绿色建筑模拟软件在建筑设计中的应用研究——以心语花园项目为例

刘 爽

（广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510670）

1 研究背景

“十八大”以来，党中央国务院十分重视我国生态文明建设和绿色发展，在2015年出台了《关于加快推进生态文明发展的意见》，意见中首次提到了“五化”协同发展的理念，并列提出了绿色化和新型工业化、城镇化、信息化和农业现代化，凸现了绿色发展在新时期我国经济社会发展中的重要意义和作用。我国是建筑业大国，每年有大约20 亿m2的建筑总量，接近全球年建筑总量的一半。目前，我国建筑活动造成的污染占全球总污染的1/3。各国已充分认识到绿色建筑是符合人类宜居需求的适应全球气候变化挑战的未来建筑发展方向的主流模式。同样，在我国新型城镇化的建设过程中，作为战略性新兴产业的绿色建筑已逐步上升为国家战略，得到人们的充分重视和支持。国家和地方自2006年起，已陆续出台了一系列政策和措施，有力推动了我国绿色建筑的发展。广东省住房和城乡建设厅更于2018年底发文《广东省绿色建筑量质齐升三年行动方案（2018～2020年） 》。截至2019年5月初，广东省已有2 732个项目取得绿色建筑评价设计标识，涉及总建筑面积达2.48 亿m2。

国内外针对绿色建筑的模拟分析软件也进行了多年的探索和研究，目前，国内具有大量推广和实际运用条件的软件，其中，具有代表性的分别有PKPM公司和清华斯维尔开发的基于AutoCAD平台的三维建模软件。本文采用的是清华斯维尔节能软件建模，模型与指标计算一体化，可直接使用建筑设计成果，同时一模多算，高效快捷，属于BIM的绿色建筑解决方案。

2 研究的目的和意义

绿色建筑是科技含量较高的综合性建筑，需要应用到的创新技术也比较多，为了确保绿色建筑获得最优化的综合性能以及效益，就需要建筑本身能够与各项绿色技术有机融合为一个整体。在绿色建筑设计的每个阶段，都需要借助绿色建筑模拟软件辅助优化设计。在方案阶段，借助模拟分析开展各设计方案的总图布局对比分析，最后整合到规划成果中去，并不断提出意见与反馈来优化方案，并形成预评估报告中的建议。在扩初阶段，借助模拟软件检验扩初成果是否达到预设的绿建要求，并提出施工图设计指引。在施工图设计阶段，借助模拟软件完成最终成果分析和整理，从而形成有效的证明文件，为通过施工图审查和申报绿色建筑标识提供依据。在研究过程中，根据模拟要求，必要时还要求各相关绿色建筑技术厂家进行跨学科的协作和交流。为了实现各项技术与建筑的有机结合，绿色建筑研究还需要在各环节中进行反复模拟验算，不断优化设计方案，推动研究不断向前发展。通过绿色建筑高效准确的模拟技术，既能够有效降低技术补丁的修补频率，消除设计缺陷，还能够减少设计变更， 控制建设成本，保证绿色建筑设计的良好品质。绿色建筑设计还有着信息不断反馈和循环的特征，是一个建筑性能模拟与各设计阶段相结合的整体过程。绿色建筑设计应当从方案阶段开始，利用建筑性能模拟工具获得直观、准确的建筑环境性能反馈信息，指导方案设计，保证建筑设计的科学性和合理性。本次的研究重点是阐述绿色建筑模拟软件的计算成果，以及该成果对促进建筑项目取得绿色建筑一星设计标识的作用。

3 研究的技术路线与流程

根据研究内容，从选取研究案例的方案到施工图阶段对各专项数据情况进行分析，结合现有的节能模型和绿色建筑达标要求，采用理论分析和相关运算，统计分析各种情况下的影响因素，形成对应的各专项分析报告，找出不满足规范要求的位置，进行优化研究，对原有设计模型及相关参数取值进行改进优化，再计算反馈这些变化情况，然后进行多次循环对比分析，得出符合绿建要求并达到通过标准的模拟结论。因此，本研究着重采用理论指导与参数研究，对计算机辅助手段进行模拟信息化设计研究，从而使设计成果满足绿色建筑设计申报要求，通过专家组的专题审查。

具体的研究流程如下：相关理论收集→设计及计算→收集相关工程技术数据与参数→对比分析计算→对设计进行优化与改进→生成达标成果→通过专家审查→取得研究绿色设计标识→为类似工程提供参考借鉴。

