某工業(yè)園區(qū)建筑群風(fēng)環(huán)境與光環(huán)境模擬分析

丁偉翔，劉秀會

（1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311402；2.浙江聯(lián)泰建筑節(jié)能科技有限公司，浙江杭州 310018）

1 綠色建筑與建筑環(huán)境模擬

當(dāng)前，綠色建筑在國家政策的大力推動下迅速發(fā)展，各地方政府也加快了推進及引導(dǎo)的力度［1］。隨著綠色建筑的不斷推廣和各種建筑節(jié)能措施的制定出臺，為建筑環(huán)境模擬技術(shù)的應(yīng)用開辟了廣闊的空間：一方面，該技術(shù)可以用來指導(dǎo)建筑設(shè)計，成為人們對建筑物進行研究分析時的一個強有力的輔助工具；另一方面，模擬技術(shù)是評估綠色建筑性能時的重要依據(jù)。

建筑環(huán)境的變化是眾多因素所影響的一個復(fù)雜過程，而建筑本身又具有特定的非實驗操作性。因此，僅僅依靠定性的分析和傳統(tǒng)的理論計算無法對某些建筑環(huán)境現(xiàn)象給出合理的解釋和分析，而模擬分析的方法則通過對研究對象的復(fù)現(xiàn)為建筑環(huán)境做出合理的預(yù)測、指導(dǎo)和評價。

所謂建筑環(huán)境模擬技術(shù)，就是借助計算機仿真軟件，模擬實際建筑物在物理環(huán)境中的各種性能表現(xiàn)，然后通過運算，得到所需要的建筑性能參數(shù)和數(shù)據(jù)可視化云圖。圖1展示了建筑環(huán)境模擬的一般步驟流程。隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機模擬分析技術(shù)在建筑環(huán)境的研究和工程實踐領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)表現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值。通過模擬方法有效地對建筑物風(fēng)、光、聲、熱、能耗以及氣流組織等環(huán)境及性能狀況進行預(yù)測，可以有效地提高設(shè)計者的設(shè)計水平和規(guī)避設(shè)計中可能出現(xiàn)的風(fēng)險［2］。

圖1 建筑環(huán)境模擬的步驟與流程

2 工程概況

某工業(yè)園區(qū)位于浙江省杭州市，項目總用地面積90 000 m2，容積率1.51，建筑密度41.7%，綠地率22%。用地范圍內(nèi)共計有5棟單體建筑A1～A5。該園區(qū)預(yù)計申報綠色建筑二星級。

本文從室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)光環(huán)境以及房間視野等三個方面，對該園區(qū)內(nèi)的建筑群環(huán)境進行模擬分析。其中，風(fēng)環(huán)境運用Phoenics計算流體力學(xué)軟件進行建筑風(fēng)場模擬；光環(huán)境主要采用Ecotect建模結(jié)合Radiance對標準層的主要功能房間室內(nèi)采光及眩光進行分析；視野分析采用Google Sketchup三維建模軟件對最不利房間進行判斷。模擬工作主要是為建筑設(shè)計環(huán)節(jié)所遇到的建筑方位規(guī)劃，內(nèi)部構(gòu)造合理化等問題提供預(yù)測、分析及優(yōu)化。

3 室外風(fēng)環(huán)境模擬分析

分析模型以本項目內(nèi)的所有建筑為基礎(chǔ)，根據(jù)建筑圖紙建立三維幾何模型。整體模型的長寬高為639 m×419 m×42 m，考慮到模擬計算區(qū)域的大小不應(yīng)影響氣流流動，根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和文獻等資料［3］，確定室外計算區(qū)域為849 m×629 m×126 m，總體網(wǎng)格劃分數(shù)量為473.24萬。建筑模型見圖2。

圖2 某工業(yè)園區(qū)三維建筑信息模型

根據(jù)《居住建筑風(fēng)環(huán)境和熱環(huán)境設(shè)計標準（DB 33／1111—2015）》統(tǒng)計的杭州市氣象數(shù)據(jù)［4］，設(shè)置兩個工況進行分析，具體參數(shù)見表1。

表1 杭州地區(qū)風(fēng)環(huán)境模擬工況參數(shù)

3.1 夏季風(fēng)環(huán)境

圖3a）為夏季主導(dǎo)風(fēng)向SE，平均風(fēng)速為3 m／s時，距地面1.5 m高度處的流場分布情況。從圖3中可以看出，建筑周圍大部分區(qū)域通風(fēng)流暢，在建筑背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)少許渦旋，但此處風(fēng)速較低，對行人的影響不大。人行區(qū)風(fēng)速在0.295～3.2 m／s，距地面1.5 m高度的初始風(fēng)速為1.73 m／s，最大風(fēng)速為3.2 m／s，計算可得風(fēng)速放大系數(shù)為1.84。

圖3b）展示了夏季建筑表面風(fēng)壓分布情況。從圖中可以看出：建筑迎風(fēng)面壓強為1～7 Pa，背風(fēng)面壓強為－6～－1 Pa，建筑壓差為2～13 Pa。由此可見本項目夏季建筑50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風(fēng)壓差大于0.5 Pa，有利于室內(nèi)自然通風(fēng)。

圖3 夏季風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

3.2 冬季風(fēng)環(huán)境

圖4a）為冬季主導(dǎo)風(fēng)向WNW，平均風(fēng)速為3 m／s時，距地面1.5 m高度處的流場分布情況。從圖中可以看出，建筑周圍大部分區(qū)域通風(fēng)流暢，在建筑背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)少許渦旋，但此處風(fēng)速較低，對行人的影響不大。人行區(qū)風(fēng)速在0.313～3.125 m／s，距地1.5 m 高度的初始風(fēng)速為1.98 m／s，最大風(fēng)速3.125 m／s，可得風(fēng)速放大系數(shù)為1.58。滿足《綠色建筑評價標準（GB／T 50378—2019）》中對于“冬季建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速小于5 m／s，且室外風(fēng)速放大系數(shù)小于2?！钡囊螅?］。

