綠色建筑模擬軟件在建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究
——以心語花園項目為例

劉 爽

（廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510670）

1 研究背景

“十八大”以來，黨中央國務(wù)院十分重視我國生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展，在2015年出臺了《關(guān)于加快推進生態(tài)文明發(fā)展的意見》，意見中首次提到了“五化”協(xié)同發(fā)展的理念，并列提出了綠色化和新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，凸現(xiàn)了綠色發(fā)展在新時期我國經(jīng)濟社會發(fā)展中的重要意義和作用。我國是建筑業(yè)大國，每年有大約20 億m2的建筑總量，接近全球年建筑總量的一半。目前，我國建筑活動造成的污染占全球總污染的1/3。各國已充分認(rèn)識到綠色建筑是符合人類宜居需求的適應(yīng)全球氣候變化挑戰(zhàn)的未來建筑發(fā)展方向的主流模式。同樣，在我國新型城鎮(zhèn)化的建設(shè)過程中，作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的綠色建筑已逐步上升為國家戰(zhàn)略，得到人們的充分重視和支持。國家和地方自2006年起，已陸續(xù)出臺了一系列政策和措施，有力推動了我國綠色建筑的發(fā)展。廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳更于2018年底發(fā)文《廣東省綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動方案（2018～2020年） 》。截至2019年5月初，廣東省已有2 732個項目取得綠色建筑評價設(shè)計標(biāo)識，涉及總建筑面積達(dá)2.48 億m2。

國內(nèi)外針對綠色建筑的模擬分析軟件也進行了多年的探索和研究，目前，國內(nèi)具有大量推廣和實際運用條件的軟件，其中，具有代表性的分別有PKPM公司和清華斯維爾開發(fā)的基于AutoCAD平臺的三維建模軟件。本文采用的是清華斯維爾節(jié)能軟件建模，模型與指標(biāo)計算一體化，可直接使用建筑設(shè)計成果，同時一模多算，高效快捷，屬于BIM的綠色建筑解決方案。

2 研究的目的和意義

綠色建筑是科技含量較高的綜合性建筑，需要應(yīng)用到的創(chuàng)新技術(shù)也比較多，為了確保綠色建筑獲得最優(yōu)化的綜合性能以及效益，就需要建筑本身能夠與各項綠色技術(shù)有機融合為一個整體。在綠色建筑設(shè)計的每個階段，都需要借助綠色建筑模擬軟件輔助優(yōu)化設(shè)計。在方案階段，借助模擬分析開展各設(shè)計方案的總圖布局對比分析，最后整合到規(guī)劃成果中去，并不斷提出意見與反饋來優(yōu)化方案，并形成預(yù)評估報告中的建議。在擴初階段，借助模擬軟件檢驗擴初成果是否達(dá)到預(yù)設(shè)的綠建要求，并提出施工圖設(shè)計指引。在施工圖設(shè)計階段，借助模擬軟件完成最終成果分析和整理，從而形成有效的證明文件，為通過施工圖審查和申報綠色建筑標(biāo)識提供依據(jù)。在研究過程中，根據(jù)模擬要求，必要時還要求各相關(guān)綠色建筑技術(shù)廠家進行跨學(xué)科的協(xié)作和交流。為了實現(xiàn)各項技術(shù)與建筑的有機結(jié)合，綠色建筑研究還需要在各環(huán)節(jié)中進行反復(fù)模擬驗算，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，推動研究不斷向前發(fā)展。通過綠色建筑高效準(zhǔn)確的模擬技術(shù)，既能夠有效降低技術(shù)補丁的修補頻率，消除設(shè)計缺陷，還能夠減少設(shè)計變更， 控制建設(shè)成本，保證綠色建筑設(shè)計的良好品質(zhì)。綠色建筑設(shè)計還有著信息不斷反饋和循環(huán)的特征，是一個建筑性能模擬與各設(shè)計階段相結(jié)合的整體過程。綠色建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)從方案階段開始，利用建筑性能模擬工具獲得直觀、準(zhǔn)確的建筑環(huán)境性能反饋信息，指導(dǎo)方案設(shè)計，保證建筑設(shè)計的科學(xué)性和合理性。本次的研究重點是闡述綠色建筑模擬軟件的計算成果，以及該成果對促進建筑項目取得綠色建筑一星設(shè)計標(biāo)識的作用。

