基于綠色建筑理念的住宅建筑規(guī)劃節(jié)能設計研究

摘要：為了促進我國綠色建筑的發(fā)展，基于綠色建筑理念利用BIM、Ecotect軟件平臺對住宅建筑進行節(jié)能規(guī)劃設計，包括建筑基地選址、建筑布局節(jié)能設計、建筑圍護結構節(jié)能設計等，以某三居室為例，對其建筑布局節(jié)能設計、建筑圍護結構節(jié)能設計進行分析，確定了建筑的最佳節(jié)能設計方案。

關鍵詞：綠色建筑;BIM技術;Ecotect軟件平臺;圍護結構

中圖分類號：TU201.5;TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0066-04

1 建筑住宅的綠色理念提出

20世紀初開始，我國建筑住宅業(yè)出現(xiàn)了飛速發(fā)展，對推動我國經(jīng)濟的發(fā)展做出了重要的貢獻，但是與此同時建筑行業(yè)的發(fā)展也嚴重破壞了我國的生態(tài)環(huán)境，根據(jù)相關統(tǒng)計我國建筑能耗已經(jīng)占了能源消耗總量的27.6%，因此，綠色住宅將是我國住宅建筑發(fā)展的必由之路，以綠色理念為指導的可持續(xù)建筑行業(yè)發(fā)展勢在必行。關于節(jié)能建筑很多學者也進行了研究，如2012年Anna Laura Pisello等基于能耗分析軟件建立的評價模型，應用Energy Plus軟件進行能耗模擬，驗證了模型的適用性[1]。2017年李雯通過軟件模擬進行能耗分析，分析我國生態(tài)居民建筑在節(jié)能方面的優(yōu)勢[2]。大部分專家認為基于綠色理念的住宅建筑規(guī)劃節(jié)能設計是強調人與自然的和諧共生，基于資源高效利用的原則，減少住宅建設中的廢棄物，降低住宅能耗，實現(xiàn)住宅內外物質能源系統(tǒng)良性循環(huán)。

2 基于綠色理念的住宅節(jié)能建筑規(guī)劃設計

2.1 綠色住宅節(jié)能建筑基地選址

由于住宅建筑的位置和周邊環(huán)境可以直接影響住宅的微氣候環(huán)境，因此在對綠色住宅節(jié)能建筑進行設計時需要合理利用周圍的自然環(huán)境，如住宅處于北方平原地區(qū)，則建筑選址需要注意避風向陽，如緊鄰工業(yè)區(qū)則需要設置防護綠帶，如住宅處于有起伏的中部丘陵或山區(qū)，則需留意山體的陰面和陽面，如在沿海地區(qū)則需注意建筑朝向與體型，需避免受到海邊潮濕寒氣的侵蝕。選址時將住宅建筑的生態(tài)因素如水體、地形高差、溫濕度等整合在BIM軟件中，設置相關參數(shù)選擇適宜的基地，以達到節(jié)能的目的。

2.2 綠色住宅節(jié)能建筑布局節(jié)能設計

住宅綠色節(jié)能建筑布局節(jié)能設計以防止過多的太陽輻射及保持自然通風為原則，根據(jù)具體的住宅建筑地形特點實現(xiàn)空間的通透性和開敞性，確保建筑的自然采光和通風，通過合理的布局實現(xiàn)建筑通風、采光以及自然環(huán)境之間的協(xié)調關系，充分利用自然資源，降低建筑能耗。

1）適于日照的綠色住宅節(jié)能建筑布局。綠色住宅節(jié)能建筑在規(guī)劃時，不同建筑之間必須留出相應的距離，以保證建筑采光接受日照。日照間距與建筑的高度、兩建筑之間的距離、建筑的容積率和占地率等相關，因此參照和GB 50352-2005《民用建筑設計通則》、CB50180-93《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》中對住宅建筑日照的相關規(guī)定，采用BIM軟件的Revit中導出建筑模型進行格式轉換之后導人軟件Ecotect中進行住宅建筑日照分析，確定最佳的建筑布局，使建筑盡可能的接受太陽能的輻射。

2）適于通風的綠色住宅節(jié)能建筑布局。綠色住宅節(jié)能建筑在設計過程中需要通過自然通風實現(xiàn)排濕和散熱，基于BIM技術對住宅建筑的通風進行評判時考慮兩個因素，一是風影，二是風速，風影為風從固定的角度吹向建筑的方向，當建筑與風向角垂直時，風影范圍最大;當建筑迎風面與風向成一定夾角時，風影范圍則會減少。由于當前我國對風速沒有明確的規(guī)范要求，因此無統(tǒng)一的設計標準，但《綠色建筑標準》對建筑室外風速有明確的指標要求，要求建筑周圍人行區(qū)風速低于5m/s，因此，評價室外風環(huán)境時可以通過BIM設計軟件將建筑設計模型導出為計算流體動力學CFD軟件支持的格式，對建筑的室外風環(huán)境進行模擬計算。

