建筑環境模擬綜述

曾龍煒 （福建水利電力職業技術學院建筑工程系，福建 永安 366000）

1 研究背景

1.1 當前綠色建筑的現狀與發展

當今世界關注的一個非常熱門的話題是建筑節能，該熱點同時也是目前節能領域研究課題的一個重點。經過統計在西方發達國家中，占比社會總能耗的30%～45%為建筑能耗。目前我國建筑能耗已占國家總能耗的20%～25%，并且朝35%大關穩步爬升。根據國家相關部門統計，我國現有建筑面積近430億m2，高耗能建筑占比約有95%，且高能耗類型建筑在每年新增建筑面積中占比仍然高達80%以上。我國建筑能耗遠高于發達國家，主要表現：①在缺乏建筑能源獲取與消耗方面研究和相關標準，刻意強調降低建筑建成成本，以致建筑用能效率較低；②過去我國對建筑節能缺乏相關認識，經過這幾年的節能推廣，國民節能意識在逐步提升。

為此就建筑環境而言，如何進行節能減排、水資源的合理性利用與室內環境質量改善等問題越來越頻繁的擺在了社會發展面前。因此，當今綠色建筑研究領域的研究是如何實現建筑的環保與節能減排[1]。

綠色建筑由理念到實踐，在發達國家中綠色建筑研究逐步完善，形成了體系化的設計方法，評估體系，各種新技術、新材料層出不窮。通過技術人員不懈的實踐與探索，大量工程技術被攻關成功后，我國的綠色建筑行業逐漸步入快速發展的大好年代。雖然攻克了很多技術，但是現階段的經濟意識及技術積累厚度與國外對比的不足，其嚴重制約著我國綠色建筑的普及發展及應用，是我國綠色建筑行業目前需要面臨諸的多問題。

伴隨著世界經濟的大發展，我國的城鎮綠色建筑發展中面臨諸多復雜問題，需要引入新技術和新方法。作為當前中國建筑業的兩大發展趨勢，BIM和綠色建筑具有許多相同或相似的理念。在闡述綠色BIM相關研究與實踐的基礎上，對BIM與綠色建筑的高效整合進行了分析，探討了BIM在綠色建筑中推廣應用遇到的主要障礙并提出合理的解決方案，認為我國建筑業應盡快推動BIM在綠色建筑中更廣泛和深入的應用，從而實現綠色建筑高效、協作和可持續設計，進而促進綠色建筑的普及和生態城市的發展。

1.2 BIM技術的研究現狀以及發展趨勢

BIM信息化技術是通過建筑信息建模 (Building Information Modeling)、建筑信息模型 (Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三個功能部分組成，是創建并利用數字信息模型支持項目全生命周期的技術、方法和過程。BIM是信息化技術在建筑業上的直接應用，該技術可應用于建筑的建設設計、施工、運營管理等整個建筑生命周期，將BIM信息化技術在應用上進行有效整合，深度融入到綠色建筑，進而將建筑性能進行全面的提升，從而去實現綠色建筑設計的可持續發展。該技術可以為綠色建筑的節能規劃設計、環境性能評估以及運營階段的能耗模擬及建筑室內外環境舒適性提供了強大而有效的技術支持。

綠色BIM將會成為建筑業未來發展的大趨勢。其中一個目標是從項目各個層面上實現可持續性發展，提高建筑能效目標的BIM工具的使用的將綠色建筑與BIM的有機結合起來的定義被美國一家專業從事該方面研究的大公司麥格勞—希爾建筑信息公司在2010年的時候創新性的提出——“Green BIM(綠色 BIM)”。

2 研究目的和意義

2.1 研究目的

科學范疇上定義的建筑環境：是指建筑在其全壽命周期內對環境（設備、空氣、水、土壤和生物等各方面）的包含了各物理及化學綜合影響的總量，其包含了從原材料上的獲取和運輸過程，建筑材料的生產制造、運輸和安裝過程，建筑工程的設計，建設施工、建筑運行、建筑維護以及最后的建筑拆除等全周期中對環境的全部影響[2]。

建筑環境性能模擬技術，指的是依靠CFD,ECOTECT,Designbuilder等建筑環境性能模擬軟件的使用，仿真獲得建筑物實際當中的各種工作情況和性能表現，然后通過編程運算仿真，獲得建筑物環境性能模擬等舒適性所需的大數據。建筑環境性能模擬技術在建筑物能源消耗分析與優化提高和建筑環境設備系統性能分布上的分析和優化提升等方面上發揮積極重要的作用。伴隨著人類對提高環境質量建設的要求，加大了對建筑節能的關注度，建筑環境性能模擬也愈來愈成為建筑行業可持續發展上設計、評價、分析工作中必不可缺的重要工具之一，并在更多更廣的領域發揮了重要作用。

本項目研究的目的就是在于如何通過基于BIM條件下的環境性能模擬為綠色建筑的規劃與設計成果環境節能性能和照明、熱環境設計效果的直觀演示，使設計者對自己的設計有一個更直接的感受與體驗，通過這個技術，可以極大的促進當地綠色建筑的設計能力和設計水平。

