Ecotect軟件在閩南地區(qū)綠色建筑室內(nèi)采光分析中的應(yīng)用*

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 楊琳

本文利用了Ecotect綠色建筑分析軟件能與Revit無縫銜接的優(yōu)勢(shì),將建筑物模型直接導(dǎo)入Eccotect,對(duì)比分析不同物理工況下的自然采光的效果,以得到最適合閩南濕熱地區(qū)氣候特點(diǎn)的工況。

0 引言

綠色建筑在2014年修訂的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中被定義為:在建筑從可行性分析到運(yùn)營維修的周期內(nèi),最大程度地節(jié)約能源、節(jié)約土地、節(jié)約水和材料,保護(hù)環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間[1];Berardi則將綠色建筑定義為:利用與環(huán)境共生存的原則下,以節(jié)省資源的方式設(shè)計(jì)與建造的建筑物。雖然表述有所不同,但是核心意思相同,綠色建筑能減輕對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響,能使社會(huì)效益達(dá)到最佳,它是我國可持續(xù)發(fā)展不可分割的一部分。

其中,人工采光是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的有效手段。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在相同照度水平的情況下,人們?cè)谔烊还猸h(huán)境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%-20%。同時(shí),將天然光引入室內(nèi)可造成豐富的光與影的變化,使室內(nèi)空間更有活力。因此,合理設(shè)計(jì)建筑物的天然采光效果不僅可減少照明用電時(shí)間,達(dá)到節(jié)能的目的,還可以改善室內(nèi)的光環(huán)境,使人感到舒適,有利于健康。而傳統(tǒng)的天然采光實(shí)驗(yàn)需要消耗大量的時(shí)間及人力,因此本文計(jì)劃采用Ecotect軟件中精準(zhǔn)的氣象數(shù)據(jù)對(duì)室內(nèi)的采光進(jìn)行分析。

近年來國內(nèi)外學(xué)者利用Ecotect軟件的天然采光模擬功能進(jìn)行了大量研究。宋菲嫣、顧平道等人針對(duì)上海地區(qū)太陽高度角的不同,以節(jié)約能耗為目標(biāo)而采用Ecotect軟件對(duì)建筑外窗的位置與角度進(jìn)行分析, 最終分析得出南向窗戶垂直安裝且有外遮陽系統(tǒng)與向外側(cè)傾斜20°或30°時(shí)最佳;李岳、孟慶林等人[2]以北京某風(fēng)雨步行街為實(shí)例,以造價(jià)低、節(jié)約能耗為目標(biāo),利用Ecotect模擬軟件對(duì)步行街頂面采光在無遮陽、內(nèi)遮陽和外遮陽的三種形式模擬分析,最終提出建議采用內(nèi)遮陽形式。丹麥建筑設(shè)計(jì)公司BIG在設(shè)計(jì)國家圖書館項(xiàng)目中,采用Ecotect的太陽輻射模擬分析了建筑的外表面太陽輻射量,根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果對(duì)表皮上的構(gòu)件進(jìn)行分類,得出輻射量較大的地方采用較高遮陽效率的構(gòu)件,輻射量小的地方采用較低遮陽效率的構(gòu)件的結(jié)論;Lavinia Chiara Tagliabue利用Ecotect軟件分析辦公室的窗戶在不同位置和大小評(píng)估自然采光、可視度以及能耗等問題,最終能找到最優(yōu)位置和大小的窗戶。

在前人的基礎(chǔ)上,本文利用Ecotect與BIM可以做到單向的無縫鏈接的功能,借助Revit軟件創(chuàng)建建筑模型,并通過Ecotect軟件分析不同窗墻比、窗戶位置及規(guī)格等對(duì)室內(nèi)采光效果的影響,從而為室內(nèi)采光優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 軟件介紹及建筑模型

1.1 軟件特點(diǎn)

Ecotect作為一款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,使用功能廣,能有效的結(jié)合建筑周邊環(huán)境進(jìn)行能耗分析,正逐浙被大眾運(yùn)用在實(shí)踐中,不僅是專業(yè)人員,普通的設(shè)計(jì)愛好者也能輕易操作,該軟件有許多獨(dú)特之處:

(1)三維可視化;(2)可導(dǎo)入性;(3)數(shù)據(jù)積累性;(4)信息可持續(xù)性;(5)準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù);(6)直觀可視的計(jì)算結(jié)果。

我國在綠色建筑評(píng)價(jià)的很多方面存在大量的重復(fù)性工作和低效率的情況,充分利用建筑信息模型作為載體,可以更加高效進(jìn)行綠色建筑分析。由于Ecotect與BIM可以做到單向的無縫鏈接[3],且BIM能在建筑物全過程中包容信息和數(shù)據(jù),對(duì)于大型建筑項(xiàng)目需要多部門協(xié)調(diào)的需求時(shí),我們就可以從BIM中導(dǎo)出的模型在Ecotect中分析,實(shí)現(xiàn)了高效率作業(yè)。

