淺析數字模擬在綠色建筑中的應用

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有限公司，常州 213000；②江蘇筑森建筑設計有限公司，常州 213000）

0 引言

近年來，國家對生態文明建設的重視程度不斷提高，我們生產生活方式也正逐步向綠色化轉型，綠色建筑設計理念受到社會公眾們的廣泛關注。隨著數字化時代的來臨，計算機設備的不斷更新，數字模擬的不斷發展，將其融入到綠色建筑設計中是提升綠色建筑技術水平的一種很好措施。

1 我國綠色建筑設計發展現狀

1.1 綠色建筑評級標準的指引

2006年3月，住房和城鄉建設部發布了我國第一部有關綠色建筑的國家標準《綠色建筑評級標準》GB/T50378-2006，自此開啟的逐步完善中國式綠色建筑評價體系的新征程。至2019年8月，綠色建筑評價標準已更新至第三代，在《綠色建筑評價標準》GB/T50378-2019中的對“綠色建筑”的定義是：在建筑的全壽命周期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供健康、舒適、高效的使用空間，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑。

1.2 綠色建筑設計方向的改變

當下的綠色建筑設計要放棄盲目使用新建材，堆砌新設備，改為結合新時代社會主要矛盾的變化，以人們對美好生活的需求為出發點，提升綠色建筑的實用性和舒適性。想要達到這一要求，一般要從建筑的被動式設計和主動式技術措施入手。被動式設計是通過建筑設計的本身，采用自然通風，自然采光，調整建筑窗墻比，利用遮陽，增厚墻體、屋面的保溫以阻擋熱的輸入，提升建筑圍護結構的密封性能等措施及其衍生的措施和方法。主動式技術措施則是通過技術創新來降低設備能源消耗需求或提高設備能效的方式，如太陽能熱水、太陽能光伏、節能空調等。其中對被動式設計的充分利用，能更好地降低綠色建筑的能耗，提升使用者的舒適度。好的被動式設計離不開數字模擬的支撐。

2 數字模擬方法

2.1 數字模擬的分類

在進行綠色建筑的被動式設計時，風環境法、光環境法和聲環境法是最為常用的幾類數字模擬。

風環境法往下還可細分為室外風環境模擬和室內自然通風模擬[1]。室外風環境模擬主要是根據建筑所在區域的地形、氣候進行模擬分析。室內自然通風模擬一般在室外風場計算完成的基礎上進行，提取各個窗戶表面風壓，作為室內分析的初始邊界條件進行模擬分析。其主要用到的模擬軟件有PHOENICS、建筑通風VENT。在模擬過程中氣象參數扮演者最為重要的角色，對最終結果的精確有著至關重要的影響。

光環境法同樣涉及到室外光環境和室內采光兩個部分。室外光環境主要模擬的就是建筑的日照情況，根據指定地塊所在的經緯度范圍，計算該地塊在某段時間內，可被太陽照射到的時間長度。室內采光主要是模擬建筑當前門窗的大小、建筑結構、裝修情況是否能使得建筑內部得到適宜的光線。其主要用到的模擬軟件有Autodesk Ecotect Analysis和Daysim等。在模擬過程中，建筑外部遮陽和內部飾面顏色對最終結果有較為關鍵的影響。

聲環境法亦可分為室外聲環境和室內聲環境。室外聲環境模擬受建筑周邊交通情況影響較大，需對建筑周邊道路建設、車輛通行情況事先要有一個詳細的了解。室內聲環境模擬則是針對建筑本身圍護結構隔聲性能做的分析。

2.2 數字模擬的意義

數字模擬依靠電子計算機，通過數值計算和圖像顯示的方法，達到對各項工程問題展開針對性的研究。具有可靠性高，投入成本低，實現周期短的特點。能在建筑設計初期為設計師們大大減少試錯時間，從而提升設計效率。

3 數字模擬在綠色設計中的應用

3.1 數字模擬在綠色建筑設計中的具體應用

接下來以常州新地標-常州市文化廣場項目為例，來具體說說各類模擬在綠色建筑中的具體應用情況，如圖1所示。

圖1 項目實景圖

常州市文化廣場建筑群由4棟12層建筑和6棟10層建筑組成。南側4棟建筑造型較為傳統是新的常州市行政服務中心，北側6棟建筑造型較為新穎，造型創意取自江南拱橋，通過不同的轉向，形成月亮橋形態建筑入口，呈現“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，各自承擔的不同的功能需求，分為圖書館、美術館、文化產業用房。

