基于BIM技術(shù)的建筑日照與風(fēng)環(huán)境研究

朱通通

摘要： 建筑的性能與氣候環(huán)境有著緊密的聯(lián)系，不同的氣候區(qū)域，其建筑的防寒采暖、遮陽(yáng)隔熱、采光、通風(fēng)等基本功能需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)。因此，一種建筑和構(gòu)造形式適應(yīng)所有的氣候區(qū)域是不現(xiàn)實(shí)的。因建筑師在設(shè)計(jì)一棟建筑時(shí)需要考慮的不僅僅是其外形，更重要的是設(shè)計(jì)的建筑要符合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)[1]。本文以BIM技術(shù)為研究對(duì)象，就其在建筑概念設(shè)計(jì)階段中的具體應(yīng)用進(jìn)行了探究，利用概率、可靠度的評(píng)價(jià)分析方法，論證了其在BIM技術(shù)中運(yùn)用的可行性與實(shí)用性。希望能為建筑的概念設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

Abstract： The performance of the building and the environment are closely linked， different climate regions， the construction of the cold heating， heat insulation， lighting， ventilation and other basic functions need the corresponding design according to the local climate. Therefore， it is unrealistic to adapt to all climatic regions in one form of architecture and structure. Architects need to consider not only its shape in the design of a building， it is more important that the designs of the building need to meet the local climate characteristics. In this paper， the BIM technology acts as the research object in the architectural concept of the design stage of the specific application of the study， hoping to provide reference for the construction of the concept design.

關(guān)鍵詞： 概念設(shè)計(jì)；BIM技術(shù)；風(fēng)環(huán)境分析；日照分析；可靠度

Key words： conceptual design；BIM technology；wind environment analysis；sunshine analysis；reliability degree

中圖分類號(hào)：TU242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）15-0109-03

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，人們對(duì)建筑舒適度的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的建筑物往往缺少對(duì)其前期設(shè)計(jì)進(jìn)行足夠的重視，導(dǎo)致建筑物缺乏應(yīng)有的舒適度，例如：建筑的采光性能差、建筑能耗較高、建筑外形不符合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鞯取Ｒ幌盗械膯?wèn)題就使得建筑物的性能與期望值相距甚遠(yuǎn)。先天技術(shù)水平的不足，后天的狀況就難以得到改觀。究其原因是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于二維CAD的設(shè)計(jì)，建筑前期方案的選定有些是事后做下合乎規(guī)范的驗(yàn)算了事，幾乎沒(méi)有把采光、能耗、風(fēng)環(huán)境等建筑物性能分析融入到前期設(shè)計(jì)階段中，更不用說(shuō)把上述分析可視化地展現(xiàn)給建筑師提供參考，而前期設(shè)計(jì)階段又對(duì)建筑物的整體性能的影響占有很大的比重[2-3]（見(jiàn)圖1）。

BIM技術(shù)的引入?yún)s恰好能解決這個(gè)問(wèn)題，BIM的可視化、模擬性能能為建筑師提供一些很好的參考數(shù)據(jù)。據(jù)此，建筑師可以對(duì)性能較差的地方實(shí)時(shí)地作出調(diào)整，爭(zhēng)取使得建筑物的各個(gè)方面的性能達(dá)到最佳。這樣就使得投資得到了應(yīng)有的回報(bào)，大大地提高了資源的利用率，提高了建筑的親和力，符合當(dāng)前可持續(xù)性設(shè)計(jì)的發(fā)展需求[4]。

1 BIM概述

Building Information Model（建筑信息模型）簡(jiǎn)稱為BIM。1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授創(chuàng)建了BIM理念，其最初的理念便是讓建筑工程實(shí)現(xiàn)可視化和量化分析，提高工程建設(shè)效率。創(chuàng)建至今，BIM思想并沒(méi)有局限于此，它在不斷地發(fā)展之中[3]。美國(guó)BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對(duì)BIM定義的中心思想是：BIM是利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過(guò)程，過(guò)程的成果是一個(gè)信息豐富的多維項(xiàng)目模型—即為BIM模型。BIM具有完備性、參數(shù)化性、一體化性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和出圖性八大特點(diǎn)。[5-7，10，11]

3 方案選型階段的日照分析

3.1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

擬建場(chǎng)地位于元陽(yáng)縣新街鎮(zhèn)西南方向的土戈寨村委會(huì)轄地，距離元陽(yáng)縣新街鎮(zhèn)約5km，其北側(cè)隔省道S214與元陽(yáng)縣美麗家園哈尼小鎮(zhèn)D組團(tuán)相望，西側(cè)距離元陽(yáng)縣美麗家園哈尼小鎮(zhèn)C組團(tuán)約500m，東側(cè)及南側(cè)現(xiàn)狀為農(nóng)作物種植地。擬建哈尼族民族歷史博物館總用地面積為35975m2，擬建建筑由1棟3F剪力墻結(jié)構(gòu)建筑物組成，總建筑面積為8315.64m2，建筑±0.00標(biāo)高為1818.00，擬建基礎(chǔ)形式為墻下挖孔樁基礎(chǔ)。

場(chǎng)地地貌上處于低中山山麓斜坡地帶，場(chǎng)地總體地形由西北向東南緩傾，總體地形約10度，局部坡度約20度，坡面叢林茂密，植被良好，均未采取任何支擋措施，屬斜坡場(chǎng)地。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘場(chǎng)地現(xiàn)狀未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用。原始自然地面標(biāo)高介于1797.62～1819.87 m之間，相對(duì)高差為22.25 m。

