建筑設(shè)計(jì)中的生態(tài)模擬技術(shù)探索

悉地國際設(shè)計(jì)顧問（深圳）有限公司

摘要：在全國能源告急的紅燈下，綠色環(huán)保在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)得到不斷滲透。在以往的設(shè)計(jì)當(dāng)中往往不考慮周邊的環(huán)境以及日照等功能，造成了建筑高能耗的產(chǎn)生。本文根據(jù)工程實(shí)踐，對(duì)某建筑的日照、風(fēng)場(chǎng)、噪聲進(jìn)行模擬計(jì)算，以期達(dá)到低能耗、高舒適的要求。

關(guān)鍵詞：建筑；生態(tài)環(huán)保；生態(tài)技術(shù)

一、工程概述

某建筑區(qū)有居住建筑和商業(yè)建筑、辦公建筑、酒店等新建建筑，超高層建筑在此區(qū)域占有率達(dá)70%。為了打造低碳、環(huán)保、高效、開放”的生態(tài)環(huán)境，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》結(jié)合空間布局、功能定位和入駐項(xiàng)目使用要求和運(yùn)營特點(diǎn)，提出了5項(xiàng)物理環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)要求，具體內(nèi)容見表1。

表1 物理環(huán)境質(zhì)量控制指標(biāo)和模擬內(nèi)容界定

物理環(huán)境序號(hào)指標(biāo)內(nèi)容模擬內(nèi)容

日照環(huán)境1既有居住建筑在大寒日的日照時(shí)數(shù)大于2h居住建筑底層滿窗日照時(shí)數(shù)模擬分析

2充分利用太陽能資源冬至日新建建筑 外立面與屋頂日照時(shí)數(shù)模擬分析

風(fēng)環(huán)境3地面1.5m高度風(fēng)速控制達(dá)標(biāo)率100 %風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速、風(fēng)壓、弱風(fēng)區(qū)模擬 分析

4最大限度利用自然通風(fēng)超高層建筑外窗可開啟高度模擬分析

聲環(huán)境5建筑噪聲滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，達(dá)標(biāo)率100%建筑不同高度噪聲量模擬分析

本文將分別利用ECOTECT，CFD，URBAN STRATAGY軟件對(duì)本區(qū)域日照環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果給出調(diào)整建議。

二、日照環(huán)境模擬分析

（一）新建建筑對(duì)既有居住建筑遮擋情況模擬分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：本地區(qū)大寒日8：00～ 16：00時(shí)間段內(nèi)居住建筑底層滿窗日照時(shí)數(shù)不得小于2h。區(qū)域內(nèi)既有居住建筑多個(gè)住宅。項(xiàng)目整體日照情況良好，建筑群區(qū)域大部分受影響較小，但其中A、B小區(qū)受新建的建筑物遮擋較嚴(yán)重。通過建模分析B小區(qū)的南側(cè)1號(hào)和3號(hào)既有住宅樓，得出日照時(shí)間分別為4.8，4，3.2，2.4，1.6 h。1號(hào)住宅樓部分住戶的滿窗日照時(shí)數(shù)不足2h，而3號(hào)住宅樓底層窗臺(tái)面處的日照時(shí)數(shù)符合2h以上要求。

建議若條件允許，可在1號(hào)住宅樓頂層利用導(dǎo)光管自然采光，將自然光引入室內(nèi)，以彌補(bǔ)日照不足的影響或選用低能耗照明燈具進(jìn)行人工采光。

（二）新建建筑外立面 日照時(shí)數(shù)模擬分析

本區(qū)域所有新建建筑需通過綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)認(rèn)證，因此應(yīng)引導(dǎo)和鼓勵(lì)業(yè)主使用可再生能源替代常規(guī)能源，其中太陽能是與建筑進(jìn)行一體化建設(shè)的最佳可再生能源形式之一，因此須計(jì)算分析園區(qū)內(nèi)新建建筑的日照時(shí)數(shù)，分析太陽能資源分布情況，指出各單體建筑是否具備安裝太陽能光伏組件的條件，為各地塊的建筑設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。新建建筑對(duì)既有居住建筑的日照遮擋情況模擬的分析日期為大寒日，區(qū)域新建建筑較多，因此僅列舉B一24地塊的高360m新建建筑各立面日照時(shí)數(shù)模擬結(jié)果。經(jīng)模擬計(jì)算，不同立面的日照時(shí)數(shù)不小于3 h的建筑高度分別為：南立面284m以上、東立面90m以上、西立面162m以上，且整個(gè)屋面滿足曰照時(shí)數(shù)不低于6h要求。

