劉 爽

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670）

1 研究背景

“十八大”以來，黨中央國務院十分重視我國生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展，在2015年出臺了《關于加快推進生態(tài)文明發(fā)展的意見》，意見中首次提到了“五化”協(xié)同發(fā)展的理念，并列提出了綠色化和新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，凸現(xiàn)了綠色發(fā)展在新時期我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的重要意義和作用。我國是建筑業(yè)大國，每年有大約20 億m2的建筑總量，接近全球年建筑總量的一半。目前，我國建筑活動造成的污染占全球總污染的1/3。各國已充分認識到綠色建筑是符合人類宜居需求的適應全球氣候變化挑戰(zhàn)的未來建筑發(fā)展方向的主流模式。同樣，在我國新型城鎮(zhèn)化的建設過程中，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的綠色建筑已逐步上升為國家戰(zhàn)略，得到人們的充分重視和支持。國家和地方自2006年起，已陸續(xù)出臺了一系列政策和措施，有力推動了我國綠色建筑的發(fā)展。廣東省住房和城鄉(xiāng)建設廳更于2018年底發(fā)文《廣東省綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動方案（2018～2020年） 》。截至2019年5月初，廣東省已有2 732個項目取得綠色建筑評價設計標識，涉及總建筑面積達2.48 億m2。

國內(nèi)外針對綠色建筑的模擬分析軟件也進行了多年的探索和研究，目前，國內(nèi)具有大量推廣和實際運用條件的軟件，其中，具有代表性的分別有PKPM公司和清華斯維爾開發(fā)的基于AutoCAD平臺的三維建模軟件。本文采用的是清華斯維爾節(jié)能軟件建模，模型與指標計算一體化，可直接使用建筑設計成果，同時一模多算，高效快捷，屬于BIM的綠色建筑解決方案。

2 研究的目的和意義

綠色建筑是科技含量較高的綜合性建筑，需要應用到的創(chuàng)新技術也比較多，為了確保綠色建筑獲得最優(yōu)化的綜合性能以及效益，就需要建筑本身能夠與各項綠色技術有機融合為一個整體。在綠色建筑設計的每個階段，都需要借助綠色建筑模擬軟件輔助優(yōu)化設計。在方案階段，借助模擬分析開展各設計方案的總圖布局對比分析，最后整合到規(guī)劃成果中去，并不斷提出意見與反饋來優(yōu)化方案，并形成預評估報告中的建議。在擴初階段，借助模擬軟件檢驗擴初成果是否達到預設的綠建要求，并提出施工圖設計指引。在施工圖設計階段，借助模擬軟件完成最終成果分析和整理，從而形成有效的證明文件，為通過施工圖審查和申報綠色建筑標識提供依據(jù)。在研究過程中，根據(jù)模擬要求，必要時還要求各相關綠色建筑技術廠家進行跨學科的協(xié)作和交流。為了實現(xiàn)各項技術與建筑的有機結合，綠色建筑研究還需要在各環(huán)節(jié)中進行反復模擬驗算，不斷優(yōu)化設計方案，推動研究不斷向前發(fā)展。通過綠色建筑高效準確的模擬技術，既能夠有效降低技術補丁的修補頻率，消除設計缺陷，還能夠減少設計變更， 控制建設成本，保證綠色建筑設計的良好品質(zhì)。綠色建筑設計還有著信息不斷反饋和循環(huán)的特征，是一個建筑性能模擬與各設計階段相結合的整體過程。綠色建筑設計應當從方案階段開始，利用建筑性能模擬工具獲得直觀、準確的建筑環(huán)境性能反饋信息，指導方案設計，保證建筑設計的科學性和合理性。本次的研究重點是闡述綠色建筑模擬軟件的計算成果，以及該成果對促進建筑項目取得綠色建筑一星設計標識的作用。