3.2 BIM日照模擬步驟與結(jié)果

對(duì)于本項(xiàng)目是在Sketchup平臺(tái)上做的日照分析，采用“SketchUp日照大師”進(jìn)行分析。本項(xiàng)目的地理位置：北緯23.1°，東經(jīng)102.7°。在“日照參數(shù)設(shè)置”里面設(shè)置好地理位置。由于項(xiàng)目場(chǎng)地在“中國(guó)建筑氣候劃分圖”中的第區(qū)，所以在分析時(shí)以冬至日作為分析標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范要求：其采光系數(shù)最低值Cmin=1%。對(duì)于可靠度分析，μz可根據(jù)圖2選定區(qū)域計(jì)算得來(lái)（詳見(jiàn)GB50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的采光系數(shù)平均值計(jì)算方法），z應(yīng)取0.01（根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出變化幅度很?。?，μs根據(jù)建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取2.78%（博物館展廳、門廳等采光系數(shù)平均值），μs同樣取0.01。取本項(xiàng)目一層A、B兩個(gè)計(jì)算區(qū)域（見(jiàn)圖2）。

3.3 分析及計(jì)算結(jié)果（如圖3、表1所示）

由以上分析結(jié)果、數(shù)據(jù)可以看出，本項(xiàng)目的異形構(gòu)造并沒(méi)有影響窗體部位的采光，而本來(lái)采光不好的陰面，也由于弧形設(shè)計(jì)部分使得日照時(shí)間取得很大提高。表1的數(shù)據(jù)表明A、B兩區(qū)域的采光設(shè)計(jì)符合采光舒適度設(shè)計(jì)，當(dāng)然也符合建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 方案選型階段的風(fēng)環(huán)境分析

4.1 BIM風(fēng)環(huán)境分析步驟與方法

把Revit建筑模型導(dǎo)出為dwg格式文件，導(dǎo)入Autodesk Flow Design中，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件（見(jiàn)表2、表3）可見(jiàn)，當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速比較大的月份集中在3、4月份，平均風(fēng)速分別為：3.8 m/s（3月平均風(fēng)速的上下浮動(dòng)率為

-15%～17%），3.72 m/s（4月平均風(fēng)速的上下浮動(dòng)率為

-19%～12%），因此取風(fēng)速4.446 m/s作為輸入值。

4.2 分析結(jié)果

風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果見(jiàn)圖4所示。假設(shè)Va為建筑場(chǎng)地某處的實(shí)際風(fēng)速，Vc為場(chǎng)地舒適度風(fēng)速的控制值。Va、Vc的分布函數(shù)符合正態(tài)分布。利用可靠度的原理，可得（5）式：

本工程處于山地丘陵地區(qū)，地面粗糙度比較大。順風(fēng)向平均風(fēng)相對(duì)平穩(wěn)，往往脈動(dòng)風(fēng)的幅值大且頻率高，能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)的影響較大，是需要考慮的因素；實(shí)際地貌的地面比較粗糙，風(fēng)速變化指數(shù)比較大。因此在風(fēng)壓的計(jì)算面范圍內(nèi)其風(fēng)壓在同一梯度風(fēng)高度范圍內(nèi)，可以用同一風(fēng)壓分析值近似計(jì)算。上述風(fēng)環(huán)境矢量圖（圖4）可知，當(dāng)建筑場(chǎng)地風(fēng)向?yàn)槲髂戏较驎r(shí)，建筑物的所承受的風(fēng)荷載為最不利情況，博物館建筑物西南方向的走廊其風(fēng)速最大可達(dá)到8.2m/s。但建筑物西南部分的流線型外形卻有利于氣流的分散，且其脫體處表面也形成了一層很薄的有速度梯度的邊界層，不至于出現(xiàn)風(fēng)壓差過(guò)大的區(qū)域。從圖4可以得出，由于博物館的階梯梯田式形狀，其尾渦區(qū)與迎風(fēng)面沒(méi)有形成很大氣壓差，避免了風(fēng)漩渦的出現(xiàn)。從而論證了方案的可行性。表4是根據(jù)可靠度分析原理計(jì)算得到的可靠度值。

從表4可靠度分析的結(jié)果可以得出：在場(chǎng)地風(fēng)速為2.78 m/s時(shí)，場(chǎng)地最不利區(qū)域（博物館西南側(cè)走廊）的風(fēng)速小于3.6 m/s（當(dāng)然小于5.5 m/s）?？紤]到氣候的多變性時(shí)，可靠度依然為1。

5 結(jié)論

通過(guò)以上的計(jì)算分析，主要得出如下結(jié)論：①在建筑方案階段，BIM能為項(xiàng)目帶來(lái)的效益是最多的。使得建設(shè)工程項(xiàng)目與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有一個(gè)良好的結(jié)合，這是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的重要一步。②本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)日照、風(fēng)速可靠度的定量分析，使得難以衡量的設(shè)計(jì)參數(shù)得到了基于可靠度的度量，為建筑設(shè)計(jì)師提供了更好的參數(shù)參考。公式（4）可以為日照可靠度的計(jì)算分析提供計(jì)算依據(jù)。③日照、風(fēng)速可靠度的定量分析與BIM相結(jié)合進(jìn)一步證明了BIM技術(shù)在前期設(shè)計(jì)階段的價(jià)值，可以滿足人們對(duì)建筑物舒適度越來(lái)越高的要求，更加符合工程項(xiàng)目實(shí)際需求。公式（5）可以為風(fēng)環(huán)境舒適度的計(jì)算分析提供可靠的計(jì)算依據(jù)。

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