由此可見，此建筑物具備安裝太陽能光伏組件條件，建議業(yè)主做好太陽能光伏發(fā)電利用設(shè)計(jì)，確保太陽能資源充分利用。

三、風(fēng)環(huán)境模擬分析

建筑風(fēng)環(huán)境直接影響行人風(fēng)舒適、室內(nèi)自然通風(fēng)效果，以及小區(qū)污染氣體輸運(yùn)。因此，在建筑設(shè)計(jì)前期有必要進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境關(guān)于風(fēng)速和風(fēng)壓模擬，對(duì)于建筑風(fēng)舒適}生和高層建筑外窗可開啟高度評(píng)價(jià)，兩者是綠色建筑設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

（一）場(chǎng)區(qū)風(fēng)速模擬分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：建筑物周圍人行區(qū)1.5m高度風(fēng)速不超過 5m/s，以免行人舉步維艱或強(qiáng)風(fēng)卷刮物體撞碎玻璃等事故發(fā)生。此外，通風(fēng)不暢還會(huì)嚴(yán)重阻礙空氣流動(dòng)，在某些區(qū)域形成無風(fēng)區(qū)和渦旋區(qū)，不利于室外散熱和污染物消散，也應(yīng)避免。多數(shù)城市冬季來流風(fēng)速在5 m/s情況較多，因此以冬季作為工況設(shè)置季節(jié)。通過對(duì)場(chǎng)區(qū)風(fēng)速分布情況進(jìn)行建模分析，最低風(fēng)速約1.2m/s，最高風(fēng)速約3.5 m/s。整個(gè)區(qū)域風(fēng)速均為超過綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 m/s。因此區(qū)域風(fēng)環(huán)境滿足舒適度要求。最高風(fēng)速所在地塊可考慮在此區(qū)域結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，做好迎風(fēng)面防風(fēng)復(fù)層綠化等手段進(jìn)行風(fēng)口處的防風(fēng)工作。

從整個(gè)流場(chǎng)風(fēng)速分布看，未出現(xiàn)大的渦旋區(qū)和無風(fēng)區(qū)影響整個(gè)區(qū)域空氣質(zhì)量，但在區(qū)內(nèi)建筑密集區(qū)風(fēng)速較小，通風(fēng)效果較差，不利于區(qū)域內(nèi)有害物質(zhì)擴(kuò)散。因此對(duì)密集區(qū)進(jìn)行改善，建議在建筑物底部裙房處采用對(duì)外開放式結(jié)構(gòu)，對(duì)自然風(fēng)起導(dǎo)風(fēng)處理，增強(qiáng)通風(fēng)效果。

通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可知，建筑密集風(fēng)速由1.2m/s變?yōu)?.75 m/s，增強(qiáng)了原建筑密集區(qū)的通風(fēng)能力，場(chǎng)區(qū)內(nèi)相對(duì)通風(fēng)死角也有明顯改善。因此，對(duì)于園區(qū)內(nèi)各主干道及干道兩側(cè)建筑物建議裙房1層采用貫通開放式結(jié)構(gòu)，以便于場(chǎng)區(qū)內(nèi)自然通風(fēng)。

（二）超高層建筑外窗可開啟高度研究

風(fēng)速限制決定超高層建筑外窗可開啟高度?！秾?shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》州規(guī)定人體能接受風(fēng)速為3.5 m/s，根據(jù)伯努利方程風(fēng)速與風(fēng)壓關(guān)系，3.5 m/s風(fēng)速可換算為6.7 Pa。因此，在風(fēng)速約束條件下，通過分析建筑立面風(fēng)壓值確定外窗可開啟高度。

