馮禹誠

（常州工學院，常州 213032）

1 前言

綠色建筑是建筑發(fā)展的主要方向，通過優(yōu)化采光、建筑通風等條件，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。在實際工作中，需要考慮不同因素對建筑能耗因素的影響。本文針對某小區(qū)工程進行研究，研究使用BIM技術進行建筑綠色優(yōu)化設計的方法，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 綠色建筑設計指標分析

2.1 建筑的規(guī)劃布局

依據(jù)建筑使用特性、內部功能分區(qū)、建筑周圍景觀環(huán)境、建筑自身工程參數(shù)等，進行建筑的整體性指標分析。使用BIM 技術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建筑的不同方面開展分析工作，并對建筑的方案進行優(yōu)化。圖1 為項目規(guī)劃的BIM模型。

圖1 某小區(qū)項目BIM模型

2.2 遮陽和輻射分析

通過使用BIM技術建立三維模型，并在軟件中導入項目當?shù)氐慕浘暥?、氣象?shù)據(jù)，之后使用專業(yè)的工具分析，可以確定建筑在各個季節(jié)的遮陽情況、陰影范圍，并計算建筑立面在不同季節(jié)的太陽輻射水平。根據(jù)模型的計算結果，可以對建筑的遮陽板、朝向等方面進行優(yōu)化設計，讓建筑能有效使用太陽能，也提升了建筑的內部舒適度。

2.3 自然通風狀況

根據(jù)建筑項目所在地經緯度、氣象數(shù)據(jù)等，使用BIM軟件可以模擬當?shù)氐娘L速、風環(huán)境、風壓等重要因素，獲得建筑項目周圍的空氣氣流狀況，從而分析建筑在不同季節(jié)條件下的風速變化，并根據(jù)建筑物的模型確定建筑內部通風質量。設計人員可以進一步優(yōu)化建筑的布局，合理設計建筑的朝向、體型，讓建筑物具備更良好的通風效果。

3 工程介紹

3.1 工程概況

某小區(qū)位于內蒙古中部，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℃，年平均風速約為1.2m/s，年降水量422 毫米，年日照總時長2882 小時。

3.2 風環(huán)境分析

使用Ecotect 中的Weather Tool 工具導入當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，可以通過圖形了解當?shù)氐臍夂驐l件，之后使用風環(huán)境分析工具查看當?shù)氐娘L環(huán)境氣象水平。通過上述數(shù)據(jù)分析，當?shù)氐某Ｒ婏L速都在20km/h 以下，最大風速為40km/h，來自西北方，但是大風速的出現(xiàn)頻率比較低，僅有100 小時左右。結合對當?shù)馗髟麓箫L的分析，確定當?shù)叵募?-8 月東南風為主，冬季11-12 月的西北風比較多。除了可以對當?shù)氐娘L速、風向進行分析，還可以分析由于風所導致的當?shù)販貪穸茸兓?，可以確定夏季大風主要來自于南方和東南方，高濕來自于西南方，在建筑設計時可以進行參考。

4 優(yōu)化分析

4.1 風環(huán)境優(yōu)化

使用CFD 計算原理對項目的風環(huán)境進行計算，分析小區(qū)內的風環(huán)境狀況，并對小區(qū)內風環(huán)境存在的問題進行優(yōu)化，確保小區(qū)風環(huán)境滿足綠色建筑的標準要求。模擬使用通用的k-ε 模型，一部分為湍動能運輸k 方程，另一部分為耗散方程ε，方程為：

4.1.1 劃分計算域

項目需要對風場的大小進行估算。建筑群一般為環(huán)繞的長方體或者正方體，在不同的季節(jié)下，風力、風向都會有所不同。為了能夠確定建筑周圍風場的特點，選擇夏季和冬季的風向劃定風場的計算域，如表1 所示。

表1 夏季和冬季工況風場計算域

4.1.2 工況模擬

小區(qū)的風環(huán)境模擬主要目標在于進行主導風向和風力條件的計算模擬，對建筑的建筑防風狀況進行分析，表2 為模擬工況。

表2 模擬工況

在工況1 的模擬結果中，夏季主導的風速為東南風，風速為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 的風速狀況。分析結果中，1.5m 高度下的行人區(qū)域流場內風力的分布比較對稱，并不會產生渦流，但是小區(qū)內部存在無風區(qū)域，在3m/s 的風速下建筑周圍區(qū)域的風速為2.4m/s，5m/s 風速下建筑周圍區(qū)域的風速為4.5m/s；建筑中層位置25m 和40m 位置的小區(qū)內通風效果比1.5m 位置稍好。上述結果并不滿足綠色布局要求，所以需要修改。