3 研究的技術(shù)路線與流程

根據(jù)研究內(nèi)容，從選取研究案例的方案到施工圖階段對各專項數(shù)據(jù)情況進行分析，結(jié)合現(xiàn)有的節(jié)能模型和綠色建筑達(dá)標(biāo)要求，采用理論分析和相關(guān)運算，統(tǒng)計分析各種情況下的影響因素，形成對應(yīng)的各專項分析報告，找出不滿足規(guī)范要求的位置，進行優(yōu)化研究，對原有設(shè)計模型及相關(guān)參數(shù)取值進行改進優(yōu)化，再計算反饋這些變化情況，然后進行多次循環(huán)對比分析，得出符合綠建要求并達(dá)到通過標(biāo)準(zhǔn)的模擬結(jié)論。因此，本研究著重采用理論指導(dǎo)與參數(shù)研究，對計算機輔助手段進行模擬信息化設(shè)計研究，從而使設(shè)計成果滿足綠色建筑設(shè)計申報要求，通過專家組的專題審查。

具體的研究流程如下：相關(guān)理論收集→設(shè)計及計算→收集相關(guān)工程技術(shù)數(shù)據(jù)與參數(shù)→對比分析計算→對設(shè)計進行優(yōu)化與改進→生成達(dá)標(biāo)成果→通過專家審查→取得研究綠色設(shè)計標(biāo)識→為類似工程提供參考借鑒。

以圖1所示的心語花園項目為例，分別闡述各綠色建筑模擬軟件的分析內(nèi)容與結(jié)果。

圖1 心語花園項目總體鳥瞰圖

4 主要研究內(nèi)容

研究的主要內(nèi)容是通過分析規(guī)范要求和收集相關(guān)資料，結(jié)合綠色建筑設(shè)計理念，確定合適的綠色建筑達(dá)標(biāo)目標(biāo)和適當(dāng)?shù)募夹g(shù)組合方案，以指導(dǎo)綠色建筑設(shè)計。首先，需要明確綠色建筑計算機模擬分析的任務(wù)。這主要根據(jù)規(guī)范規(guī)定的達(dá)標(biāo)要求與各項參數(shù)值，尋找現(xiàn)存的差距。其次，掌握綠色建筑計算機模擬的一些基本方法，如氣象資料、模型抽象和建立、計算設(shè)置和評價指標(biāo)等，對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等方面的優(yōu)化方法進行研究，并且將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)和氣象條件結(jié)合起來，根據(jù)不同的功能和環(huán)境條件選取最優(yōu)化的方案。

5 研究的關(guān)鍵技術(shù)

綠色建筑的計算機模擬技術(shù)是為項目服務(wù)的，通過人工來處理模擬結(jié)果，分析出最優(yōu)方案。在設(shè)計的過程中，應(yīng)該充分考慮到建筑形體、朝向、群布局以及外部風(fēng)、光、聲環(huán)境等因素的影響，通過綠色建筑計算機模擬分析方法對建筑設(shè)計優(yōu)化提供方法。

5.1 朝向優(yōu)化方法

房間內(nèi)部的使用要求、 太陽日照和輻射、 當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向、周圍道路等因素決定著綠色建筑的朝向。我國大部分地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向是南、偏南或東南，從房間自然通風(fēng)的角度來看，建筑的縱軸應(yīng)盡量垂直于該地區(qū)夏季的主導(dǎo)風(fēng)向；從日照角度看，建筑的朝向應(yīng)為正南或偏南，這樣有利于提高房間的自然采光度、舒適度和節(jié)能度。心語花園項目的群體日照分析圖如圖2所示。

圖2 心語花園整體日照分析圖

5.2 建筑群布局優(yōu)化

氣候不同，建筑的布局也不同。通過對各種建筑布局的風(fēng)環(huán)境模擬進行分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的風(fēng)環(huán)境特性受建筑布局影響。因此，各季風(fēng)區(qū)的建筑應(yīng)該根據(jù)自身特點優(yōu)先選用合適的布局。

在夏熱冬暖季風(fēng)區(qū)，則主要考慮的是強化夏季的自然通風(fēng)，即利用大自然的風(fēng)帶走地面熱量和利用穿堂的風(fēng)帶走室內(nèi)熱量。因此，建筑群最好是能夠保持內(nèi)部通透，保證前后有較大風(fēng)壓差。對正面夏季風(fēng)可采用的方式有內(nèi)凹并列式、南北錯列式、斜列式、自由式，這些方式都有較好的引風(fēng)作用。而對側(cè)面夏季風(fēng)則可用東西錯列式建筑布局為宜。心語花園冬季和夏季的室外風(fēng)環(huán)境模擬如圖3、圖4所示。

圖3 冬季風(fēng)速放大系數(shù)云圖

圖4 夏季風(fēng)速放大系數(shù)云圖

5.3 外界因素對設(shè)計的影響

采用計算機模擬分析對綠色建筑進行設(shè)計的時候，還需要對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等角度進行參考，從風(fēng)因素、光因素、聲因素這三個方面對建筑外部環(huán)境進行綜合分析，運用計算機模擬分析結(jié)合建筑數(shù)據(jù)中提取的信息，尋找設(shè)計優(yōu)化的方向。

