淺析數(shù)字模擬在綠色建筑中的應(yīng)用

戚科駿QI Ke-jun；劉滕LIU Teng；黃茗聰HUANG Ming-cong

（①常州市晉陵投資集團(tuán)有限公司，常州 213000；②江蘇筑森建筑設(shè)計(jì)有限公司，常州 213000）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視程度不斷提高，我們生產(chǎn)生活方式也正逐步向綠色化轉(zhuǎn)型，綠色建筑設(shè)計(jì)理念受到社會(huì)公眾們的廣泛關(guān)注。隨著數(shù)字化時(shí)代的來(lái)臨，計(jì)算機(jī)設(shè)備的不斷更新，數(shù)字模擬的不斷發(fā)展，將其融入到綠色建筑設(shè)計(jì)中是提升綠色建筑技術(shù)水平的一種很好措施。

1 我國(guó)綠色建筑設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 綠色建筑評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的指引

2006年3月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了我國(guó)第一部有關(guān)綠色建筑的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《綠色建筑評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50378-2006，自此開(kāi)啟的逐步完善中國(guó)式綠色建筑評(píng)價(jià)體系的新征程。至2019年8月，綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已更新至第三代，在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50378-2019中的對(duì)“綠色建筑”的定義是：在建筑的全壽命周期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、舒適、高效的使用空間，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑。

1.2 綠色建筑設(shè)計(jì)方向的改變

當(dāng)下的綠色建筑設(shè)計(jì)要放棄盲目使用新建材，堆砌新設(shè)備，改為結(jié)合新時(shí)代社會(huì)主要矛盾的變化，以人們對(duì)美好生活的需求為出發(fā)點(diǎn)，提升綠色建筑的實(shí)用性和舒適性。想要達(dá)到這一要求，一般要從建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)和主動(dòng)式技術(shù)措施入手。被動(dòng)式設(shè)計(jì)是通過(guò)建筑設(shè)計(jì)的本身，采用自然通風(fēng)，自然采光，調(diào)整建筑窗墻比，利用遮陽(yáng)，增厚墻體、屋面的保溫以阻擋熱的輸入，提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性能等措施及其衍生的措施和方法。主動(dòng)式技術(shù)措施則是通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)降低設(shè)備能源消耗需求或提高設(shè)備能效的方式，如太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能光伏、節(jié)能空調(diào)等。其中對(duì)被動(dòng)式設(shè)計(jì)的充分利用，能更好地降低綠色建筑的能耗，提升使用者的舒適度。好的被動(dòng)式設(shè)計(jì)離不開(kāi)數(shù)字模擬的支撐。

2 數(shù)字模擬方法

2.1 數(shù)字模擬的分類(lèi)

在進(jìn)行綠色建筑的被動(dòng)式設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)環(huán)境法、光環(huán)境法和聲環(huán)境法是最為常用的幾類(lèi)數(shù)字模擬。

風(fēng)環(huán)境法往下還可細(xì)分為室外風(fēng)環(huán)境模擬和室內(nèi)自然通風(fēng)模擬[1]。室外風(fēng)環(huán)境模擬主要是根據(jù)建筑所在區(qū)域的地形、氣候進(jìn)行模擬分析。室內(nèi)自然通風(fēng)模擬一般在室外風(fēng)場(chǎng)計(jì)算完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行，提取各個(gè)窗戶(hù)表面風(fēng)壓，作為室內(nèi)分析的初始邊界條件進(jìn)行模擬分析。其主要用到的模擬軟件有PHOENICS、建筑通風(fēng)VENT。在模擬過(guò)程中氣象參數(shù)扮演者最為重要的角色，對(duì)最終結(jié)果的精確有著至關(guān)重要的影響。

光環(huán)境法同樣涉及到室外光環(huán)境和室內(nèi)采光兩個(gè)部分。室外光環(huán)境主要模擬的就是建筑的日照情況，根據(jù)指定地塊所在的經(jīng)緯度范圍，計(jì)算該地塊在某段時(shí)間內(nèi)，可被太陽(yáng)照射到的時(shí)間長(zhǎng)度。室內(nèi)采光主要是模擬建筑當(dāng)前門(mén)窗的大小、建筑結(jié)構(gòu)、裝修情況是否能使得建筑內(nèi)部得到適宜的光線(xiàn)。其主要用到的模擬軟件有Autodesk Ecotect Analysis和Daysim等。在模擬過(guò)程中，建筑外部遮陽(yáng)和內(nèi)部飾面顏色對(duì)最終結(jié)果有較為關(guān)鍵的影響。