2.2 研究意義

在通過借鑒和吸收國內外相關綠色建筑評價具體標準，評價詳細內容、評價方法以及實際工程案例，然后充分的去考慮綠色建筑評價體系的發展趨勢的正確方向，提出一種與以往不同的綠色建筑環境性能評價的新思路。通過引入BIM技術，結合相關軟件和各評價體系，找出影響建筑環境性能的代表性因素，構造適用于我國綠色建筑的環境性能評價指標體系，并且探尋綠色建筑評價體系的方法，以求能夠達到減少環境負荷，提高能源利用率和建筑舒適度的目的，并為建筑設計師的設計工作提供科學指導，為管理決策部門提供可考核的辦法，倡導建筑行業健康發展[3]。

通過環境性能模擬軟件可以對建筑能耗、室內舒適性、建筑風環境、聲環境、太陽能系統、光環境、室內氣流組織、室內污染物分布等進行建筑環境性能模擬；可以對圍護結構與圍護結構材料熱工特性進行設計分析并選擇合理方案；可以對環保低耗、高效的建筑設備使用系統進行論證設計分析；可以對建筑節能方案的制定評估、天然新能源系統的方案選擇、節能產品生命周期內的能耗分析與節能潛力探尋等建筑環境性能模擬與分析。通過計算機模擬來預測建筑物完工后的物理環境，為評價室內環境舒適度和建筑能耗水平等提供必要的定量支持。設計人員可以通過仿真模擬與評估，找出方案中的缺漏，在規劃設計的早期階段不斷調整，修改和完善建筑方案的缺漏。因為建筑自身及其環境系統的復雜性與不確定性，僅憑經驗感覺或簡單的計算是無法準確判斷綠色建筑規劃與設計方案的長短利害，因此，運用建筑環境模擬技術對方案進行模擬分析是綠色建筑規劃與設計的重要方法。

3 研究內容與方法

3.1 研究內容

建筑環境的表現性能是通過建筑地理位置、地形條件、室外氣候條件、建筑物圍護結構的性能、室內建筑設備系統工作情況，以及室內外通風條件等因素綜合作用影響來決定的。建筑環境控制系統的運行需要隨著建筑環境性能的實際情況的變化調整相對應變，進而去滿足建筑環境性能方面上的功能需求[4]。對此，本文基本遵照“提出問題——分析問題——解決問題——復核校正”的研究問題方法，通過對綠色建筑設計全過程以及全生命周期過程中各種專業模擬軟件和模擬方法的研究。

3.1.1 建筑能耗模擬

建筑環境能耗模擬是分析各種環境和氣象參數及各個用能設備系統下的建筑物的能耗。因為能源消耗直接關系到經濟效益，能耗模擬仿真分析應當從技術經濟的角度及技術合理性區去綜合選擇最適合當地氣候的設計方案[5]。例如對于福建地區處在夏熱冬暖氣候區及夏熱冬冷氣候區，利用能耗模擬可以有效分析建筑保溫、遮陽、通風與隔熱所帶來的節能效果,為建筑師選擇方案提供科學的方案參考。

3.1.2 光環境

建筑環境質量優良衡量的一項非常重要的硬性指標是建筑采光，同時建筑采光規范的強制約束。為了較好的去保證建筑使用者身心健康，同時也保證室內衛生，提高室內環境質量的前提條件是要讓建筑獲得充足的日照時間。對日照質量作出合理評價，是可以借用通過光環境的仿真模擬技術，在該技術的支持下，也可以通過該技術手段對規劃方案提出修改要求，以滿足建筑采光需求。

3.1.3 通風模擬

建筑通風模擬技術是通過以計算流體力學（CFD類軟件）的相關理論知識與計算方法為基礎，它是以空間為范本，將其劃分為模擬計算所需要使用到的一定需求數量的三維網網格空間，然后通過使用較為完整的方程控制去具體表述每個立體網格空間內有關變量之間的聯系，其后通過將這些變量方程聯立去迭代求解計算獲得空氣溫度、濕度、風速、有害物濃度等所需要的相關變量關系，最后建立起三維空空間網格內所有的變量之間聯系。建筑通風模擬的對象可以是整個建筑群體，也可以是對單個房間室內通風模擬的設計[4]。

3.2 擬解決的問題

在我國的綠色建筑環境評價當中，有一些項目是通過專家的打分評定來確定綠色合格度的，這就在一定程度上使得評定結果帶有人為操作的因素，使評價結果不客觀，因此需要盡量把一些當前的非量化指標通過使用BIM技術輸出的建筑物具體信息來評判，確保在綠色建筑環境性能評價上做到客觀，有理有據。

本項目研究的目的就是在于如何通過基于BIM條件下的環境性能模擬為綠色建筑的規劃與設計成果環境提供一個比較直觀的效果展示，使設計者對自己的設計有一個更直接的感受與體驗，通過這個技術，可以極大的促進當地綠色建筑的設計能力和設計水平。結合實際工程案例，擬解決的問題有：①尋找建筑環境性能評價與分析的新途徑及體系，優化對綠色建筑可持續發展設計過程，提高可持續發展建筑設計水準；②對某學院校史館進行建筑環境模擬。

4 結語

建筑可持續發展是目前的熱門話題,真正的綠色建筑應在設計階段就達到綠色建筑標準。對在方案初期，設計階段上的建筑可以進行虛擬化建模、數字化實驗，可以通過建筑環境模擬結果去評判建筑的合理性或者建筑竣工后的實際運行效果，從而讓綠色建筑更加綠色，更加合理。