì)成果環(huán)境提供一個(gè)比較直觀的效果展示，使設(shè)計(jì)者對自己的設(shè)計(jì)有一個(gè)更直接的感受與體驗(yàn)，通過這個(gè)技術(shù)，可以極大的促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐G色建筑的設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平。結(jié)合實(shí)際工程案例，擬解決的問題有：①尋找建筑環(huán)境性能評價(jià)與分析的新途徑及體系，優(yōu)化對綠色建筑可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)過程，提高可持續(xù)發(fā)展建筑設(shè)計(jì)水準(zhǔn)；②對某學(xué)院校史館進(jìn)行建筑環(huán)境模擬。

4 結(jié)語

建筑可持續(xù)發(fā)展是目前的熱門話題,真正的綠色建筑應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。對在方案初期，設(shè)計(jì)階段上的建筑可以進(jìn)行虛擬化建模、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以通過建筑環(huán)境模擬結(jié)果去評判建筑的合理性或者建筑竣工后的實(shí)際運(yùn)行效果，從而讓綠色建筑更加綠色，更加合理。