3 研究的技術路線與流程

根據(jù)研究內(nèi)容，從選取研究案例的方案到施工圖階段對各專項數(shù)據(jù)情況進行分析，結合現(xiàn)有的節(jié)能模型和綠色建筑達標要求，采用理論分析和相關運算，統(tǒng)計分析各種情況下的影響因素，形成對應的各專項分析報告，找出不滿足規(guī)范要求的位置，進行優(yōu)化研究，對原有設計模型及相關參數(shù)取值進行改進優(yōu)化，再計算反饋這些變化情況，然后進行多次循環(huán)對比分析，得出符合綠建要求并達到通過標準的模擬結論。因此，本研究著重采用理論指導與參數(shù)研究，對計算機輔助手段進行模擬信息化設計研究，從而使設計成果滿足綠色建筑設計申報要求，通過專家組的專題審查。

具體的研究流程如下：相關理論收集→設計及計算→收集相關工程技術數(shù)據(jù)與參數(shù)→對比分析計算→對設計進行優(yōu)化與改進→生成達標成果→通過專家審查→取得研究綠色設計標識→為類似工程提供參考借鑒。

以圖1所示的心語花園項目為例，分別闡述各綠色建筑模擬軟件的分析內(nèi)容與結果。

圖1 心語花園項目總體鳥瞰圖

4 主要研究內(nèi)容

研究的主要內(nèi)容是通過分析規(guī)范要求和收集相關資料，結合綠色建筑設計理念，確定合適的綠色建筑達標目標和適當?shù)募夹g組合方案，以指導綠色建筑設計。首先，需要明確綠色建筑計算機模擬分析的任務。這主要根據(jù)規(guī)范規(guī)定的達標要求與各項參數(shù)值，尋找現(xiàn)存的差距。其次，掌握綠色建筑計算機模擬的一些基本方法，如氣象資料、模型抽象和建立、計算設置和評價指標等，對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等方面的優(yōu)化方法進行研究，并且將相關標準總結和氣象條件結合起來，根據(jù)不同的功能和環(huán)境條件選取最優(yōu)化的方案。

5 研究的關鍵技術

綠色建筑的計算機模擬技術是為項目服務的，通過人工來處理模擬結果，分析出最優(yōu)方案。在設計的過程中，應該充分考慮到建筑形體、朝向、群布局以及外部風、光、聲環(huán)境等因素的影響，通過綠色建筑計算機模擬分析方法對建筑設計優(yōu)化提供方法。

5.1 朝向優(yōu)化方法

房間內(nèi)部的使用要求、 太陽日照和輻射、 當?shù)刂鲗эL向、周圍道路等因素決定著綠色建筑的朝向。我國大部分地區(qū)的主導風向是南、偏南或東南，從房間自然通風的角度來看，建筑的縱軸應盡量垂直于該地區(qū)夏季的主導風向；從日照角度看，建筑的朝向應為正南或偏南，這樣有利于提高房間的自然采光度、舒適度和節(jié)能度。心語花園項目的群體日照分析圖如圖2所示。

圖2 心語花園整體日照分析圖

5.2 建筑群布局優(yōu)化

氣候不同，建筑的布局也不同。通過對各種建筑布局的風環(huán)境模擬進行分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的風環(huán)境特性受建筑布局影響。因此，各季風區(qū)的建筑應該根據(jù)自身特點優(yōu)先選用合適的布局。

在夏熱冬暖季風區(qū)，則主要考慮的是強化夏季的自然通風，即利用大自然的風帶走地面熱量和利用穿堂的風帶走室內(nèi)熱量。因此，建筑群最好是能夠保持內(nèi)部通透，保證前后有較大風壓差。對正面夏季風可采用的方式有內(nèi)凹并列式、南北錯列式、斜列式、自由式，這些方式都有較好的引風作用。而對側(cè)面夏季風則可用東西錯列式建筑布局為宜。心語花園冬季和夏季的室外風環(huán)境模擬如圖3、圖4所示。

圖3 冬季風速放大系數(shù)云圖

圖4 夏季風速放大系數(shù)云圖

5.3 外界因素對設計的影響

采用計算機模擬分析對綠色建筑進行設計的時候，還需要對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等角度進行參考，從風因素、光因素、聲因素這三個方面對建筑外部環(huán)境進行綜合分析，運用計算機模擬分析結合建筑數(shù)據(jù)中提取的信息，尋找設計優(yōu)化的方向。