2.3 建筑圍護結構節(jié)能設計

建筑的圍護結構是指建筑的屋頂、外墻、外門窗等。建筑的頂部形態(tài)可分為平屋頂、坡屋頂和流線型屋頂，屋頂?shù)墓?jié)能設計主要包括屋頂?shù)牟牧?、顏色、坡度、方向、保溫層的熱工設計等，則炎熱的夏季少吸收外界熱量，寒冷的冬季避免熱量的散失。外墻是避免建筑室內熱舒適環(huán)境不受外界環(huán)境影響的主要構件，節(jié)能設計中常用的材料有粘土實心磚、加氣混凝土砌塊、集熱墻等各種復合墻體。建筑外窗具有采光、保溫隔熱、通風等功能，很大程度上決定了建筑的能耗，通過設置合理的隔熱體系、通風體系等滿足使用者的室內舒適性要求，此外窗墻比（單面墻體的門窗洞口面積與該墻面面積的比值）對建筑節(jié)能也十分重要，窗墻比越大，則采暖和空調的能耗也越大，因此，必須限制窗墻面積比[3]。在《居住建筑節(jié)能設計標準》JCJ26-2010及JCJ134-2010中規(guī)定了南向窗墻面積比一般控制在0.35以內?；贐IM技術對建筑圍護結構進行節(jié)能設計時，可以設置相關的墻體、屋頂各層材料的導熱系數(shù)、比熱等，確定最佳的施工方案。

3 綠色住宅節(jié)能建筑設計實例分析

3.1 軟件選擇

建筑建模分析當前應用的最廣泛的軟件為BIM技術，隨著BIM技術快速發(fā)展，其為建筑節(jié)能設計提供一個全新的思路。基于BIM技術的建筑節(jié)能模擬體系是在以BIM模型和相關模擬分析軟件的基礎之上，創(chuàng)建一個模擬分析的平臺，根據(jù)模擬分析結果建筑節(jié)能設計方案[4]。常用的模擬分析軟件包括Ecotect、Ener-gy Plus等，由于Ecotect界面友好，操作簡單，分析快捷，能夠直觀反映參數(shù)設計優(yōu)化的正確趨勢[5]，因此本文選擇BIM模型中的REVIT軟件與Ecotect軟件相互結合，利用BIM模型中的REVIT軟件在方案設計階段創(chuàng)建建筑模型，通過IFC數(shù)據(jù)格式和Ecotect之間進行數(shù)據(jù)交換，在設計的任意階段對方案進行分析和模擬及節(jié)能策略的選擇。

3.2 建筑模型

選擇我國中部地區(qū)的某城市住宅小區(qū)建設為例進行分析，小區(qū)的設計平面圖見圖1，該區(qū)域氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年平均氣溫12℃以上，小區(qū)共規(guī)劃15棟樓房，選擇坐北朝南的一棟樓房（共6層）的頂層一個三居室戶型為例進行分析。根據(jù)所選擇戶型的基本設計參數(shù)，運用Revit Ar-chitecture軟件建立設計建筑的BIM模型。建模具體過程包括：在利用Revit Architecture設計平臺建模前，先處理簡化CAD設計圖紙，然后轉換格式導人建模平臺，見圖1。建筑圍護結構性能、自然通風狀況、窗墻面積比等都是影響建筑能耗的重要因素[6]。由于篇幅有限本文以建筑布局節(jié)能設計和圍護結構節(jié)能設計為例進行分析。

3.3 綠色建筑布局節(jié)能設計

3.3.1 日照分析

日照直接對室內采光產(chǎn)生影響，通過合理的建筑透明圍護結構設計方法充分利用太陽的光、熱特性降低室內照明系統(tǒng)的能耗，營造舒適的居住環(huán)境，根據(jù)《建筑采光設計標準》GB/T50033-2013規(guī)定，在Re-vit Architecture模型中建模之后導人Ecotect軟件對案例三居室的日照和光影、采光和照明進行分析，日照和光影進行模擬分析結果見圖2，圖2中藍色線是一天24h的太陽運動軌跡，藍色線為太陽夏至運動軌跡，紅色線為冬至日太陽運動軌跡，水平面為太陽的輻射范圍。選擇的三居室位于最前面樓，其余三面環(huán)繞建筑，南面無遮擋，采光較好。采光和照明分析結果見圖3，圖3中不同的顏色代表不同的平均采光系數(shù)，由藍色到黃色平均采光系數(shù)依次變大。選擇的三居室的平均采光系數(shù)為4.69%，室內靠近窗戶的地方采光系數(shù)較大，在房間進深、衛(wèi)生間等沒有窗戶的地方采光系統(tǒng)為1%左右，完全滿足室內臥室采光系數(shù)在2%-7%的范圍內的標準，滿足節(jié)能要求。