以图1所示的心语花园项目为例，分别阐述各绿色建筑模拟软件的分析内容与结果。

图1 心语花园项目总体鸟瞰图

4 主要研究内容

研究的主要内容是通过分析规范要求和收集相关资料，结合绿色建筑设计理念，确定合适的绿色建筑达标目标和适当的技术组合方案，以指导绿色建筑设计。首先，需要明确绿色建筑计算机模拟分析的任务。这主要根据规范规定的达标要求与各项参数值，寻找现存的差距。其次，掌握绿色建筑计算机模拟的一些基本方法，如气象资料、模型抽象和建立、计算设置和评价指标等，对绿色建筑形体、室内环境、朝向、布局等方面的优化方法进行研究，并且将相关标准总结和气象条件结合起来，根据不同的功能和环境条件选取最优化的方案。

5 研究的关键技术

绿色建筑的计算机模拟技术是为项目服务的，通过人工来处理模拟结果，分析出最优方案。在设计的过程中，应该充分考虑到建筑形体、朝向、群布局以及外部风、光、声环境等因素的影响，通过绿色建筑计算机模拟分析方法对建筑设计优化提供方法。

5.1 朝向优化方法

房间内部的使用要求、 太阳日照和辐射、 当地主导风向、周围道路等因素决定着绿色建筑的朝向。我国大部分地区的主导风向是南、偏南或东南，从房间自然通风的角度来看，建筑的纵轴应尽量垂直于该地区夏季的主导风向；从日照角度看，建筑的朝向应为正南或偏南，这样有利于提高房间的自然采光度、舒适度和节能度。心语花园项目的群体日照分析图如图2所示。

图2 心语花园整体日照分析图

5.2 建筑群布局优化

气候不同，建筑的布局也不同。通过对各种建筑布局的风环境模拟进行分析，发现绿色建筑的风环境特性受建筑布局影响。因此，各季风区的建筑应该根据自身特点优先选用合适的布局。

在夏热冬暖季风区，则主要考虑的是强化夏季的自然通风，即利用大自然的风带走地面热量和利用穿堂的风带走室内热量。因此，建筑群最好是能够保持内部通透，保证前后有较大风压差。对正面夏季风可采用的方式有内凹并列式、南北错列式、斜列式、自由式，这些方式都有较好的引风作用。而对侧面夏季风则可用东西错列式建筑布局为宜。心语花园冬季和夏季的室外风环境模拟如图3、图4所示。

图3 冬季风速放大系数云图

图4 夏季风速放大系数云图

5.3 外界因素对设计的影响

采用计算机模拟分析对绿色建筑进行设计的时候，还需要对绿色建筑形体、室内环境、朝向、布局等角度进行参考，从风因素、光因素、声因素这三个方面对建筑外部环境进行综合分析，运用计算机模拟分析结合建筑数据中提取的信息，寻找设计优化的方向。

5.3.1 风因素

通过对各种建筑布局的风环境模拟进行分析，发现绿色建筑的风环境特性会受到建筑布局影响。主导风向直接影响着夏季室内自然通风和冬季室内采暖损耗，因此，在选择朝向时，应把主导风向作为重要因素进行考虑。为了强化夏季室内穿堂风， 增大建筑物迎风面面积， 提高自然通风动力，建筑物朝向与夏季主导风向的夹角应小于45°。为减少采暖热损耗，居室宜避免朝向冬季主导风向。心语花园在冬季东北侧立面风压模拟如图5所示。

图5 冬季东北侧风压兆帕值

5.3.2 光因素

在规划设计阶段，朝向选取对自然光的照射量尤为重要。为了使建筑最大限度地接受日光照射，应从以下几个方面进行考虑：

（1） 南向日照最大化。夏季南面是最理想的立面，它具备最大日光照射和较多的太阳能。如果建筑的采光只能有一面被自然光照射，这时就应先满足南部的照射要求。心语花园2号楼标准层户内采光模拟如图6所示。

图6 心语花园2号楼标准层户内采光图

（2） 优化北向的采光。北面白天获得的日照量虽然比较少，却是最适合使用漫反射天窗的。

（3） 最小化东西向的光照。由于东西立面的日照入射角度一般都很低，因此射过来的光照很难控制。而且这些方位通常只提供半天的光照量，导致日光的变化性非常高。虽然西立面在冬天提供了额外的被动式太阳能采暖，但到了夏天，特别容易遭受大热量的侵袭而且严重的眩光常常在不需要的时刻出现。心语花园9号楼标准层采光分析原方案如图7所示，修改阳台门调整方案后的采光分析如图8所示。

图7 心语花园9号楼原采光模拟

图8 心语花园9号楼优化后采光模拟

5.3.3 声因素

城市噪声的主要来源为交通噪声。对于位于道路两侧噪声污染较大的建筑，可以通过改变建筑物的形体来进行降噪处理。受空气绕流作用的影响，建筑背风面的风速较小，分布也很均匀，人在背风区域活动受到空气绕流风的影响不大；建筑迎风面的高风压虽然分布均匀且较高，但区域会相应变小，这样就可以通过减少建筑前后的风压差来降低建筑外门窗的冷风渗透量，有利于降低采暖能耗，提高室内舒适度。心语花园靠高速路一侧的噪声分析如图9所示。