聲環(huán)境法亦可分為室外聲環(huán)境和室內(nèi)聲環(huán)境。室外聲環(huán)境模擬受建筑周邊交通情況影響較大，需對(duì)建筑周邊道路建設(shè)、車(chē)輛通行情況事先要有一個(gè)詳細(xì)的了解。室內(nèi)聲環(huán)境模擬則是針對(duì)建筑本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲性能做的分析。

2.2 數(shù)字模擬的意義

數(shù)字模擬依靠電子計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)各項(xiàng)工程問(wèn)題展開(kāi)針對(duì)性的研究。具有可靠性高，投入成本低，實(shí)現(xiàn)周期短的特點(diǎn)。能在建筑設(shè)計(jì)初期為設(shè)計(jì)師們大大減少試錯(cuò)時(shí)間，從而提升設(shè)計(jì)效率。

3 數(shù)字模擬在綠色設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字模擬在綠色建筑設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

接下來(lái)以常州新地標(biāo)-常州市文化廣場(chǎng)項(xiàng)目為例，來(lái)具體說(shuō)說(shuō)各類(lèi)模擬在綠色建筑中的具體應(yīng)用情況，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)景圖

常州市文化廣場(chǎng)建筑群由4棟12層建筑和6棟10層建筑組成。南側(cè)4棟建筑造型較為傳統(tǒng)是新的常州市行政服務(wù)中心，北側(cè)6棟建筑造型較為新穎，造型創(chuàng)意取自江南拱橋，通過(guò)不同的轉(zhuǎn)向，形成月亮橋形態(tài)建筑入口，呈現(xiàn)“下小上大”極具雕塑感的綜合體。6棟建筑造型相似確不完全相同，各自承擔(dān)的不同的功能需求，分為圖書(shū)館、美術(shù)館、文化產(chǎn)業(yè)用房。

3.1.1 建筑模型的建立

在進(jìn)行數(shù)字模擬之前，首先要進(jìn)行建筑模型的構(gòu)建，這在數(shù)字模擬中是比較關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。在這一過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)師們依據(jù)平面圖紙的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維的建筑模型。模型建得與圖紙?jiān)较嘟?，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度自然就越高。但并不提倡一味地追求復(fù)雜的建筑模型，還是要根據(jù)模擬類(lèi)型，有針對(duì)性地進(jìn)行模型構(gòu)建。

如文化廣場(chǎng)項(xiàng)目北側(cè)6棟樓，在進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)，可以將復(fù)雜的建筑圖形簡(jiǎn)化至只有墻體、門(mén)窗等重要部位。同時(shí)還要考慮目標(biāo)工程周邊建筑對(duì)于氣流的阻擋，簡(jiǎn)要構(gòu)件下周邊建筑的三維模型。

而進(jìn)行光環(huán)境模擬時(shí)，除了墻體、門(mén)窗等重要部位，建筑外立面上的遮陽(yáng)構(gòu)件等也需一一建立模型。原本建筑遮陽(yáng)是為了避免陽(yáng)光直射室內(nèi)，防止建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)被陽(yáng)光過(guò)分加熱，從而防止局部過(guò)熱和眩光的產(chǎn)生，以及保護(hù)室內(nèi)各種物品而采取的一種必要的措施。其減少了直射室內(nèi)的陽(yáng)光，必然對(duì)建筑采光產(chǎn)生不可忽視的影響。

3.1.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的輸入

其次是數(shù)據(jù)的輸入。根據(jù)想要進(jìn)行的模擬分析類(lèi)型，輸入對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。如進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，需根據(jù)各地區(qū)風(fēng)向玫瑰圖確定當(dāng)?shù)貙?duì)應(yīng)季節(jié)的主要風(fēng)向和平均風(fēng)速，并添加到場(chǎng)地的設(shè)定中。