3.3.2 通風分析

自然通風是建筑節(jié)能設計中慣用的一項技術手段，由于住宅小區(qū)所處地區(qū)冬季較為漫長，長達四個多月，盛行西北風，日短天寒，位置為市區(qū)，在進行自然通風設計時應該充分考慮氣候特征，利用BIM軟件中的數(shù)據(jù)模型導人Ecotect軟件中，選擇Ecotect軟件中的WINAIR （CFD）選項，結合所在地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，模擬建筑模型的平面風環(huán)境，得到的結果見圖4，根據(jù)圖4可知，住宅小區(qū)的主導風向為西北方向，因此，需要在西北方向設置擋風植被以此減弱小區(qū)的主導風向，使建筑周圍人行區(qū)風速低于5m/s，以提供舒適的居住環(huán)境。同時陽臺選用通風式玻璃幕墻，玻璃幕墻包括內外兩層玻璃，兩層玻璃之間相當于一個小型的溫室，形成氣流循環(huán)，冬季時由于外部氣溫低，溫室內的空氣溫度高產(chǎn)生熱壓，氣流上升到建筑內部，然后室外和室內的空氣再被吸人內部空間進行加熱，如此循環(huán)，可以有效地降低建筑熱損失;夏季時可以雙層玻璃可以起到遮陽的作用，總之，應用通風式玻璃幕墻冬季可以保溫，夏季可以降低空調能耗。

3.4 綠色建筑圍護結構節(jié)能設計

將三居室BIM建筑模型劃分為6個空間，導人Ecotect軟件，將模型細分為6個熱工分區(qū)，添加地區(qū)的相關氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)原設計圖紙材料定義的模型中屋頂、外墻、外窗等相關參數(shù)，見表1，在模擬過程中設置臥室及客廳采用空調系統(tǒng)，其余空間采用自然通風系統(tǒng)，開空調時室內的溫度在18℃ -28℃之間，空調運行區(qū)間的總人數(shù)為4人，空調運行效率為96%，客廳的空調運行時間為5h，臥室的空調運行時間為6h，空調運行時每th進行1次換氣，導人Ecotect軟件之后計算能耗，方案一的模擬空調設備運營年能耗為6192.038kW-h，方案二的模擬空調設備運營年能耗為6023.967kW-h，因此，從節(jié)能角度考慮，節(jié)能建筑的屋頂、外墻、外窗等設計采用方案二。

4 結語

住宅建筑是一類能耗較高的建筑，本文在綠色建筑理念的指導下，利用BIM、Ecotect軟件平臺進行了住宅建筑的簡單規(guī)劃設計，以某三居室為例進行了實際的能耗分析，為綠色住宅建筑的發(fā)展提供了一定的理論支持，通過實踐可知，綠色住宅建筑可以降低建筑的能耗，符合我國可持續(xù)發(fā)展的國策。

參考文獻

[1] Anna Pisello， Michael Bobker， Franco Cotana.ABuilding Energy Efficiency Optimization Method byEvaluating the Effective Thermal Zones Occupancy[J].Energies， 2012，5（12）： 5257-5278.

[2]李雯，農(nóng)村典型生態(tài)建筑節(jié)能效率評價——以土坯房和草磚房為例[D].武漢：華中科技大學環(huán)境科學與工程學院，2017.

[3]孫力，羅會龍，謝金梅，等，溫和地區(qū)窗墻比對居住建筑能耗影響分析[J].節(jié)能技術，2019，37（02）：130-133.

[4]高明，基于BIM技術的多層辦公室建筑節(jié)能設計與應用研究[J].建筑技術，2016，47（09）：846-849.

[5]謝斌，胡望社，姚建政，基于Ecotect的建筑遮陽采光節(jié)能設計優(yōu)化策略[J].建筑節(jié)能，2017，45 （12）：44-50.

[6]邱相武，趙志安，邱勇云.基于BIM技術的建筑節(jié)能設計軟件開發(fā)研究[J].建筑科學，2012，28（06）：24-27+40.

2、塑料粘接知識——表面處理：

聚氯乙烯的特性，PVC有硬質PVC和軟質PVC之分，PVC具有良好的化學穩(wěn)定性和介電性能，由于分子結構中具有極性基因，可溶于酮類和四氫呋喃等溶劑。故可采用溶劑粘接法、熱熔粘接法進行粘接，或者用膠黏劑進行粘接。

就硬質PVC而言，屬直鏈狀均聚物，盡管質硬，但也含有高達5%的增塑劑，這就使得運用一般的膠粘劑難以粘接。另外，均聚物溶解比較困難，溶劑粘接也比較困難，最好采用熱氣焊法連接硬質PVC。由于PVC表面存有增塑劑、油脂、粉塵等，無論采用哪一種粘接工藝，都會影響粘接性能，所以必須進行嚴格的表面處理。

作者簡介：肖國泓（1979-），女，漢族，重慶人，大學本科，高級工程師，研究方向為規(guī)劃設計、建筑設計、綠色建筑及建筑節(jié)能設計。