基于BIM技術的建筑日照與風環境研究

朱通通

摘要： 建筑的性能與氣候環境有著緊密的聯系，不同的氣候區域，其建筑的防寒采暖、遮陽隔熱、采光、通風等基本功能需要根據當地的氣候特點采用相應的設計。因此，一種建筑和構造形式適應所有的氣候區域是不現實的。因建筑師在設計一棟建筑時需要考慮的不僅僅是其外形，更重要的是設計的建筑要符合當地的氣候特點[1]。本文以BIM技術為研究對象，就其在建筑概念設計階段中的具體應用進行了探究，利用概率、可靠度的評價分析方法，論證了其在BIM技術中運用的可行性與實用性。希望能為建筑的概念設計提供借鑒與參考。

Abstract： The performance of the building and the environment are closely linked， different climate regions， the construction of the cold heating， heat insulation， lighting， ventilation and other basic functions need the corresponding design according to the local climate. Therefore， it is unrealistic to adapt to all climatic regions in one form of architecture and structure. Architects need to consider not only its shape in the design of a building， it is more important that the designs of the building need to meet the local climate characteristics. In this paper， the BIM technology acts as the research object in the architectural concept of the design stage of the specific application of the study， hoping to provide reference for the construction of the concept design.

關鍵詞： 概念設計；BIM技術；風環境分析；日照分析；可靠度

Key words： conceptual design；BIM technology；wind environment analysis；sunshine analysis；reliability degree

中圖分類號：TU242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0109-03

0 引言

隨著社會的進步、科技的發展，人們對建筑舒適度的要求越來越高。傳統的建筑物往往缺少對其前期設計進行足夠的重視，導致建筑物缺乏應有的舒適度，例如：建筑的采光性能差、建筑能耗較高、建筑外形不符合當地的氣候特征等。一系列的問題就使得建筑物的性能與期望值相距甚遠。先天技術水平的不足，后天的狀況就難以得到改觀。究其原因是因為傳統的設計是基于二維CAD的設計，建筑前期方案的選定有些是事后做下合乎規范的驗算了事，幾乎沒有把采光、能耗、風環境等建筑物性能分析融入到前期設計階段中，更不用說把上述分析可視化地展現給建筑師提供參考，而前期設計階段又對建筑物的整體性能的影響占有很大的比重[2-3]（見圖1）。

BIM技術的引入卻恰好能解決這個問題，BIM的可視化、模擬性能能為建筑師提供一些很好的參考數據。據此，建筑師可以對性能較差的地方實時地作出調整，爭取使得建筑物的各個方面的性能達到最佳。這樣就使得投資得到了應有的回報，大大地提高了資源的利用率，提高了建筑的親和力，符合當前可持續性設計的發展需求[4]。

1 BIM概述

Building Information Model（建筑信息模型）簡稱為BIM。1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授創建了BIM理念，其最初的理念便是讓建筑工程實現可視化和量化分析，提高工程建設效率。創建至今，BIM思想并沒有局限于此，它在不斷地發展之中[3]。美國BIM標準（NBIMS）對BIM定義的中心思想是：BIM是利用數字技術進行建設項目設計、施工、運營的過程，過程的成果是一個信息豐富的多維項目模型—即為BIM模型。BIM具有完備性、參數化性、一體化性、可視化、協調性、模擬性、優化性和出圖性八大特點。[5-7，10，11]

3 方案選型階段的日照分析

3.1 工程項目簡介

擬建場地位于元陽縣新街鎮西南方向的土戈寨村委會轄地，距離元陽縣新街鎮約5km，其北側隔省道S214與元陽縣美麗家園哈尼小鎮D組團相望，西側距離元陽縣美麗家園哈尼小鎮C組團約500m，東側及南側現狀為農作物種植地。擬建哈尼族民族歷史博物館總用地面積為35975m2，擬建建筑由1棟3F剪力墻結構建筑物組成，總建筑面積為8315.64m2，建筑±0.00標高為1818.00，擬建基礎形式為墻下挖孔樁基礎。

