BIM 技術(shù)支持下的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮禹誠(chéng)

（常州工學(xué)院，常州 213032）

1 前言

綠色建筑是建筑發(fā)展的主要方向，通過(guò)優(yōu)化采光、建筑通風(fēng)等條件，可以有效降低建筑在采暖、照明等方面的能耗，提升建筑的節(jié)能水平。在實(shí)際工作中，需要考慮不同因素對(duì)建筑能耗因素的影響。本文針對(duì)某小區(qū)工程進(jìn)行研究，研究使用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，有效控制了建筑在采暖、照明等方面的能耗，獲得了較好的優(yōu)化的效果。

2 綠色建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

2.1 建筑的規(guī)劃布局

依據(jù)建筑使用特性、內(nèi)部功能分區(qū)、建筑周?chē)坝^環(huán)境、建筑自身工程參數(shù)等，進(jìn)行建筑的整體性指標(biāo)分析。使用BIM 技術(shù)可以建立建筑的可視化三維模型系統(tǒng)，之后可以在綠色建筑的角度對(duì)建筑的不同方面開(kāi)展分析工作，并對(duì)建筑的方案進(jìn)行優(yōu)化。圖1 為項(xiàng)目規(guī)劃的BIM模型。

圖1 某小區(qū)項(xiàng)目BIM模型

2.2 遮陽(yáng)和輻射分析

通過(guò)使用BIM技術(shù)建立三維模型，并在軟件中導(dǎo)入項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度、氣象數(shù)據(jù)，之后使用專(zhuān)業(yè)的工具分析，可以確定建筑在各個(gè)季節(jié)的遮陽(yáng)情況、陰影范圍，并計(jì)算建筑立面在不同季節(jié)的太陽(yáng)輻射水平。根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)建筑的遮陽(yáng)板、朝向等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓建筑能有效使用太陽(yáng)能，也提升了建筑的內(nèi)部舒適度。

2.3 自然通風(fēng)狀況

根據(jù)建筑項(xiàng)目所在地經(jīng)緯度、氣象數(shù)據(jù)等，使用BIM軟件可以模擬當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)環(huán)境、風(fēng)壓等重要因素，獲得建筑項(xiàng)目周?chē)目諝鈿饬鳡顩r，從而分析建筑在不同季節(jié)條件下的風(fēng)速變化，并根據(jù)建筑物的模型確定建筑內(nèi)部通風(fēng)質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步優(yōu)化建筑的布局，合理設(shè)計(jì)建筑的朝向、體型，讓建筑物具備更良好的通風(fēng)效果。

3 工程介紹

3.1 工程概況

某小區(qū)位于內(nèi)蒙古中部，全市中部為山岳地帶，北部為高原草地，南部為山南平原，地勢(shì)具有中間高、南北低的特征，為半干旱中溫帶大陸性氣候。全年平均溫度為7.2℃，年平均風(fēng)速約為1.2m/s，年降水量422 毫米，年日照總時(shí)長(zhǎng)2882 小時(shí)。

3.2 風(fēng)環(huán)境分析

使用Ecotect 中的Weather Tool 工具導(dǎo)入當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，可以通過(guò)圖形了解當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，之后使用風(fēng)環(huán)境分析工具查看當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)環(huán)境氣象水平。通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，當(dāng)?shù)氐某Ｒ?jiàn)風(fēng)速都在20km/h 以下，最大風(fēng)速為40km/h，來(lái)自西北方，但是大風(fēng)速的出現(xiàn)頻率比較低，僅有100 小時(shí)左右。結(jié)合對(duì)當(dāng)?shù)馗髟麓箫L(fēng)的分析，確定當(dāng)?shù)叵募?-8 月東南風(fēng)為主，冬季11-12 月的西北風(fēng)比較多。除了可以對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行分析，還可以分析由于風(fēng)所導(dǎo)致的當(dāng)?shù)販貪穸茸兓?，可以確定夏季大風(fēng)主要來(lái)自于南方和東南方，高濕來(lái)自于西南方，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行參考。

