BIM 技术支持下的绿色建筑优化设计

2024-01-03冯禹诚

佛山陶瓷 2023年12期

冯禹诚

（常州工学院，常州 213032）

1 前言

绿色建筑是建筑发展的主要方向，通过优化采光、建筑通风等条件，可以有效降低建筑在采暖、照明等方面的能耗，提升建筑的节能水平。在实际工作中，需要考虑不同因素对建筑能耗因素的影响。本文针对某小区工程进行研究，研究使用BIM技术进行建筑绿色优化设计的方法，有效控制了建筑在采暖、照明等方面的能耗，获得了较好的优化的效果。

2 绿色建筑设计指标分析

2.1 建筑的规划布局

依据建筑使用特性、内部功能分区、建筑周围景观环境、建筑自身工程参数等，进行建筑的整体性指标分析。使用BIM 技术可以建立建筑的可视化三维模型系统，之后可以在绿色建筑的角度对建筑的不同方面开展分析工作，并对建筑的方案进行优化。图1 为项目规划的BIM模型。

图1 某小区项目BIM模型

2.2 遮阳和辐射分析

通过使用BIM技术建立三维模型，并在软件中导入项目当地的经纬度、气象数据，之后使用专业的工具分析，可以确定建筑在各个季节的遮阳情况、阴影范围，并计算建筑立面在不同季节的太阳辐射水平。根据模型的计算结果，可以对建筑的遮阳板、朝向等方面进行优化设计，让建筑能有效使用太阳能，也提升了建筑的内部舒适度。

2.3 自然通风状况

根据建筑项目所在地经纬度、气象数据等，使用BIM软件可以模拟当地的风速、风环境、风压等重要因素，获得建筑项目周围的空气气流状况，从而分析建筑在不同季节条件下的风速变化，并根据建筑物的模型确定建筑内部通风质量。设计人员可以进一步优化建筑的布局，合理设计建筑的朝向、体型，让建筑物具备更良好的通风效果。

3 工程介绍

3.1 工程概况

某小区位于内蒙古中部，全市中部为山岳地带，北部为高原草地，南部为山南平原，地势具有中间高、南北低的特征，为半干旱中温带大陆性气候。全年平均温度为7.2℃，年平均风速约为1.2m/s，年降水量422 毫米，年日照总时长2882 小时。

3.2 风环境分析

使用Ecotect 中的Weather Tool 工具导入当地的气象数据，可以通过图形了解当地的气候条件，之后使用风环境分析工具查看当地的风环境气象水平。通过上述数据分析，当地的常见风速都在20km/h 以下，最大风速为40km/h，来自西北方，但是大风速的出现频率比较低，仅有100 小时左右。结合对当地各月大风的分析，确定当地夏季7-8 月东南风为主，冬季11-12 月的西北风比较多。除了可以对当地的风速、风向进行分析，还可以分析由于风所导致的当地温湿度变化，可以确定夏季大风主要来自于南方和东南方，高湿来自于西南方，在建筑设计时可以进行参考。

4 优化分析

4.1 风环境优化

使用CFD 计算原理对项目的风环境进行计算，分析小区内的风环境状况，并对小区内风环境存在的问题进行优化，确保小区风环境满足绿色建筑的标准要求。模拟使用通用的k-ε 模型，一部分为湍动能运输k 方程，另一部分为耗散方程ε，方程为：

4.1.1 划分计算域

项目需要对风场的大小进行估算。建筑群一般为环绕的长方体或者正方体，在不同的季节下，风力、风向都会有所不同。为了能够确定建筑周围风场的特点，选择夏季和冬季的风向划定风场的计算域，如表1 所示。

表1 夏季和冬季工况风场计算域

4.1.2 工况模拟

小区的风环境模拟主要目标在于进行主导风向和风力条件的计算模拟，对建筑的建筑防风状况进行分析，表2 为模拟工况。

表2 模拟工况

在工况1 的模拟结果中，夏季主导的风速为东南风，风速为3.0m/s 和5.0m/s，获得的距离地面高度分别为1.5m、25.0m 和40.0m 的风速状况。分析结果中，1.5m 高度下的行人区域流场内风力的分布比较对称，并不会产生涡流，但是小区内部存在无风区域，在3m/s 的风速下建筑周围区域的风速为2.4m/s，5m/s 风速下建筑周围区域的风速为4.5m/s；建筑中层位置25m 和40m 位置的小区内通风效果比1.5m 位置稍好。上述结果并不满足绿色布局要求，所以需要修改。