3.1.1 建筑模型的建立

在進行數字模擬之前，首先要進行建筑模型的構建，這在數字模擬中是比較關鍵的一個環節[2]。在這一過程中，需要設計師們依據平面圖紙的數據構建三維的建筑模型。模型建得與圖紙越相近，模擬結果的準確度自然就越高。但并不提倡一味地追求復雜的建筑模型，還是要根據模擬類型，有針對性地進行模型構建。

如文化廣場項目北側6棟樓，在進行風環境模擬時，可以將復雜的建筑圖形簡化至只有墻體、門窗等重要部位。同時還要考慮目標工程周邊建筑對于氣流的阻擋，簡要構件下周邊建筑的三維模型。

而進行光環境模擬時，除了墻體、門窗等重要部位，建筑外立面上的遮陽構件等也需一一建立模型。原本建筑遮陽是為了避免陽光直射室內，防止建筑物的外圍護結構被陽光過分加熱，從而防止局部過熱和眩光的產生，以及保護室內各種物品而采取的一種必要的措施。其減少了直射室內的陽光，必然對建筑采光產生不可忽視的影響。

3.1.2 關鍵數據的輸入

其次是數據的輸入。根據想要進行的模擬分析類型，輸入對應的計算參數。如進行風環境模擬，需根據各地區風向玫瑰圖確定當地對應季節的主要風向和平均風速，并添加到場地的設定中。

再如進行采光模擬時，需在構建模型時明確建筑朝向及各外窗遮陽措施情況。同時建筑內各房間頂棚、墻面、地面所用涂料的反射比對采光效果的影響也不可忽視。

3.1.3 模擬結果的分析

最后，根據各項數字模擬得出的結果，我們可以在既定的氣候、地形條件下調整我們建筑的朝向、高度、樓棟數、窗墻比、圍護結構構造等等。

從室外風模擬圖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

在冬季典型風速和風向條件下，建筑物周圍人行區距離地面1.5m處風速均小于5m/s，風速比較均勻，無明顯過大處，室外風速放大系數均小于1，保證了舒適的室外活動。

在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，場地內人活動區有小部分渦旋存在，但無通風死角。

綜上可見，常州市文化廣場項目場地內風環境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風，場地規劃和建筑排布符合實際需要。

從室內采光模擬圖4及表1-表2可以看出：

圖4 八層室內采光系數模擬效果圖

表1 八層室內采光系數計算表

表2 九層室內采光系數計算表

八層主要功能空間室內采光系數大于2.2%的區域占主要功能空間總面積的19.81%，不能夠滿足規范要求。

九層主要功能空間室內采光系數大于2.2%的區域占主要功能空間總面積的64.81%，不能夠滿足規范要求。

綜上可見，辦公樓8層和9層因為周邊建筑遮擋嚴重致室內采光效果不佳，建議設置天窗使得室內采光照度及采光時長滿足人們日常生產生活所需。

建筑離城市主干道較遠，且周邊有品種繁多的綠化植被，對交通噪聲進行了良好的阻隔，項目場地內環境噪聲符合現行國家標準《聲環境質量標準》GB 3096的有關規定（如表3）。

表3 參評建筑達標統計 單位：dB（A）

由此可見，通過數字模擬發現建筑存在的潛在問題，從而有針對性地優化設計確實可以提高綠色建筑設計的合理性和實用性，給在建筑中工作學習的人們帶來舒適、健康、安寧的使用體驗。

3.2 數字模擬在綠色建筑設計領域的發展前景

數字模擬技術的各類軟件都是將地理位置信息、氣候氣象信息作為計算依據開始的[3]。在實際應用的過程中不難發現，軟件自帶的地點選擇是十分有限的，想要自行補充相關數據，查找和計算的工程量又十分浩大，在此情況下往往采用相近的地點信息進行模擬，而這帶來的影響就是計算結果存在偏差。隨著我國社會的進一步發展，數據的多樣性呈爆發式增長，數字模擬在綠色建筑設計過程中的優勢正逐步顯現，可靠性高、成本低、周期短、靈活性強等特點是數字模擬技術在綠色建筑設計中擁有廣闊發展前景的重要保障。

4 結語

隨著我國生態文明建設和建筑科技的快速發展，對建筑可持續發展的要求也越來越高，數字模擬技術運用到綠色建筑設計中，可以有效提升綠色建筑設計的合理性和實用性，充分發揮綠色建筑在資源節約、健康宜居方面的積極作用，促使我國建筑行業進一步平穩健康發展。