图9 心语花园靠近高速路旁的噪声分析模拟

6 研究结果

6.1 研究的创新点

（1） 结合我国现阶段的绿色建筑发展模式，优化绿色建筑设计流程。（2） 以《绿标》为基础，坚持“整体设计”理念，每个阶段，借助模拟软件辅助优化设计。（3） 对绿色建筑形体、室内环境、朝向、布局等角度进行研究，从风、光、声这三个方面对建筑外部环境进行综合分析，运用计算机模拟分析结合建筑数据中提取的信息，寻找绿色建筑设计优化的方向。（4） 形成高效的绿色建筑设计模式，减少技术补丁的修补频率和降低设计变更的次数，推动设计过程循环向前发展。

6.2 研究的成果

（1） 通过绿色模拟软件在绿色建筑设计实践中的应用研究，使用清华斯维尔节能软件进行建模，实现模型与指标计算一体化，可直接使用建筑设计成果，同时一模多算，高效快捷，同时基于BIM的绿色建筑解决方案对优化设计进行指导，最终令设计达到“绿色”标准，实现了国产建筑模拟分析软件技术应用，具有示范效应。并且通过有效地进行软件使用信息反馈，有利于国内模拟建筑分析软件功能的不断完善和升级。

（2） 应用绿色建筑模拟技术可以进行高效、准确的绿色建筑模拟，绿色建筑设计周期将缩短30%，并且可以有效消除设计上的缺陷，减少变更设计的次数，降低建造成本，确保建筑设计符合绿色建筑的品质要求，使绿建达标率达到95%以上。

（3） 绿色建筑模拟技术应用于心语花园项目研究，满足相关规范要求，各申报研究绿色模拟分析报告获得专家评审会评审通过，研究规划和设计达到《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2014） 国标一星级水平，获得绿色建筑设计标识证书。心语花园绿色建筑设计标识证书如图10所示。

图10 心语花园绿色建筑设计标识证书

6.3 研究技术水平及市场前景

在未来30年内，我国还需要建造400 亿m2的新建筑。《国家新型城镇化 （2014～2020年） 》提出，到2020年我国城镇绿色建筑在新建建筑当中的比重要超过50%的战略目标。当前情况下，绿色建筑的实际建成比例还非常低。大多数的建筑过程还缺乏全过程的绿色发展理念，绿色生态循环发展的潜力和空间十分巨大，需要通过努力研究，为国家绿色发展和生态文明建设作出更大的贡献。广东省住房和城乡建设厅于2018年底下发了《广东省绿色建筑量质齐升三年行动方案 （2018～2020年） 》的通知，广州市住房和城乡建设委员会在2018年12月5日下发《广州市绿色建筑量质齐升三年行动实施方案 （2018～2020年） 》的通知中指出：“全市政府投资公益性建筑和大型公共建筑项目全面达到二星级以上标准，……，2019年1月1日后立项、建筑面积大于10 万m2的居住小区按照二星级以上绿色建筑标准进行设计和建设。”

本研究正是从设计工作实际需要出发，响应各级管理要求，努力探索绿色建筑的设计技术和流程，并与既有技术团队的工作习惯进行调整和融合，在“绿色”理念指导下，从一星标准入门开始，逐步提高绿色星级的咨询和服务水平。绿色建筑市场前景广阔，从深层次上讲，更是今后设计的根本出发点之一。

7 结语

随着国民经济的发展，建筑行业也得到了大力发展，计算机模拟技术也广泛应用于绿色建筑设计中。目前，我国的设计院和科研咨询单位对绿色建筑设计的计算机模拟分析已由最初的探索阶段，逐渐进入成熟期。他们所采用的模拟软件虽然不同，但分析结论相差不大。本研究首先对绿色建筑设计的原则和内容进行分析，并对模拟方法和方案优化进行归纳总结，为绿色设计提供一些方法指导，从而提高绿色建筑设计的效率。绿色建筑是一个系统而复杂的工程，其中所应用的绿色建筑技术也是与多学科相关的综合技术，其设计工作流程不同于常规设计流程，除了有技术路线的选择外，还需要借助大量绿色模拟软件进行辅助计算和模拟，通过对比分析得出结论，从而指导优化设计，最终使设计达到“绿色”标准。其中，在计算指标的复杂运算和模拟过程中，还会涉及更为复杂的建筑物理因素的计算和分析，例如风因素、光因素、热因素以及声因素等，所以，需要通过模拟分析软件来开展各设计方案的对比分析和评价，最终导出满足规范要求的评估报告。现在，绿色模拟软件已经成为绿色建筑设计不可或缺的技术手段了。