場地地貌上處于低中山山麓斜坡地帶，場地總體地形由西北向東南緩傾，總體地形約10度，局部坡度約20度，坡面叢林茂密，植被良好，均未采取任何支擋措施，屬斜坡場地。通過現場踏勘場地現狀未發現滑坡、崩塌等不良地質作用。原始自然地面標高介于1797.62～1819.87 m之間，相對高差為22.25 m。

3.2 BIM日照模擬步驟與結果

對于本項目是在Sketchup平臺上做的日照分析，采用“SketchUp日照大師”進行分析。本項目的地理位置：北緯23.1°，東經102.7°。在“日照參數設置”里面設置好地理位置。由于項目場地在“中國建筑氣候劃分圖”中的第區，所以在分析時以冬至日作為分析標準。根據規范要求：其采光系數最低值Cmin=1%。對于可靠度分析，μz可根據圖2選定區域計算得來（詳見GB50033-2013《建筑采光設計標準》中的采光系數平均值計算方法），z應取0.01（根據氣象統計數據可以看出變化幅度很小），μs根據建筑采光設計標準取2.78%（博物館展廳、門廳等采光系數平均值），μs同樣取0.01。取本項目一層A、B兩個計算區域（見圖2）。

3.3 分析及計算結果（如圖3、表1所示）

由以上分析結果、數據可以看出，本項目的異形構造并沒有影響窗體部位的采光，而本來采光不好的陰面，也由于弧形設計部分使得日照時間取得很大提高。表1的數據表明A、B兩區域的采光設計符合采光舒適度設計，當然也符合建筑采光設計標準。

4 方案選型階段的風環境分析

4.1 BIM風環境分析步驟與方法

把Revit建筑模型導出為dwg格式文件，導入Autodesk Flow Design中，根據當地氣候條件（見表2、表3）可見，當地平均風速比較大的月份集中在3、4月份，平均風速分別為：3.8 m/s（3月平均風速的上下浮動率為

-15%～17%），3.72 m/s（4月平均風速的上下浮動率為

-19%～12%），因此取風速4.446 m/s作為輸入值。

4.2 分析結果

風環境分析結果見圖4所示。假設Va為建筑場地某處的實際風速，Vc為場地舒適度風速的控制值。Va、Vc的分布函數符合正態分布。利用可靠度的原理，可得（5）式：

本工程處于山地丘陵地區，地面粗糙度比較大。順風向平均風相對平穩，往往脈動風的幅值大且頻率高，能使結構產生動力響應的影響較大，是需要考慮的因素；實際地貌的地面比較粗糙，風速變化指數比較大。因此在風壓的計算面范圍內其風壓在同一梯度風高度范圍內，可以用同一風壓分析值近似計算。上述風環境矢量圖（圖4）可知，當建筑場地風向為西南方向時，建筑物的所承受的風荷載為最不利情況，博物館建筑物西南方向的走廊其風速最大可達到8.2m/s。但建筑物西南部分的流線型外形卻有利于氣流的分散，且其脫體處表面也形成了一層很薄的有速度梯度的邊界層，不至于出現風壓差過大的區域。從圖4可以得出，由于博物館的階梯梯田式形狀，其尾渦區與迎風面沒有形成很大氣壓差，避免了風漩渦的出現。從而論證了方案的可行性。表4是根據可靠度分析原理計算得到的可靠度值。

從表4可靠度分析的結果可以得出：在場地風速為2.78 m/s時，場地最不利區域（博物館西南側走廊）的風速小于3.6 m/s（當然小于5.5 m/s）。考慮到氣候的多變性時，可靠度依然為1。

5 結論

通過以上的計算分析，主要得出如下結論：①在建筑方案階段，BIM能為項目帶來的效益是最多的。使得建設工程項目與當地生態環境有一個良好的結合，這是實現綠色建筑的重要一步。②本文實現了對日照、風速可靠度的定量分析，使得難以衡量的設計參數得到了基于可靠度的度量，為建筑設計師提供了更好的參數參考。公式（4）可以為日照可靠度的計算分析提供計算依據。③日照、風速可靠度的定量分析與BIM相結合進一步證明了BIM技術在前期設計階段的價值，可以滿足人們對建筑物舒適度越來越高的要求，更加符合工程項目實際需求。公式（5）可以為風環境舒適度的計算分析提供可靠的計算依據。

參考文獻：

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