针对冬季的模拟，在3.0m/s 和5.0m/s 的西北风场中，周围区域1.5m 行人区流场分布对称，所以不会出现涡流，但是小区内部存在无风区，比如小区4 栋周围无风；3m/s 风速下，建筑周围区域的最高风速为2.4m/s，5.0m/s 下最高风速为4.5m/s。该结果同样不满足绿色建筑标准。

4.1.3 布局优化

为了能够满足绿色建筑的设计标准，对建筑进行了优化设计，对小区内部的楼栋进行了格式的优化布置，调整为网格形式，这样不仅可以优化小区内的气流环境，而且可以提升夏季的通风效果；对东南和西北迎风方向的位置进行了调整，通过增加风向流入口，提升小区内的通风优化效率。在工况1 的模拟中，小区周围1.5m 行人区域的流场对称分布，没有涡流产生，也不会存在无风区；在工况2 的模拟中，同样流场分布匀称，不会产生涡流，也不会出现无风区。针对夏季和冬季的模拟都能够满足绿色建筑的标准要求。

4.2 采光分析优化

针对某一栋楼的采光情况进行分析，该楼的层高为3.1m，长度45m，宽度16.8m。通过分析可以进行室内采光系数和光照照度的计算，模型如图2 所示。

图2 建筑的环境模型

根据国家标准，居住建筑采光分析的水平参照高度为距离室内地面0.8m，光模拟的天空环境中，会使用阴天参数，并根据当地室外的总照度值6500lux 设定；建筑外表面材料为漆面，自然反光比值为0.75。

4.2.1 模拟工况

对建筑侧窗面积分别为2.4m2、2.9m2、3.2m2的情况进行分析，计算出玻璃的可见光透射比为0.55、0.77、0.83，结合单因素条件下室内光照的变化情况，并对客厅和卧室的采光水平进行了模拟分析。

4.2.2 模拟结果

通过对采光系数和照度之间的关系进行拟合，确定采光系数的相关性为0.996，照度的相关性为0.968。根据绿色节能建筑标准要求，侧窗采光系数需要超过2.2%，采光照度超过300lux，该模拟结果满足要求。

对不同透射比下室内采光变化的情况分析，随着玻璃的可见光透射比增加，采光系数和照度都会有所增加，可见光透射比从0.55m2增加到0.83m2，照度值从312.92lux 增加到421.87。通过对可见光透射比和房间采光照度值之间进行数据拟合，获得采光系数的相关性为0.998，照度值的相关性为0.997。上述分析结果也满足绿色建筑标准要求。

4.3 采暖能耗分析

经过计算，外墙导热系数为0.28W/m2·K 时，建筑的采暖热负荷最小，为19.24W/m2；在外墙导热系数为0.54W/m2·K 时，采暖负荷达到25.58W/m2·K。结合全新的建筑建设标准，4 层以上建筑传热系数极限为0.4W/m2·K，本工程中选择的材料为0.28W/m2·K 和0.30W/m2·K，有比较好的节能效果。

针对建筑外窗的分析，对双层Low-e、普通三玻、双层玻璃、单层玻璃进行了模拟，其中双层Low-e 玻璃热传导系数最小，单层玻璃热传导系数最大。采暖的负荷随着玻璃热传导系数的增加不断增加，当玻璃热传导系数为2.20W/m2·K 时，建筑的热负荷指标最小，为23.49W/m2；在热传导系数达到0.57W/m2·K 时，采暖指标最大为25.12W/m2·K。可见，热传导系数在2.20W/m2·K的玻璃比较节能，满足绿色建筑要求。

4.4 绿色建筑优化方案确定

继续结合前文分析结果对建筑进行优化，以风环境、室内采光、采暖能耗为较大因素指标，最终确定建筑设计方案中：南向窗墙比为0.3、外墙导热系数为0.3，外窗导热系数为2.41，屋面传热系数为0.45，侧窗面积为3.20，玻璃可见透射比为0.73。经过优化之后，建筑的采暖能耗从之前的23.15W/m2下降到17.47W/m2，采光系数达到5.11%，满足当地采暖能耗18.5W/m2的要求，发挥了BIM的优化作用。