4 優(yōu)化分析

4.1 風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

使用CFD 計(jì)算原理對(duì)項(xiàng)目的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，分析小區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境狀況，并對(duì)小區(qū)內(nèi)風(fēng)環(huán)境存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，確保小區(qū)風(fēng)環(huán)境滿(mǎn)足綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)要求。模擬使用通用的k-ε 模型，一部分為湍動(dòng)能運(yùn)輸k 方程，另一部分為耗散方程ε，方程為：

4.1.1 劃分計(jì)算域

項(xiàng)目需要對(duì)風(fēng)場(chǎng)的大小進(jìn)行估算。建筑群一般為環(huán)繞的長(zhǎng)方體或者正方體，在不同的季節(jié)下，風(fēng)力、風(fēng)向都會(huì)有所不同。為了能夠確定建筑周?chē)L(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，選擇夏季和冬季的風(fēng)向劃定風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算域，如表1 所示。

表1 夏季和冬季工況風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域

4.1.2 工況模擬

小區(qū)的風(fēng)環(huán)境模擬主要目標(biāo)在于進(jìn)行主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)力條件的計(jì)算模擬，對(duì)建筑的建筑防風(fēng)狀況進(jìn)行分析，表2 為模擬工況。

表2 模擬工況

在工況1 的模擬結(jié)果中，夏季主導(dǎo)的風(fēng)速為東南風(fēng)，風(fēng)速為3.0m/s 和5.0m/s，獲得的距離地面高度分別為1.5m、25.0m 和40.0m 的風(fēng)速狀況。分析結(jié)果中，1.5m 高度下的行人區(qū)域流場(chǎng)內(nèi)風(fēng)力的分布比較對(duì)稱(chēng)，并不會(huì)產(chǎn)生渦流，但是小區(qū)內(nèi)部存在無(wú)風(fēng)區(qū)域，在3m/s 的風(fēng)速下建筑周?chē)鷧^(qū)域的風(fēng)速為2.4m/s，5m/s 風(fēng)速下建筑周?chē)鷧^(qū)域的風(fēng)速為4.5m/s；建筑中層位置25m 和40m 位置的小區(qū)內(nèi)通風(fēng)效果比1.5m 位置稍好。上述結(jié)果并不滿(mǎn)足綠色布局要求，所以需要修改。

針對(duì)冬季的模擬，在3.0m/s 和5.0m/s 的西北風(fēng)場(chǎng)中，周?chē)鷧^(qū)域1.5m 行人區(qū)流場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)，所以不會(huì)出現(xiàn)渦流，但是小區(qū)內(nèi)部存在無(wú)風(fēng)區(qū)，比如小區(qū)4 棟周?chē)鸁o(wú)風(fēng)；3m/s 風(fēng)速下，建筑周?chē)鷧^(qū)域的最高風(fēng)速為2.4m/s，5.0m/s 下最高風(fēng)速為4.5m/s。該結(jié)果同樣不滿(mǎn)足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。

4.1.3 布局優(yōu)化

為了能夠滿(mǎn)足綠色建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)小區(qū)內(nèi)部的樓棟進(jìn)行了格式的優(yōu)化布置，調(diào)整為網(wǎng)格形式，這樣不僅可以?xún)?yōu)化小區(qū)內(nèi)的氣流環(huán)境，而且可以提升夏季的通風(fēng)效果；對(duì)東南和西北迎風(fēng)方向的位置進(jìn)行了調(diào)整，通過(guò)增加風(fēng)向流入口，提升小區(qū)內(nèi)的通風(fēng)優(yōu)化效率。在工況1 的模擬中，小區(qū)周?chē)?.5m 行人區(qū)域的流場(chǎng)對(duì)稱(chēng)分布，沒(méi)有渦流產(chǎn)生，也不會(huì)存在無(wú)風(fēng)區(qū)；在工況2 的模擬中，同樣流場(chǎng)分布勻稱(chēng)，不會(huì)產(chǎn)生渦流，也不會(huì)出現(xiàn)無(wú)風(fēng)區(qū)。針對(duì)夏季和冬季的模擬都能夠滿(mǎn)足綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 采光分析優(yōu)化

針對(duì)某一棟樓的采光情況進(jìn)行分析，該樓的層高為3.1m，長(zhǎng)度45m，寬度16.8m。通過(guò)分析可以進(jìn)行室內(nèi)采光系數(shù)和光照照度的計(jì)算，模型如圖2 所示。

