張金濤,　陳登峰,　肖海燕

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 云南 昆明　650051;2.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安　710055)

BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑室內(nèi)光環(huán)境分析

張金濤1,陳登峰2,肖海燕2

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 云南 昆明650051;2.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 陜西 西安710055)

摘要：以建筑信息模型(BIM)為基礎(chǔ),介紹了建筑室內(nèi)光環(huán)境建模和常見(jiàn)的三種光源,結(jié)合工程實(shí)際案例,詳細(xì)地闡述了BIM技術(shù)在建筑室內(nèi)光環(huán)境分析中的應(yīng)用。提出BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑室內(nèi)光環(huán)境分析,能直觀地反映出建筑室內(nèi)光環(huán)境具體狀況,從而準(zhǔn)確計(jì)算所需參數(shù)要求,更有利于智能化控制。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型; 室內(nèi)光環(huán)境; 光源; 采光分析

0引言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)將真實(shí)建筑物的所有信息以數(shù)字、信息的形式記錄到三維的數(shù)字化模型中。隨著現(xiàn)代建筑室內(nèi)光環(huán)境數(shù)字化控制和分析逐步擴(kuò)展,BIM技術(shù)在建筑室內(nèi)光環(huán)境改造以及優(yōu)化等方面得到了應(yīng)用和發(fā)展,目前主要采用的分析、模擬軟件是Autodesk Revit、Ecotect、DIAlux等。依據(jù)GB/T 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,BIM對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境進(jìn)行分析和模擬,對(duì)建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等全生命周期有重要指導(dǎo)和借鑒意義[1-2]。

本文主要以BIM三維數(shù)字模型為基礎(chǔ),對(duì)建筑室內(nèi)采光進(jìn)行分析,更直觀地反映建筑室內(nèi)光環(huán)境,準(zhǔn)確計(jì)算所需參數(shù)要求,更有利于智能化控制。

1建筑室內(nèi)光環(huán)境建模

建筑采光主要分為自然采光和人工采光[3]。傳統(tǒng)的建筑照明設(shè)計(jì)主要從滿足理論計(jì)算要求考慮,光源向周?chē)臻g發(fā)出的光通量不均勻,大小也不相等,難以保障實(shí)際應(yīng)用需求,尤其是在綠色照明、照明節(jié)能以及照明能耗統(tǒng)計(jì)與智能控制等方面存在明顯不足。

室內(nèi)空間光環(huán)境的設(shè)計(jì)需要協(xié)調(diào)各方面的關(guān)系,從基本的功能、照度值、照度均勻度到眩光的控制、照度穩(wěn)定性、色彩與陰影,都對(duì)合理、有效地利用自然光與設(shè)計(jì)照明光環(huán)境起到重要作用[4]。

BIM技術(shù)在建筑室內(nèi)采光照明分析一般分為以下步驟:① 搜集相關(guān)資料,繪制平面圖;② 通過(guò)Autodesk Revit軟件繪制三維模型,通過(guò)對(duì)墻體和窗戶(hù)主要光環(huán)境影響要素進(jìn)行設(shè)置,繪制所需模型;③ 將模型導(dǎo)入Ecotect軟件,進(jìn)行不同日照角度和時(shí)間的采光分析;④ 根據(jù)室內(nèi)光環(huán)境分析所得結(jié)果,探索建筑室內(nèi)采光與照明、室內(nèi)光的運(yùn)用與整體光環(huán)境的營(yíng)造方式與特點(diǎn)。

Autodesk Revit三維建模能精確地表示建筑空間幾何分布,建模初期要建立各相關(guān)專(zhuān)業(yè)模板,構(gòu)建相關(guān)族(帶有參數(shù)屬性的塊)。以照明燈為例,首先要定義光源,并對(duì)光線的形狀以及照射范圍進(jìn)行設(shè)置,相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整設(shè)計(jì)的具體要求。光源定義和實(shí)例如圖1所示。