5.3.1 風因素

通過對各種建筑布局的風環(huán)境模擬進行分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的風環(huán)境特性會受到建筑布局影響。主導風向直接影響著夏季室內(nèi)自然通風和冬季室內(nèi)采暖損耗，因此，在選擇朝向時，應把主導風向作為重要因素進行考慮。為了強化夏季室內(nèi)穿堂風， 增大建筑物迎風面面積， 提高自然通風動力，建筑物朝向與夏季主導風向的夾角應小于45°。為減少采暖熱損耗，居室宜避免朝向冬季主導風向。心語花園在冬季東北側(cè)立面風壓模擬如圖5所示。

圖5 冬季東北側(cè)風壓兆帕值

5.3.2 光因素

在規(guī)劃設計階段，朝向選取對自然光的照射量尤為重要。為了使建筑最大限度地接受日光照射，應從以下幾個方面進行考慮：

（1） 南向日照最大化。夏季南面是最理想的立面，它具備最大日光照射和較多的太陽能。如果建筑的采光只能有一面被自然光照射，這時就應先滿足南部的照射要求。心語花園2號樓標準層戶內(nèi)采光模擬如圖6所示。

圖6 心語花園2號樓標準層戶內(nèi)采光圖

（2） 優(yōu)化北向的采光。北面白天獲得的日照量雖然比較少，卻是最適合使用漫反射天窗的。

（3） 最小化東西向的光照。由于東西立面的日照入射角度一般都很低，因此射過來的光照很難控制。而且這些方位通常只提供半天的光照量，導致日光的變化性非常高。雖然西立面在冬天提供了額外的被動式太陽能采暖，但到了夏天，特別容易遭受大熱量的侵襲而且嚴重的眩光常常在不需要的時刻出現(xiàn)。心語花園9號樓標準層采光分析原方案如圖7所示，修改陽臺門調(diào)整方案后的采光分析如圖8所示。

圖7 心語花園9號樓原采光模擬

圖8 心語花園9號樓優(yōu)化后采光模擬

5.3.3 聲因素

城市噪聲的主要來源為交通噪聲。對于位于道路兩側(cè)噪聲污染較大的建筑，可以通過改變建筑物的形體來進行降噪處理。受空氣繞流作用的影響，建筑背風面的風速較小，分布也很均勻，人在背風區(qū)域活動受到空氣繞流風的影響不大；建筑迎風面的高風壓雖然分布均勻且較高，但區(qū)域會相應變小，這樣就可以通過減少建筑前后的風壓差來降低建筑外門窗的冷風滲透量，有利于降低采暖能耗，提高室內(nèi)舒適度。心語花園靠高速路一側(cè)的噪聲分析如圖9所示。

圖9 心語花園靠近高速路旁的噪聲分析模擬

6 研究結果

6.1 研究的創(chuàng)新點

（1） 結合我國現(xiàn)階段的綠色建筑發(fā)展模式，優(yōu)化綠色建筑設計流程。（2） 以《綠標》為基礎，堅持“整體設計”理念，每個階段，借助模擬軟件輔助優(yōu)化設計。（3） 對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等角度進行研究，從風、光、聲這三個方面對建筑外部環(huán)境進行綜合分析，運用計算機模擬分析結合建筑數(shù)據(jù)中提取的信息，尋找綠色建筑設計優(yōu)化的方向。（4） 形成高效的綠色建筑設計模式，減少技術補丁的修補頻率和降低設計變更的次數(shù)，推動設計過程循環(huán)向前發(fā)展。

