浅析数字模拟在绿色建筑中的应用

2022-12-26戚科骏QIKejun刘滕LIUTeng黄茗聪HUANGMingcong

价值工程 2022年35期

戚科骏QI Ke-jun；刘滕LIU Teng；黄茗聪HUANG Ming-cong

（①常州市晋陵投资集团有限公司，常州 213000；②江苏筑森建筑设计有限公司，常州 213000）

0 引言

近年来，国家对生态文明建设的重视程度不断提高，我们生产生活方式也正逐步向绿色化转型，绿色建筑设计理念受到社会公众们的广泛关注。随着数字化时代的来临，计算机设备的不断更新，数字模拟的不断发展，将其融入到绿色建筑设计中是提升绿色建筑技术水平的一种很好措施。

1 我国绿色建筑设计发展现状

1.1 绿色建筑评级标准的指引

2006年3月，住房和城乡建设部发布了我国第一部有关绿色建筑的国家标准《绿色建筑评级标准》GB/T50378-2006，自此开启的逐步完善中国式绿色建筑评价体系的新征程。至2019年8月，绿色建筑评价标准已更新至第三代，在《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2019中的对“绿色建筑”的定义是：在建筑的全寿命周期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、舒适、高效的使用空间，最大限度地实现人与自然和谐共生的高质量建筑。

1.2 绿色建筑设计方向的改变

当下的绿色建筑设计要放弃盲目使用新建材，堆砌新设备，改为结合新时代社会主要矛盾的变化，以人们对美好生活的需求为出发点，提升绿色建筑的实用性和舒适性。想要达到这一要求，一般要从建筑的被动式设计和主动式技术措施入手。被动式设计是通过建筑设计的本身，采用自然通风，自然采光，调整建筑窗墙比，利用遮阳，增厚墙体、屋面的保温以阻挡热的输入，提升建筑围护结构的密封性能等措施及其衍生的措施和方法。主动式技术措施则是通过技术创新来降低设备能源消耗需求或提高设备能效的方式，如太阳能热水、太阳能光伏、节能空调等。其中对被动式设计的充分利用，能更好地降低绿色建筑的能耗，提升使用者的舒适度。好的被动式设计离不开数字模拟的支撑。

2 数字模拟方法

2.1 数字模拟的分类

在进行绿色建筑的被动式设计时，风环境法、光环境法和声环境法是最为常用的几类数字模拟。

风环境法往下还可细分为室外风环境模拟和室内自然通风模拟[1]。室外风环境模拟主要是根据建筑所在区域的地形、气候进行模拟分析。室内自然通风模拟一般在室外风场计算完成的基础上进行，提取各个窗户表面风压，作为室内分析的初始边界条件进行模拟分析。其主要用到的模拟软件有PHOENICS、建筑通风VENT。在模拟过程中气象参数扮演者最为重要的角色，对最终结果的精确有着至关重要的影响。

光环境法同样涉及到室外光环境和室内采光两个部分。室外光环境主要模拟的就是建筑的日照情况，根据指定地块所在的经纬度范围，计算该地块在某段时间内，可被太阳照射到的时间长度。室内采光主要是模拟建筑当前门窗的大小、建筑结构、装修情况是否能使得建筑内部得到适宜的光线。其主要用到的模拟软件有Autodesk Ecotect Analysis和Daysim等。在模拟过程中，建筑外部遮阳和内部饰面颜色对最终结果有较为关键的影响。

声环境法亦可分为室外声环境和室内声环境。室外声环境模拟受建筑周边交通情况影响较大，需对建筑周边道路建设、车辆通行情况事先要有一个详细的了解。室内声环境模拟则是针对建筑本身围护结构隔声性能做的分析。

2.2 数字模拟的意义

数字模拟依靠电子计算机，通过数值计算和图像显示的方法，达到对各项工程问题展开针对性的研究。具有可靠性高，投入成本低，实现周期短的特点。能在建筑设计初期为设计师们大大减少试错时间，从而提升设计效率。

3 数字模拟在绿色设计中的应用

3.1 数字模拟在绿色建筑设计中的具体应用

接下来以常州新地标-常州市文化广场项目为例，来具体说说各类模拟在绿色建筑中的具体应用情况，如图1所示。

图1 项目实景图

常州市文化广场建筑群由4栋12层建筑和6栋10层建筑组成。南侧4栋建筑造型较为传统是新的常州市行政服务中心，北侧6栋建筑造型较为新颖，造型创意取自江南拱桥，通过不同的转向，形成月亮桥形态建筑入口，呈现“下小上大”极具雕塑感的综合体。6栋建筑造型相似确不完全相同，各自承担的不同的功能需求，分为图书馆、美术馆、文化产业用房。