5.3.1 風(fēng)因素

通過對各種建筑布局的風(fēng)環(huán)境模擬進行分析，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的風(fēng)環(huán)境特性會受到建筑布局影響。主導(dǎo)風(fēng)向直接影響著夏季室內(nèi)自然通風(fēng)和冬季室內(nèi)采暖損耗，因此，在選擇朝向時，應(yīng)把主導(dǎo)風(fēng)向作為重要因素進行考慮。為了強化夏季室內(nèi)穿堂風(fēng)， 增大建筑物迎風(fēng)面面積， 提高自然通風(fēng)動力，建筑物朝向與夏季主導(dǎo)風(fēng)向的夾角應(yīng)小于45°。為減少采暖熱損耗，居室宜避免朝向冬季主導(dǎo)風(fēng)向。心語花園在冬季東北側(cè)立面風(fēng)壓模擬如圖5所示。

圖5 冬季東北側(cè)風(fēng)壓兆帕值

5.3.2 光因素

在規(guī)劃設(shè)計階段，朝向選取對自然光的照射量尤為重要。為了使建筑最大限度地接受日光照射，應(yīng)從以下幾個方面進行考慮：

（1） 南向日照最大化。夏季南面是最理想的立面，它具備最大日光照射和較多的太陽能。如果建筑的采光只能有一面被自然光照射，這時就應(yīng)先滿足南部的照射要求。心語花園2號樓標(biāo)準(zhǔn)層戶內(nèi)采光模擬如圖6所示。

圖6 心語花園2號樓標(biāo)準(zhǔn)層戶內(nèi)采光圖

（2） 優(yōu)化北向的采光。北面白天獲得的日照量雖然比較少，卻是最適合使用漫反射天窗的。

（3） 最小化東西向的光照。由于東西立面的日照入射角度一般都很低，因此射過來的光照很難控制。而且這些方位通常只提供半天的光照量，導(dǎo)致日光的變化性非常高。雖然西立面在冬天提供了額外的被動式太陽能采暖，但到了夏天，特別容易遭受大熱量的侵襲而且嚴(yán)重的眩光常常在不需要的時刻出現(xiàn)。心語花園9號樓標(biāo)準(zhǔn)層采光分析原方案如圖7所示，修改陽臺門調(diào)整方案后的采光分析如圖8所示。

圖7 心語花園9號樓原采光模擬

圖8 心語花園9號樓優(yōu)化后采光模擬

5.3.3 聲因素

城市噪聲的主要來源為交通噪聲。對于位于道路兩側(cè)噪聲污染較大的建筑，可以通過改變建筑物的形體來進行降噪處理。受空氣繞流作用的影響，建筑背風(fēng)面的風(fēng)速較小，分布也很均勻，人在背風(fēng)區(qū)域活動受到空氣繞流風(fēng)的影響不大；建筑迎風(fēng)面的高風(fēng)壓雖然分布均勻且較高，但區(qū)域會相應(yīng)變小，這樣就可以通過減少建筑前后的風(fēng)壓差來降低建筑外門窗的冷風(fēng)滲透量，有利于降低采暖能耗，提高室內(nèi)舒適度。心語花園靠高速路一側(cè)的噪聲分析如圖9所示。

圖9 心語花園靠近高速路旁的噪聲分析模擬

6 研究結(jié)果

6.1 研究的創(chuàng)新點

（1） 結(jié)合我國現(xiàn)階段的綠色建筑發(fā)展模式，優(yōu)化綠色建筑設(shè)計流程。（2） 以《綠標(biāo)》為基礎(chǔ)，堅持“整體設(shè)計”理念，每個階段，借助模擬軟件輔助優(yōu)化設(shè)計。（3） 對綠色建筑形體、室內(nèi)環(huán)境、朝向、布局等角度進行研究，從風(fēng)、光、聲這三個方面對建筑外部環(huán)境進行綜合分析，運用計算機模擬分析結(jié)合建筑數(shù)據(jù)中提取的信息，尋找綠色建筑設(shè)計優(yōu)化的方向。（4） 形成高效的綠色建筑設(shè)計模式，減少技術(shù)補丁的修補頻率和降低設(shè)計變更的次數(shù)，推動設(shè)計過程循環(huán)向前發(fā)展。

6.2 研究的成果

（1） 通過綠色模擬軟件在綠色建筑設(shè)計實踐中的應(yīng)用研究，使用清華斯維爾節(jié)能軟件進行建模，實現(xiàn)模型與指標(biāo)計算一體化，可直接使用建筑設(shè)計成果，同時一模多算，高效快捷，同時基于BIM的綠色建筑解決方案對優(yōu)化設(shè)計進行指導(dǎo)，最終令設(shè)計達(dá)到“綠色”標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了國產(chǎn)建筑模擬分析軟件技術(shù)應(yīng)用，具有示范效應(yīng)。并且通過有效地進行軟件使用信息反饋，有利于國內(nèi)模擬建筑分析軟件功能的不斷完善和升級。