6.2 研究的成果

（1） 通過綠色模擬軟件在綠色建筑設計實踐中的應用研究，使用清華斯維爾節(jié)能軟件進行建模，實現(xiàn)模型與指標計算一體化，可直接使用建筑設計成果，同時一模多算，高效快捷，同時基于BIM的綠色建筑解決方案對優(yōu)化設計進行指導，最終令設計達到“綠色”標準，實現(xiàn)了國產(chǎn)建筑模擬分析軟件技術應用，具有示范效應。并且通過有效地進行軟件使用信息反饋，有利于國內(nèi)模擬建筑分析軟件功能的不斷完善和升級。

（2） 應用綠色建筑模擬技術可以進行高效、準確的綠色建筑模擬，綠色建筑設計周期將縮短30%，并且可以有效消除設計上的缺陷，減少變更設計的次數(shù)，降低建造成本，確保建筑設計符合綠色建筑的品質(zhì)要求，使綠建達標率達到95%以上。

（3） 綠色建筑模擬技術應用于心語花園項目研究，滿足相關規(guī)范要求，各申報研究綠色模擬分析報告獲得專家評審會評審通過，研究規(guī)劃和設計達到《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2014） 國標一星級水平，獲得綠色建筑設計標識證書。心語花園綠色建筑設計標識證書如圖10所示。

圖10 心語花園綠色建筑設計標識證書

6.3 研究技術水平及市場前景

在未來30年內(nèi)，我國還需要建造400 億m2的新建筑?！秶倚滦统擎?zhèn)化 （2014～2020年） 》提出，到2020年我國城鎮(zhèn)綠色建筑在新建建筑當中的比重要超過50%的戰(zhàn)略目標。當前情況下，綠色建筑的實際建成比例還非常低。大多數(shù)的建筑過程還缺乏全過程的綠色發(fā)展理念，綠色生態(tài)循環(huán)發(fā)展的潛力和空間十分巨大，需要通過努力研究，為國家綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設作出更大的貢獻。廣東省住房和城鄉(xiāng)建設廳于2018年底下發(fā)了《廣東省綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動方案 （2018～2020年） 》的通知，廣州市住房和城鄉(xiāng)建設委員會在2018年12月5日下發(fā)《廣州市綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動實施方案 （2018～2020年） 》的通知中指出：“全市政府投資公益性建筑和大型公共建筑項目全面達到二星級以上標準，……，2019年1月1日后立項、建筑面積大于10 萬m2的居住小區(qū)按照二星級以上綠色建筑標準進行設計和建設。”

本研究正是從設計工作實際需要出發(fā)，響應各級管理要求，努力探索綠色建筑的設計技術和流程，并與既有技術團隊的工作習慣進行調(diào)整和融合，在“綠色”理念指導下，從一星標準入門開始，逐步提高綠色星級的咨詢和服務水平。綠色建筑市場前景廣闊，從深層次上講，更是今后設計的根本出發(fā)點之一。

7 結語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，建筑行業(yè)也得到了大力發(fā)展，計算機模擬技術也廣泛應用于綠色建筑設計中。目前，我國的設計院和科研咨詢單位對綠色建筑設計的計算機模擬分析已由最初的探索階段，逐漸進入成熟期。他們所采用的模擬軟件雖然不同，但分析結論相差不大。本研究首先對綠色建筑設計的原則和內(nèi)容進行分析，并對模擬方法和方案優(yōu)化進行歸納總結，為綠色設計提供一些方法指導，從而提高綠色建筑設計的效率。綠色建筑是一個系統(tǒng)而復雜的工程，其中所應用的綠色建筑技術也是與多學科相關的綜合技術，其設計工作流程不同于常規(guī)設計流程，除了有技術路線的選擇外，還需要借助大量綠色模擬軟件進行輔助計算和模擬，通過對比分析得出結論，從而指導優(yōu)化設計，最終使設計達到“綠色”標準。其中，在計算指標的復雜運算和模擬過程中，還會涉及更為復雜的建筑物理因素的計算和分析，例如風因素、光因素、熱因素以及聲因素等，所以，需要通過模擬分析軟件來開展各設計方案的對比分析和評價，最終導出滿足規(guī)范要求的評估報告?，F(xiàn)在，綠色模擬軟件已經(jīng)成為綠色建筑設計不可或缺的技術手段了。