3.1.1 建筑模型的建立

在进行数字模拟之前，首先要进行建筑模型的构建，这在数字模拟中是比较关键的一个环节[2]。在这一过程中，需要设计师们依据平面图纸的数据构建三维的建筑模型。模型建得与图纸越相近，模拟结果的准确度自然就越高。但并不提倡一味地追求复杂的建筑模型，还是要根据模拟类型，有针对性地进行模型构建。

如文化广场项目北侧6栋楼，在进行风环境模拟时，可以将复杂的建筑图形简化至只有墙体、门窗等重要部位。同时还要考虑目标工程周边建筑对于气流的阻挡，简要构件下周边建筑的三维模型。

而进行光环境模拟时，除了墙体、门窗等重要部位，建筑外立面上的遮阳构件等也需一一建立模型。原本建筑遮阳是为了避免阳光直射室内，防止建筑物的外围护结构被阳光过分加热，从而防止局部过热和眩光的产生，以及保护室内各种物品而采取的一种必要的措施。其减少了直射室内的阳光，必然对建筑采光产生不可忽视的影响。

3.1.2 关键数据的输入

其次是数据的输入。根据想要进行的模拟分析类型，输入对应的计算参数。如进行风环境模拟，需根据各地区风向玫瑰图确定当地对应季节的主要风向和平均风速，并添加到场地的设定中。

再如进行采光模拟时，需在构建模型时明确建筑朝向及各外窗遮阳措施情况。同时建筑内各房间顶棚、墙面、地面所用涂料的反射比对采光效果的影响也不可忽视。

3.1.3 模拟结果的分析

最后，根据各项数字模拟得出的结果，我们可以在既定的气候、地形条件下调整我们建筑的朝向、高度、楼栋数、窗墙比、围护结构构造等等。

从室外风模拟图2-图3中可以看出：

图2 冬季工况速度矢量图

图3 冬季工况速度云图

在冬季典型风速和风向条件下，建筑物周围人行区距离地面1.5m处风速均小于5m/s，风速比较均匀，无明显过大处，室外风速放大系数均小于1，保证了舒适的室外活动。

在过渡季、夏季典型风速和风向条件下，场地内人活动区有小部分涡旋存在，但无通风死角。

综上可见，常州市文化广场项目场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风，场地规划和建筑排布符合实际需要。

从室内采光模拟图4及表1-表2可以看出：

图4 八层室内采光系数模拟效果图

表1 八层室内采光系数计算表

表2 九层室内采光系数计算表

八层主要功能空间室内采光系数大于2.2%的区域占主要功能空间总面积的19.81%，不能够满足规范要求。

九层主要功能空间室内采光系数大于2.2%的区域占主要功能空间总面积的64.81%，不能够满足规范要求。

综上可见，办公楼8层和9层因为周边建筑遮挡严重致室内采光效果不佳，建议设置天窗使得室内采光照度及采光时长满足人们日常生产生活所需。

建筑离城市主干道较远，且周边有品种繁多的绿化植被，对交通噪声进行了良好的阻隔，项目场地内环境噪声符合现行国家标准《声环境质量标准》GB 3096的有关规定（如表3）。

表3 参评建筑达标统计单位：dB（A）

由此可见，通过数字模拟发现建筑存在的潜在问题，从而有针对性地优化设计确实可以提高绿色建筑设计的合理性和实用性，给在建筑中工作学习的人们带来舒适、健康、安宁的使用体验。

3.2 数字模拟在绿色建筑设计领域的发展前景

数字模拟技术的各类软件都是将地理位置信息、气候气象信息作为计算依据开始的[3]。在实际应用的过程中不难发现，软件自带的地点选择是十分有限的，想要自行补充相关数据，查找和计算的工程量又十分浩大，在此情况下往往采用相近的地点信息进行模拟，而这带来的影响就是计算结果存在偏差。随着我国社会的进一步发展，数据的多样性呈爆发式增长，数字模拟在绿色建筑设计过程中的优势正逐步显现，可靠性高、成本低、周期短、灵活性强等特点是数字模拟技术在绿色建筑设计中拥有广阔发展前景的重要保障。