圖2 建筑的環(huán)境模型

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，居住建筑采光分析的水平參照高度為距離室內(nèi)地面0.8m，光模擬的天空環(huán)境中，會(huì)使用陰天參數(shù)，并根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝獾目傉斩戎?500lux 設(shè)定；建筑外表面材料為漆面，自然反光比值為0.75。

4.2.1 模擬工況

對(duì)建筑側(cè)窗面積分別為2.4m2、2.9m2、3.2m2的情況進(jìn)行分析，計(jì)算出玻璃的可見(jiàn)光透射比為0.55、0.77、0.83，結(jié)合單因素條件下室內(nèi)光照的變化情況，并對(duì)客廳和臥室的采光水平進(jìn)行了模擬分析。

4.2.2 模擬結(jié)果

通過(guò)對(duì)采光系數(shù)和照度之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，確定采光系數(shù)的相關(guān)性為0.996，照度的相關(guān)性為0.968。根據(jù)綠色節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)要求，側(cè)窗采光系數(shù)需要超過(guò)2.2%，采光照度超過(guò)300lux，該模擬結(jié)果滿(mǎn)足要求。

對(duì)不同透射比下室內(nèi)采光變化的情況分析，隨著玻璃的可見(jiàn)光透射比增加，采光系數(shù)和照度都會(huì)有所增加，可見(jiàn)光透射比從0.55m2增加到0.83m2，照度值從312.92lux 增加到421.87。通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光透射比和房間采光照度值之間進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得采光系數(shù)的相關(guān)性為0.998，照度值的相關(guān)性為0.997。上述分析結(jié)果也滿(mǎn)足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 采暖能耗分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，外墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.28W/m2·K 時(shí)，建筑的采暖熱負(fù)荷最小，為19.24W/m2；在外墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.54W/m2·K 時(shí)，采暖負(fù)荷達(dá)到25.58W/m2·K。結(jié)合全新的建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，4 層以上建筑傳熱系數(shù)極限為0.4W/m2·K，本工程中選擇的材料為0.28W/m2·K 和0.30W/m2·K，有比較好的節(jié)能效果。

針對(duì)建筑外窗的分析，對(duì)雙層Low-e、普通三玻、雙層玻璃、單層玻璃進(jìn)行了模擬，其中雙層Low-e 玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)最小，單層玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)最大。采暖的負(fù)荷隨著玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)的增加不斷增加，當(dāng)玻璃熱傳導(dǎo)系數(shù)為2.20W/m2·K 時(shí)，建筑的熱負(fù)荷指標(biāo)最小，為23.49W/m2；在熱傳導(dǎo)系數(shù)達(dá)到0.57W/m2·K 時(shí)，采暖指標(biāo)最大為25.12W/m2·K?？梢?jiàn)，熱傳導(dǎo)系數(shù)在2.20W/m2·K的玻璃比較節(jié)能，滿(mǎn)足綠色建筑要求。

4.4 綠色建筑優(yōu)化方案確定

繼續(xù)結(jié)合前文分析結(jié)果對(duì)建筑進(jìn)行優(yōu)化，以風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)采光、采暖能耗為較大因素指標(biāo)，最終確定建筑設(shè)計(jì)方案中：南向窗墻比為0.3、外墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.3，外窗導(dǎo)熱系數(shù)為2.41，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.45，側(cè)窗面積為3.20，玻璃可見(jiàn)透射比為0.73。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，建筑的采暖能耗從之前的23.15W/m2下降到17.47W/m2，采光系數(shù)達(dá)到5.11%，滿(mǎn)足當(dāng)?shù)夭膳芎?8.5W/m2的要求，發(fā)揮了BIM的優(yōu)化作用。

5 結(jié)論

使用BIM 技術(shù)結(jié)合相關(guān)光照、風(fēng)場(chǎng)分析軟件，可以對(duì)建筑的光照水平進(jìn)行分析，而且可以確定建筑周?chē)沫h(huán)境情況，具有比較好的優(yōu)化效果。在工作中，應(yīng)該分析當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境確定工況，針對(duì)不同條件進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采暖能耗、室內(nèi)通風(fēng)、采光等不同指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。