以位于區(qū)域中心部位360 m超高層建筑為例，經(jīng)模擬計(jì)算，隨著建筑物高度增加，風(fēng)壓隨之增加，建筑物水平剖切面設(shè)置高度155 m與建筑立面6.7 Pa風(fēng)壓值相交。由此可知，當(dāng)建筑物高度超過155 m后建筑立面風(fēng)壓值將大于6.7 Pa，窗口風(fēng)速將超過3.5 m/s限值，室內(nèi)人員舒適度顯著降低。外窗可開啟高度基本在140～150m左右，對(duì)區(qū)域內(nèi)超過140m的建筑物，外窗及幕墻均不設(shè)可開啟部分，設(shè)置通風(fēng)換氣裝置以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量及人員舒適度要求。

建筑物自然通風(fēng)是熱壓與風(fēng)壓共同作用的結(jié)果，由于建筑熱壓受建筑實(shí)際設(shè)計(jì)方案決定，因此本文不針對(duì)熱壓進(jìn)行模擬研究。

四、聲環(huán)境模擬分析

核心區(qū)內(nèi)部現(xiàn)狀各類道路總長度為23.7 km，形成了1條城市快速路、1條主干路、若干支路的“立體交通”路網(wǎng)格局。

從聲環(huán)境分析可知，區(qū)域產(chǎn)生的噪聲在75dB以上，超過《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096--2008）的噪聲限值。區(qū)域大部分地塊存在明顯噪聲超標(biāo)問題，其他路段噪聲均符合要求。

（一）建筑不同方位立面噪聲等級(jí)分布及防治措施

以距離A路最近建筑為例，對(duì)建筑物不同方位噪聲進(jìn)行模擬分析（表2），從表2可知，由于南立面沿街，故噪聲級(jí)最高。

表2 建筑不同方位噪聲級(jí)模擬分析

建筑所在地塊不同方位噪聲級(jí)/dB（A）

東南西北

A —O2（外 圍）60606560

A—O865756565

A—0970756570

A—1065757070

A—1170706570

A—1270707065

辦公建筑室內(nèi)背景噪聲滿足《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50118—2010）中室內(nèi)允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。若以辦公建筑允許噪聲級(jí)40dB（A）測(cè)算，可得出建筑各立面隔聲量要求在15～35 dB（A）（表3）。

表3 建筑不同方位隔聲量要求

建筑所在地塊不同方位噪聲級(jí)/dB（A）最大隔聲量要求

東南西北等級(jí)/dB（A）對(duì)應(yīng)性能分級(jí)

A —O2（外 圍）20202520252

A—O825352525354

A—0930352530354

A—1025353030354

A—1130302530303

A—1230303045303

（二）建筑不同高度噪聲等級(jí)分布及防治措施

區(qū)域多為超高層建筑，不同高度也有不同的噪聲等級(jí)。分別40，90，150 m高度區(qū)域噪聲分布情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。區(qū)域噪聲分布在40 m以下先是出現(xiàn)衰減情況，在40～90m隨高度增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，90m以上距離衰減效應(yīng)顯現(xiàn)。主要原因是隨高度呈遞減趨勢(shì)。高處受聲角度大，聲屏蔽效應(yīng)隨高度越來越小，大范圍聲源會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，使高處噪聲分布出現(xiàn)特異性變化。區(qū)域建筑密集，噪聲反射較為嚴(yán)重。

建議各地塊業(yè)主可根據(jù)建筑不同高度的隔聲量要求和位于同一高度不同立面方向的隔聲量要求選用不同材質(zhì)、性能的隔聲窗。一方面合理降噪，另一方面可提高經(jīng)濟(jì)效益。

五、結(jié)束語

建筑節(jié)能減排與綠色建筑是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成，在設(shè)計(jì)方案階段應(yīng)用生態(tài)技術(shù)方法，這樣能讓建筑設(shè)計(jì)方案更滿足于綠色環(huán)保的要求，不斷推動(dòng)綠色建筑在區(qū)域內(nèi)規(guī)?；l(fā)展。