再如進(jìn)行采光模擬時(shí)，需在構(gòu)建模型時(shí)明確建筑朝向及各外窗遮陽(yáng)措施情況。同時(shí)建筑內(nèi)各房間頂棚、墻面、地面所用涂料的反射比對(duì)采光效果的影響也不可忽視。

3.1.3 模擬結(jié)果的分析

最后，根據(jù)各項(xiàng)數(shù)字模擬得出的結(jié)果，我們可以在既定的氣候、地形條件下調(diào)整我們建筑的朝向、高度、樓棟數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等等。

從室外風(fēng)模擬圖2-圖3中可以看出：

圖2 冬季工況速度矢量圖

圖3 冬季工況速度云圖

在冬季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，建筑物周?chē)诵袇^(qū)距離地面1.5m處風(fēng)速均小于5m/s，風(fēng)速比較均勻，無(wú)明顯過(guò)大處，室外風(fēng)速放大系數(shù)均小于1，保證了舒適的室外活動(dòng)。

在過(guò)渡季、夏季典型風(fēng)速和風(fēng)向條件下，場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)有小部分渦旋存在，但無(wú)通風(fēng)死角。

綜上可見(jiàn)，常州市文化廣場(chǎng)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外行走、活動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)，場(chǎng)地規(guī)劃和建筑排布符合實(shí)際需要。

從室內(nèi)采光模擬圖4及表1-表2可以看出：

圖4 八層室內(nèi)采光系數(shù)模擬效果圖

表1 八層室內(nèi)采光系數(shù)計(jì)算表

表2 九層室內(nèi)采光系數(shù)計(jì)算表

八層主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)大于2.2%的區(qū)域占主要功能空間總面積的19.81%，不能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求。

九層主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)大于2.2%的區(qū)域占主要功能空間總面積的64.81%，不能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求。

綜上可見(jiàn)，辦公樓8層和9層因?yàn)橹苓吔ㄖ趽鯂?yán)重致室內(nèi)采光效果不佳，建議設(shè)置天窗使得室內(nèi)采光照度及采光時(shí)長(zhǎng)滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活所需。

建筑離城市主干道較遠(yuǎn)，且周邊有品種繁多的綠化植被，對(duì)交通噪聲進(jìn)行了良好的阻隔，項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)環(huán)境噪聲符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3096的有關(guān)規(guī)定（如表3）。

表3 參評(píng)建筑達(dá)標(biāo)統(tǒng)計(jì) 單位：dB（A）

由此可見(jiàn)，通過(guò)數(shù)字模擬發(fā)現(xiàn)建筑存在的潛在問(wèn)題，從而有針對(duì)性地優(yōu)化設(shè)計(jì)確實(shí)可以提高綠色建筑設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，給在建筑中工作學(xué)習(xí)的人們帶來(lái)舒適、健康、安寧的使用體驗(yàn)。

3.2 數(shù)字模擬在綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展前景

數(shù)字模擬技術(shù)的各類(lèi)軟件都是將地理位置信息、氣候氣象信息作為計(jì)算依據(jù)開(kāi)始的[3]。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中不難發(fā)現(xiàn)，軟件自帶的地點(diǎn)選擇是十分有限的，想要自行補(bǔ)充相關(guān)數(shù)據(jù)，查找和計(jì)算的工程量又十分浩大，在此情況下往往采用相近的地點(diǎn)信息進(jìn)行模擬，而這帶來(lái)的影響就是計(jì)算結(jié)果存在偏差。隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)的多樣性呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)字模擬在綠色建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)正逐步顯現(xiàn)，可靠性高、成本低、周期短、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)是數(shù)字模擬技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中擁有廣闊發(fā)展前景的重要保障。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和建筑科技的快速發(fā)展，對(duì)建筑可持續(xù)發(fā)展的要求也越來(lái)越高，數(shù)字模擬技術(shù)運(yùn)用到綠色建筑設(shè)計(jì)中，可以有效提升綠色建筑設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性，充分發(fā)揮綠色建筑在資源節(jié)約、健康宜居方面的積極作用，促使我國(guó)建筑行業(yè)進(jìn)一步平穩(wěn)健康發(fā)展。