（2） 應(yīng)用綠色建筑模擬技術(shù)可以進行高效、準(zhǔn)確的綠色建筑模擬，綠色建筑設(shè)計周期將縮短30%，并且可以有效消除設(shè)計上的缺陷，減少變更設(shè)計的次數(shù)，降低建造成本，確保建筑設(shè)計符合綠色建筑的品質(zhì)要求，使綠建達(dá)標(biāo)率達(dá)到95%以上。

（3） 綠色建筑模擬技術(shù)應(yīng)用于心語花園項目研究，滿足相關(guān)規(guī)范要求，各申報研究綠色模擬分析報告獲得專家評審會評審?fù)ㄟ^，研究規(guī)劃和設(shè)計達(dá)到《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2014） 國標(biāo)一星級水平，獲得綠色建筑設(shè)計標(biāo)識證書。心語花園綠色建筑設(shè)計標(biāo)識證書如圖10所示。

圖10 心語花園綠色建筑設(shè)計標(biāo)識證書

6.3 研究技術(shù)水平及市場前景

在未來30年內(nèi)，我國還需要建造400 億m2的新建筑。《國家新型城鎮(zhèn)化 （2014～2020年） 》提出，到2020年我國城鎮(zhèn)綠色建筑在新建建筑當(dāng)中的比重要超過50%的戰(zhàn)略目標(biāo)。當(dāng)前情況下，綠色建筑的實際建成比例還非常低。大多數(shù)的建筑過程還缺乏全過程的綠色發(fā)展理念，綠色生態(tài)循環(huán)發(fā)展的潛力和空間十分巨大，需要通過努力研究，為國家綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)作出更大的貢獻。廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2018年底下發(fā)了《廣東省綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動方案 （2018～2020年） 》的通知，廣州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會在2018年12月5日下發(fā)《廣州市綠色建筑量質(zhì)齊升三年行動實施方案 （2018～2020年） 》的通知中指出：“全市政府投資公益性建筑和大型公共建筑項目全面達(dá)到二星級以上標(biāo)準(zhǔn)，……，2019年1月1日后立項、建筑面積大于10 萬m2的居住小區(qū)按照二星級以上綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和建設(shè)。”

本研究正是從設(shè)計工作實際需要出發(fā)，響應(yīng)各級管理要求，努力探索綠色建筑的設(shè)計技術(shù)和流程，并與既有技術(shù)團隊的工作習(xí)慣進行調(diào)整和融合，在“綠色”理念指導(dǎo)下，從一星標(biāo)準(zhǔn)入門開始，逐步提高綠色星級的咨詢和服務(wù)水平。綠色建筑市場前景廣闊，從深層次上講，更是今后設(shè)計的根本出發(fā)點之一。

7 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，建筑行業(yè)也得到了大力發(fā)展，計算機模擬技術(shù)也廣泛應(yīng)用于綠色建筑設(shè)計中。目前，我國的設(shè)計院和科研咨詢單位對綠色建筑設(shè)計的計算機模擬分析已由最初的探索階段，逐漸進入成熟期。他們所采用的模擬軟件雖然不同，但分析結(jié)論相差不大。本研究首先對綠色建筑設(shè)計的原則和內(nèi)容進行分析，并對模擬方法和方案優(yōu)化進行歸納總結(jié)，為綠色設(shè)計提供一些方法指導(dǎo)，從而提高綠色建筑設(shè)計的效率。綠色建筑是一個系統(tǒng)而復(fù)雜的工程，其中所應(yīng)用的綠色建筑技術(shù)也是與多學(xué)科相關(guān)的綜合技術(shù)，其設(shè)計工作流程不同于常規(guī)設(shè)計流程，除了有技術(shù)路線的選擇外，還需要借助大量綠色模擬軟件進行輔助計算和模擬，通過對比分析得出結(jié)論，從而指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計，最終使設(shè)計達(dá)到“綠色”標(biāo)準(zhǔn)。其中，在計算指標(biāo)的復(fù)雜運算和模擬過程中，還會涉及更為復(fù)雜的建筑物理因素的計算和分析，例如風(fēng)因素、光因素、熱因素以及聲因素等，所以，需要通過模擬分析軟件來開展各設(shè)計方案的對比分析和評價，最終導(dǎo)出滿足規(guī)范要求的評估報告。現(xiàn)在，綠色模擬軟件已經(jīng)成為綠色建筑設(shè)計不可或缺的技術(shù)手段了。