圖1　光源定義和實(shí)例

2常見(jiàn)三種光源

2.1點(diǎn)光源

當(dāng)光源尺寸與光源到計(jì)算點(diǎn)之間的距離相比小得多時(shí),可以將光源視為點(diǎn)光源。

點(diǎn)光源照度示意如圖2所示。

圖2　點(diǎn)光源照度示意

點(diǎn)光源S在與照射方向垂直的平面N上產(chǎn)生的照度EN為

(1)

式中:Iθ——照射方向的光強(qiáng);

R——點(diǎn)光源至被照面的距離。

點(diǎn)光源S照射在水平面H上產(chǎn)生的照度為

(2)

2.2線光源

線光源是指寬度較長(zhǎng)度小得多的發(fā)光體。線光源照度示意如圖3所示,可知線光源的橫向、縱向光強(qiáng)分布。

圖3　線光源照度示意

線光源在θ方向的橫向光強(qiáng)為

Iθ=I0f(θ)

(3)

式中:I0——線光源發(fā)光面法線方向上的光強(qiáng)。

線光源的縱向光強(qiáng)分布曲線可能不同,但任何線光源在通過(guò)光源縱軸各個(gè)平面上的光強(qiáng)分布曲線有相似的形狀。與通過(guò)縱軸的對(duì)稱(chēng)平面成θ角,而與垂直于縱軸的對(duì)稱(chēng)平面成α角的光強(qiáng)為

Iθ,α=Iθ,0f(α)

(4)

式中:Iθ,0——在θ平面上垂直于光源軸線方向的光強(qiáng)。

2.3面光源

面光源一般分為若干個(gè)線光源或點(diǎn)光源,用相應(yīng)的線光源計(jì)算法或點(diǎn)光源照度計(jì)算法分別計(jì)算后再疊加。矩形等亮度面光源示意如圖4所示。

圖4中,矩形面光源的長(zhǎng)、寬分別為a、b,亮度在各個(gè)方向都相同。光源的一個(gè)頂角在與光源平行的被照面上的投影為P,則水平面照度EH為

圖4　矩形等亮度面光源示意

(5)

式中:L——面光源的亮度;

fH——立體角投影率(形狀因數(shù))。

同理,垂直面照度EV[5]為

(6)

式中:fV——立體角投影率(形狀因數(shù))。

3應(yīng)用工程案例

某科研樓總建筑面積為6 368.7 m2,建筑高度為15.95 m,地下室埋置深度為-5.1 m,-1F為設(shè)備用房,1F～3F為食堂、實(shí)物標(biāo)本庫(kù)、展覽室、機(jī)房、學(xué)術(shù)交流中心,位于主樓一側(cè)的附體樓為實(shí)物標(biāo)本庫(kù)和展覽室。本文主要以Autodesk Revit、Ecotect、Radiance軟件進(jìn)行模型構(gòu)建和分析。

通過(guò)計(jì)算設(shè)定光源的參數(shù)要求,對(duì)光源族庫(kù)進(jìn)行完善,并進(jìn)行相關(guān)模型搭建。模型完成后導(dǎo)入Ecotect,進(jìn)行采光模擬運(yùn)算分析。BIM分析模型如圖5所示。

BIM不僅能展現(xiàn)出建筑生命周期,還能體現(xiàn)建筑的各部分以及各系統(tǒng),可以進(jìn)行室內(nèi)外光環(huán)境模擬,具有可視化、綜合性?xún)?yōu)的特點(diǎn)。

展覽室白天盡可能使用自然采光,但夏季應(yīng)盡量避免陽(yáng)光的直接入射,以減少太陽(yáng)輻射熱,因此頂端外窗使用遮陽(yáng)板。在Ecotect軟件中可以設(shè)定日照軌跡,對(duì)太陽(yáng)投影進(jìn)行設(shè)定,調(diào)節(jié)投射時(shí)間、范圍等相關(guān)參數(shù)。由于當(dāng)?shù)貧夂蛩募据^分明,本文主要以冬至和夏至兩個(gè)具有代表性的日期為例進(jìn)行日光照分析。