針對冬季的模擬，在3.0m/s 和5.0m/s 的西北風場中，周圍區(qū)域1.5m 行人區(qū)流場分布對稱，所以不會出現(xiàn)渦流，但是小區(qū)內部存在無風區(qū)，比如小區(qū)4 棟周圍無風；3m/s 風速下，建筑周圍區(qū)域的最高風速為2.4m/s，5.0m/s 下最高風速為4.5m/s。該結果同樣不滿足綠色建筑標準。

4.1.3 布局優(yōu)化

為了能夠滿足綠色建筑的設計標準，對建筑進行了優(yōu)化設計，對小區(qū)內部的樓棟進行了格式的優(yōu)化布置，調整為網格形式，這樣不僅可以優(yōu)化小區(qū)內的氣流環(huán)境，而且可以提升夏季的通風效果；對東南和西北迎風方向的位置進行了調整，通過增加風向流入口，提升小區(qū)內的通風優(yōu)化效率。在工況1 的模擬中，小區(qū)周圍1.5m 行人區(qū)域的流場對稱分布，沒有渦流產生，也不會存在無風區(qū)；在工況2 的模擬中，同樣流場分布勻稱，不會產生渦流，也不會出現(xiàn)無風區(qū)。針對夏季和冬季的模擬都能夠滿足綠色建筑的標準要求。

4.2 采光分析優(yōu)化

針對某一棟樓的采光情況進行分析，該樓的層高為3.1m，長度45m，寬度16.8m。通過分析可以進行室內采光系數(shù)和光照照度的計算，模型如圖2 所示。

圖2 建筑的環(huán)境模型

根據(jù)國家標準，居住建筑采光分析的水平參照高度為距離室內地面0.8m，光模擬的天空環(huán)境中，會使用陰天參數(shù)，并根據(jù)當?shù)厥彝獾目傉斩戎?500lux 設定；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

對建筑側窗面積分別為2.4m2、2.9m2、3.2m2的情況進行分析，計算出玻璃的可見光透射比為0.55、0.77、0.83，結合單因素條件下室內光照的變化情況，并對客廳和臥室的采光水平進行了模擬分析。

4.2.2 模擬結果

通過對采光系數(shù)和照度之間的關系進行擬合，確定采光系數(shù)的相關性為0.996，照度的相關性為0.968。根據(jù)綠色節(jié)能建筑標準要求，側窗采光系數(shù)需要超過2.2%，采光照度超過300lux，該模擬結果滿足要求。

對不同透射比下室內采光變化的情況分析，隨著玻璃的可見光透射比增加，采光系數(shù)和照度都會有所增加，可見光透射比從0.55m2增加到0.83m2，照度值從312.92lux 增加到421.87。通過對可見光透射比和房間采光照度值之間進行數(shù)據(jù)擬合，獲得采光系數(shù)的相關性為0.998，照度值的相關性為0.997。上述分析結果也滿足綠色建筑標準要求。

4.3 采暖能耗分析

經過計算，外墻導熱系數(shù)為0.28W/m2·K 時，建筑的采暖熱負荷最小，為19.24W/m2；在外墻導熱系數(shù)為0.54W/m2·K 時，采暖負荷達到25.58W/m2·K。結合全新的建筑建設標準，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。

針對建筑外窗的分析，對雙層Low-e、普通三玻、雙層玻璃、單層玻璃進行了模擬，其中雙層Low-e 玻璃熱傳導系數(shù)最小，單層玻璃熱傳導系數(shù)最大。采暖的負荷隨著玻璃熱傳導系數(shù)的增加不斷增加，當玻璃熱傳導系數(shù)為2.20W/m2·K 時，建筑的熱負荷指標最小，為23.49W/m2；在熱傳導系數(shù)達到0.57W/m2·K 時，采暖指標最大為25.12W/m2·K?？梢姡瑹醾鲗禂?shù)在2.20W/m2·K的玻璃比較節(jié)能，滿足綠色建筑要求。

4.4 綠色建筑優(yōu)化方案確定

繼續(xù)結合前文分析結果對建筑進行優(yōu)化，以風環(huán)境、室內采光、采暖能耗為較大因素指標，最終確定建筑設計方案中：南向窗墻比為0.3、外墻導熱系數(shù)為0.3，外窗導熱系數(shù)為2.41，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.45，側窗面積為3.20，玻璃可見透射比為0.73。經過優(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)達到5.11%，滿足當?shù)夭膳芎?8.5W/m2的要求，發(fā)揮了BIM的優(yōu)化作用。

5 結論

使用BIM 技術結合相關光照、風場分析軟件，可以對建筑的光照水平進行分析，而且可以確定建筑周圍的環(huán)境情況，具有比較好的優(yōu)化效果。在工作中，應該分析當?shù)氐沫h(huán)境確定工況，針對不同條件進行分析，能夠實現(xiàn)對采暖能耗、室內通風、采光等不同指標進行優(yōu)化。