因此,綠色建筑的最優(yōu)化設(shè)計(jì)過程是:專業(yè)人員通過圖紙把BIM構(gòu)建的三維建筑模型直接或者轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的格式導(dǎo)入到能耗分析軟件中,隨后操作人員按照國家或地方設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照結(jié)合,完善建筑及環(huán)境信息,對(duì)分析的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并進(jìn)行直觀的“可視化模擬”,按照模擬計(jì)算的結(jié)果設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù),這樣能較好的控制設(shè)定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)[4]。在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中,首先明確找出過多消耗能源的影響因素,對(duì)影響因素進(jìn)行分析,進(jìn)而確定影響較大的幾類因素,然后對(duì)照影響因素優(yōu)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的參數(shù);計(jì)算機(jī)輔助軟件能夠適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜多變的設(shè)計(jì)環(huán)境,輔助設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)任務(wù)。我堅(jiān)定的相信,輔助性設(shè)計(jì)軟件在未來會(huì)有更廣層次、更高空間的發(fā)展。

1.2 模型建立

首先依據(jù)設(shè)計(jì)單位的圖紙?jiān)赗evit 2016軟件中繪出建筑模型,將Revit中的建筑模型按照空間劃分的原則創(chuàng)建“房間”構(gòu)件, 為清楚展示效果,選擇劃分4個(gè)“房間”作為示例,包含2間臥室、1間書房、1個(gè)客廳:從Revit中導(dǎo)出文件后進(jìn)入Ecotect進(jìn)行模擬和數(shù)據(jù)分析,文件載入后根據(jù)劃分的“房間”名稱不同,線條所代表“房間”的顏色也不同,如紫色線條所圍護(hù)的區(qū)域表示臥室,黃色線條圍護(hù)的區(qū)域代表書房;深紫色線條圍護(hù)的區(qū)域代表客廳等。在Ecotect軟件中具體設(shè)置步驟如下:

(1)本文選擇其中一個(gè)尺寸為3.5m×5m×2.9m的臥室進(jìn)行采光分析,再加上尺寸為4.2m×2.2m的落地窗,窗臺(tái)高度為0.3m和尺寸為1m×2.2m的門,導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)。

(2)檢查分析:模型區(qū)域是否關(guān)閉,模型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否閉合,對(duì)影響臥室自然采光模擬的參數(shù)進(jìn)行控制變量法的分析。

(3)設(shè)置分析網(wǎng)格進(jìn)行分析。選擇自動(dòng)適配網(wǎng)格到物體,并選擇“Within”在內(nèi)部生成分析網(wǎng)格,使網(wǎng)格全部包含在所選物體之內(nèi),錯(cuò)誤的網(wǎng)格設(shè)置將會(huì)導(dǎo)致無結(jié)果顯示。網(wǎng)格的設(shè)置的越細(xì),分析的精度越高,隨后可以觀察每一點(diǎn)上的精確照度值,但會(huì)消耗很多時(shí)間,一般小場景且簡單的模型X/Y設(shè)置100以內(nèi)足矣。并且將網(wǎng)格在Z方向的高度設(shè)置為0mm,即為地面的高度。由于本文只建模一個(gè)房間,圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)采光有較大的影響,故采用非吻合尺寸的網(wǎng)格,網(wǎng)格邊緣距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定的尺寸各200mm,距地面750mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同窗墻比對(duì)采光效果的影響

通過模擬不同窗墻比的工況可知:窗墻比較大的房間室內(nèi)采光較好,光照范圍較大,采光系數(shù)值范圍為4.0%～24.0%,滿足規(guī)范要求;而窗墻比較小的房間室內(nèi)采光較差,光照范圍小,采光系數(shù)值范圍為1.2%～21.2%,未達(dá)到規(guī)范要求。

筆者還注意到:5月～9月窗墻比較大的房間達(dá)到舒適度所需的能耗較少,12月～4月窗墻比小的房間達(dá)到舒適度所需的能耗較少,10月、11月能耗差別不大。

南方地區(qū)雨水充足,梅雨季節(jié)長,室內(nèi)多潮濕,需要充足的光照除濕,建議選擇窗墻比較大的房間;而北方地區(qū)全年較為干燥,冬季嚴(yán)寒,日落時(shí)間較早,建議選擇窗墻比較小的房間。由于閩南地區(qū)夏熱冬暖,雨量充足,對(duì)防潮防熱需要高,因?yàn)橐刮覀兏杏X到舒服和盡量減少資源浪費(fèi),建議選擇窗墻比較大的房間。

2.2 不同窗臺(tái)高度對(duì)采光效果的影響

根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定:住宅的臥室側(cè)面采光系數(shù)不應(yīng)低于2.0%。根據(jù)2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定:南向墻面的窗墻比不大于0.5,故本次模擬所定的窗墻比均為0.31。通過室內(nèi)采光分析對(duì)比可知:窗臺(tái)較高的房間室內(nèi)采光系數(shù)略高于窗臺(tái)較低的房間,采光系數(shù)值范圍為1.8%～21.8%,未滿足采光設(shè)計(jì)規(guī)范的不低于2.0%的要求[5];窗臺(tái)較低的房間采光系數(shù)值范圍為1.5%～21.5%,也未滿足采光設(shè)計(jì)規(guī)范的不低于2.0%的要求。兩者采光范圍也大致相同。故窗臺(tái)的高低對(duì)臥室采光系數(shù)和范圍影響較小。