圖4b）展示了冬季建筑表面風(fēng)壓分布情況。從圖中可以看出：除第一排迎風(fēng)建筑外，建筑迎風(fēng)面壓強為0～3 Pa，背風(fēng)面壓強－2～0 Pa，建筑壓差大約為0～5 Pa。由此可見本項目冬季建筑前后壓力差不大于5 Pa，有利于建筑冬季防風(fēng)。

圖4 冬季風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

4 室內(nèi)光環(huán)境模擬分析

4.1 自然采光

光環(huán)境是人們長期習(xí)慣和需求的生活環(huán)境。各種光源的視覺實驗結(jié)果表明：在相同照度的條件下，天然光的辨認能力優(yōu)于人工光，有利于人們工作、生活、保護視力和提高勞動生產(chǎn)率［6］。此外，自然光照明最為經(jīng)濟，利用自然采光能節(jié)約能源，保護環(huán)境，充分地體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)設(shè)計理念。《綠色建筑評價標準（GB／T 50378—2019）》中對建筑采光的具體要求采用面積比的形式，即通過計算主要功能房間達到采光系數(shù)的面積比限值，給予相應(yīng)的分值。

本項目建筑采用側(cè)窗采光，外窗及玻璃幕墻選用斷熱鋁合金窗框，玻璃部分為6 mm中等透光玻璃（Low－E）＋12空氣層＋6 mm透明夾層中空玻璃。選取A2廠房的標準層辦公間作為展示對象，采光模擬結(jié)果示意圖及統(tǒng)計表見圖5和表2。

圖5 C－C與D－D斷面

圖5 A2研發(fā)生產(chǎn)用房三層主要功能房間采光模擬結(jié)果

某工業(yè)園區(qū)建筑物A1～A5的主要功能房間共計34 194.65 m2。經(jīng)模擬統(tǒng)計分析見表3，滿足現(xiàn)行國家標準《建筑采光設(shè)計標準（GB 50033—2013）》對公共建筑的采光系數(shù)要求的面積為29 398.1 m2，達標比例為85.97%（大于60%），因此該項目可得6分［7］。

表3 某工業(yè)園區(qū)各棟建筑室內(nèi)自然采光達標面積統(tǒng)計

4.2 眩光分析

眩光源于視野中強烈的明暗對比，在大多數(shù)情況下應(yīng)該盡量避免眩光的出現(xiàn)［8］?！毒G色建筑評價標準（GB／T 50378—2019）》針對改善建筑室內(nèi)天然采光效果，主要功能房間有合理的控制眩光措施給予3分的分值。

本項目建筑的采光等級為Ⅲ類和Ⅳ類要求，即眩光指數(shù)值DGI不應(yīng)大于25或27。選取位于A2研發(fā)生產(chǎn)用房3層的辦公間進行模擬分析展示，房間內(nèi)眩光效果（魚眼模型）見圖6。

圖6 C－C與D－D斷面換算截面

圖6 A2研發(fā)生產(chǎn)用房3層眩光效果（以辦公間4為例）

模擬所得的房間眩光值見表4。本項目建筑采用淺色的內(nèi)飾面，主要功能房間的眩光值均小于標準限值，滿足新版《綠色建筑評價技術(shù)細則》中對《綠色建筑評價標準（GB／T 50378—2019）》的5.2.8條第一款的條文說明要求，符合國家標準《建筑采光設(shè)計標準（GB 50033—2013）》第5.0.2條等控制舒適眩光相關(guān)規(guī)定。

表4 A2研發(fā)生產(chǎn)用房3層室內(nèi)不舒適眩光指數(shù)統(tǒng)計

5 房間視野模擬分析

《綠色建筑評價標準（GB／T 50378—2014）》第8.2.5條“建筑主要功能房間具有良好的戶外視野，評價分值為3分。對居住建筑，其與相鄰建筑的直接間距超過18 m；對公共建筑，其主要功能房間能通過外窗看到室外自然景觀，無明顯視線干擾”。本文選取位于A3研發(fā)生產(chǎn)用房3層的辦公間進行視野模擬，見圖7a）。

如圖7b）所示，某工業(yè)園區(qū)內(nèi)A3研發(fā)生產(chǎn)用房的最不利視野房間中心點1.5 m高位置處，與窗戶各角點連線所形成立體角的視野范圍內(nèi)出現(xiàn)天空或地面，因此該棟建筑內(nèi)房間視野良好，滿足標準的要求。

圖7 建筑物A3戶外視野模擬結(jié)果

6 結(jié) 語

隨著人們對建筑環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高與日益重視，模擬技術(shù)運用在當(dāng)代建筑設(shè)計中是時代進步的必然趨勢，越來越成為設(shè)計、評價、分析工作中必不可少的重要工具之一。本文運用模擬軟件針對某工業(yè)園區(qū)的室外風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)光環(huán)境及房間視野進行了模擬，并對該項目的建筑環(huán)境進行了分析判斷，指出了該項目的風(fēng)環(huán)境有利于人行區(qū)的活動、夏季自然通風(fēng)及冬季室內(nèi)防風(fēng)；光環(huán)境達到國家規(guī)定的自然采光要求及眩光控制標準；具有良好的房間視野。與此同時，表明了在建筑設(shè)計方案及評估中，使用計算機模擬技術(shù)可以快速顯示設(shè)計師關(guān)心的建筑環(huán)境狀況，現(xiàn)有的模擬手段可以為設(shè)計師提供良好的參考依據(jù)和依托平臺。