建筑室內(nèi)采光照明的照度水平是動(dòng)態(tài)和隨時(shí)間連續(xù)變化的[6]。所以,為了更好地描述和分析室內(nèi)照明的情況,通常用采光系數(shù)表示[7]。

圖5　BIM分析模型

一方面,通過(guò)更新至最新氣象數(shù)據(jù),依據(jù)地域性的光氣候數(shù)據(jù),能夠使建筑采光分析更接近真實(shí)狀況;另一方面,更強(qiáng)調(diào)對(duì)建筑采光的全年及瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析,彌補(bǔ)了以采光系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)(建筑采光靜態(tài)分析)的不足[8-15]。

采用相同數(shù)量、布置方式的36 W不同光源(滿足照明功率密度值,色溫4 000 K,光效>75 lm/W,顯色指數(shù)Ra≥80)進(jìn)行建筑室內(nèi)光環(huán)境計(jì)算。

光源配光曲線及不同光源照度曲線如圖6所示。

不同光源照度計(jì)算對(duì)比如表1所示。

根據(jù)GB/T 50033—2013,在滿足房間功能的照度要求下,線光源更有利于利用光源,達(dá)到更好的照度要求,對(duì)照明節(jié)能有很好的指導(dǎo)意義。

在不同光源環(huán)境下,96個(gè)點(diǎn)的照度值如圖7所示。由圖7可見(jiàn),在滿足照度要求(500 lx)的情況下(也滿足照明功率密度值),點(diǎn)光源的點(diǎn)數(shù)占42.7%,面光源的占91.67%,線光源的占96.88%。因此,在相同房間、光源數(shù)條件下,線光源更容易達(dá)到照度要求。

圖6　光源配光曲線及不同光源照度曲線

光源類(lèi)型平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度點(diǎn)光源7691128580.1450.130線光源6691317570.1950.173面光源5851136610.1930.170

圖7　不同光源環(huán)境下96個(gè)點(diǎn)的照度值

相比于照明燈具發(fā)出的光,自然光主要由太陽(yáng)直射光和天空散射光兩部分組成。室內(nèi)的自然光分布受諸多因素的影響,比較復(fù)雜,這給利用自然光照明帶來(lái)了不便。在建筑室內(nèi)采光的同時(shí),自然采光也可以通過(guò)對(duì)窗簾的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光環(huán)境的改善和優(yōu)化[16-19]。

4結(jié)語(yǔ)

本文主要以BIM三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)對(duì)建筑采光進(jìn)行分析,可以更直觀地表示建筑室內(nèi)光環(huán)境,從而準(zhǔn)確計(jì)算所需參數(shù)要求,更有利于智能化控制。良好的照明采光可以減少視覺(jué)疲勞,保證視覺(jué)和身心健康,提高勞動(dòng)效率,降低能耗。

BIM技術(shù)創(chuàng)建的模型包含了豐富的幾何和參數(shù)等屬性信息,這些信息不僅可以用于電氣的電力分析、照明分析等,還可用于日照、能耗等相關(guān)分析計(jì)算,以及互聯(lián)網(wǎng)與建筑信息化共享與管理,將成為建筑行業(yè)新的研究領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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Application of BIM Technology for Analysis of Building Indoor Light Environment

ZHANG Jintao1,CHEN Dengfeng2,XIAO Haiyan2

(1.Kun Ming Engineering Co., Ltd., Power China, Kunming 650051, China; 2.School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract：Based on building information modeling(BIM)technology,this paper introduced the modeling of indoor lighting environment in building and common three light source.Combining by a actural example,BIM technology used in analysis of indoor lighting environment was elaborated.It is pointed out that the analysis of BIM technology can intuitively reflect the situation of indoor lighting environment,so the requirement of parameters are acurately calculated which is better for intelligent control.

Key words:building information modeling(BIM); indoor lighting environment; light source; daylight analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)05-0044-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.012

收稿日期：2016-04-27

陳登峰(1976—),男,副教授,研究方向?yàn)榻ㄖ姎?、建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)。

肖海燕(1975—),女,工程師,研究方向?yàn)榻ㄖ姎狻?/p>