因此可以看出窗臺(tái)高度對(duì)采光系數(shù)值的范圍和光照范圍影響較小,兩者差異不大,可由業(yè)主安全性和美觀性出發(fā)定窗臺(tái)的高度。但對(duì)于本次模擬的數(shù)據(jù)差異來看,由于閩南地區(qū)夏熱冬暖,夏季潮濕,需要充分滿足夏季防熱防潮要求,因?yàn)橐刮覀兏杏X到舒服和盡量減少資源浪費(fèi),結(jié)合兩組對(duì)比圖,建議選擇窗臺(tái)較高的房間。

2.3 不同窗戶位置及規(guī)格對(duì)采光效果的影響

圖1 顯示不同窗臺(tái)位置的采光系數(shù)示意圖。本次模擬兩類工況:開窗總面積不變,改變窗的數(shù)量,a為一扇窗,朝向南,窗戶規(guī)格4.2×2.2;b為2扇窗,分別朝正南、正東,窗戶規(guī)格分別為3×2.2+2.2×1.25。由圖1(a)、圖1(b)室內(nèi)采光分布圖對(duì)比可知:a臥室的室內(nèi)整體采光系數(shù)較高,采光系數(shù)值范圍為4.0%～24.0%,滿足采光設(shè)計(jì)規(guī)范的不低于2.0%的要求,但光照范圍較小;b臥室采光系數(shù)略低于a,采光系數(shù)取值范圍在2.8%～22.8%,滿足采光設(shè)計(jì)規(guī)范的不低于2.0%的要求,光照范圍較大。

圖1 不同窗臺(tái)位置及規(guī)格下室內(nèi)采光系數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of indoor daylighting coefficient under different window sill positions and specifications

此外,除5月和10月b臥室的能耗略低外,其余月份均為a臥室的房間能耗較更低。由于閩南地區(qū)夏熱冬暖,雨水充沛,需要充分滿足夏季防熱防潮要求,結(jié)合兩組對(duì)比圖,建議選擇a臥室,既滿足了采光設(shè)計(jì)規(guī)范,也節(jié)約了維持人體舒適溫度所需的能耗。

運(yùn)用采光模擬得出的數(shù)據(jù)分析,我們能夠直觀的了解一個(gè)房間的采光情況,對(duì)光照不足的房間補(bǔ)充人工照明。同時(shí)筆者也注意到,通過擇優(yōu)選擇房間的布置方式、改善室內(nèi)窗墻比能較好的達(dá)到室內(nèi)采光設(shè)計(jì)規(guī)范要求,從而降低白天人工照明的使用,而人工照明數(shù)量的減少,因照明設(shè)備散熱而增加的空調(diào)能耗也會(huì)隨之下降,從而達(dá)到進(jìn)一步降低建筑能耗的目的。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)通過簡單模型的控制變量法對(duì)自然采光進(jìn)行能耗分析。通過對(duì)于采光的模擬,得出窗墻比和窗戶規(guī)格對(duì)室內(nèi)采光有一定影響,而窗臺(tái)高度影響較小。對(duì)于閩南地區(qū)而言,窗墻比較大的房間既能獲得較好的采光,還能減少夏季為達(dá)到人體舒適溫度所需的能耗;相同的窗墻比,分窗雖然能光照范圍較大,但需要消耗更多的能耗,而整窗光照范圍略小,也能滿足規(guī)范要求,且能耗更低。

通過一系列分析,我清楚的認(rèn)識(shí)到輔助性模擬軟件在建筑設(shè)計(jì)過程中是十分重要的工具,它能更好地利用真實(shí)數(shù)據(jù),同時(shí)又可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行修改和優(yōu)化。雖然很多計(jì)算機(jī)輔助軟件與綠色模擬軟件協(xié)同工作的深度目前還處于發(fā)展階段,但我國許多的建筑規(guī)范正在不斷的改進(jìn)和完善中,因此我們需要時(shí)時(shí)關(guān)注行業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

由于筆者的知識(shí)儲(chǔ)備存在局限性,本篇文章的模擬分析還不夠透徹和深入,僅僅是對(duì)創(chuàng)建的模型的采光性能進(jìn)行淺略的概述和能耗的模擬,未涉及綠色建筑其他指標(biāo)。

引用

[1] 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(附條文說明):GB/T 50378-2019[S].2019.

[2] 謝斌,胡望社,姚建政.基于Ecotect的建筑遮陽采光節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化策略[J].建筑節(jié)能,2017,45(12):26-29.

[3] 于潔.中國建筑設(shè)計(jì)研究院的BIM發(fā)展與應(yīng)用[J].中國建設(shè)信息,2013(4):30-33.

[4] 嚴(yán)鈞,趙能,梁智堯.Ecotect在建筑方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].高等建筑教育,2009,18(3):140-144.

[5] 韓杰.自然采光模擬技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)與評(píng)估方面的應(yīng)用[J].建筑設(shè)計(jì)管理,2013,30(2):53-56.