建筑設計中的生態模擬技術探索

悉地國際設計顧問（深圳）有限公司

摘要：在全國能源告急的紅燈下，綠色環保在建筑設計行業得到不斷滲透。在以往的設計當中往往不考慮周邊的環境以及日照等功能，造成了建筑高能耗的產生。本文根據工程實踐，對某建筑的日照、風場、噪聲進行模擬計算，以期達到低能耗、高舒適的要求。

關鍵詞：建筑；生態環保；生態技術

一、工程概述

某建筑區有居住建筑和商業建筑、辦公建筑、酒店等新建建筑，超高層建筑在此區域占有率達70%。為了打造低碳、環保、高效、開放”的生態環境，根據《綠色建筑評價標準》結合空間布局、功能定位和入駐項目使用要求和運營特點，提出了5項物理環境質量指標要求，具體內容見表1。

表1 物理環境質量控制指標和模擬內容界定

物理環境序號指標內容模擬內容

日照環境1既有居住建筑在大寒日的日照時數大于2h居住建筑底層滿窗日照時數模擬分析

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數模擬分析

風環境3地面1.5m高度風速控制達標率100 %風場中風速、風壓、弱風區模擬 分析

4最大限度利用自然通風超高層建筑外窗可開啟高度模擬分析

聲環境5建筑噪聲滿足標準規定，達標率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軟件對本區域日照環境、風環境、聲環境進行模擬分析，根據模擬結果給出調整建議。

二、日照環境模擬分析

（一）新建建筑對既有居住建筑遮擋情況模擬分析

根據相關標準規定：本地區大寒日8：00～ 16：00時間段內居住建筑底層滿窗日照時數不得小于2h。區域內既有居住建筑多個住宅。項目整體日照情況良好，建筑群區域大部分受影響較小，但其中A、B小區受新建的建筑物遮擋較嚴重。通過建模分析B小區的南側1號和3號既有住宅樓，得出日照時間分別為4.8，4，3.2，2.4，1.6 h。1號住宅樓部分住戶的滿窗日照時數不足2h，而3號住宅樓底層窗臺面處的日照時數符合2h以上要求。

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

（二）新建建筑外立面 日照時數模擬分析

本區域所有新建建筑需通過綠色建筑評價標識認證，因此應引導和鼓勵業主使用可再生能源替代常規能源，其中太陽能是與建筑進行一體化建設的最佳可再生能源形式之一，因此須計算分析園區內新建建筑的日照時數，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，為各地塊的建筑設計提供參考和借鑒。新建建筑對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數模擬結果。經模擬計算，不同立面的日照時數不小于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，且整個屋面滿足曰照時數不低于6h要求。

由此可見，此建筑物具備安裝太陽能光伏組件條件，建議業主做好太陽能光伏發電利用設計，確保太陽能資源充分利用。

三、風環境模擬分析

建筑風環境直接影響行人風舒適、室內自然通風效果，以及小區污染氣體輸運。因此，在建筑設計前期有必要進行室外風環境關于風速和風壓模擬，對于建筑風舒適}生和高層建筑外窗可開啟高度評價，兩者是綠色建筑設計的重要環節。

（一）場區風速模擬分析

根據相關標準規定：建筑物周圍人行區1.5m高度風速不超過 5m/s，以免行人舉步維艱或強風卷刮物體撞碎玻璃等事故發生。此外，通風不暢還會嚴重阻礙空氣流動，在某些區域形成無風區和渦旋區，不利于室外散熱和污染物消散，也應避免。多數城市冬季來流風速在5 m/s情況較多，因此以冬季作為工況設置季節。通過對場區風速分布情況進行建模分析，最低風速約1.2m/s，最高風速約3.5 m/s。整個區域風速均為超過綠色建筑評價標準規定的5 m/s。因此區域風環境滿足舒適度要求。最高風速所在地塊可考慮在此區域結合景觀設計，做好迎風面防風復層綠化等手段進行風口處的防風工作。

從整個流場風速分布看，未出現大的渦旋區和無風區影響整個區域空氣質量，但在區內建筑密集區風速較小，通風效果較差，不利于區域內有害物質擴散。因此對密集區進行改善，建議在建筑物底部裙房處采用對外開放式結構，對自然風起導風處理，增強通風效果。

通過對建筑結構優化后可知，建筑密集風速由1.2m/s變為1.75 m/s，增強了原建筑密集區的通風能力，場區內相對通風死角也有明顯改善。因此，對于園區內各主干道及干道兩側建筑物建議裙房1層采用貫通開放式結構，以便于場區內自然通風。

（二）超高層建筑外窗可開啟高度研究

風速限制決定超高層建筑外窗可開啟高度?！秾嵱霉峥照{設計手冊》州規定人體能接受風速為3.5 m/s，根據伯努利方程風速與風壓關系，3.5 m/s風速可換算為6.7 Pa。因此，在風速約束條件下，通過分析建筑立面風壓值確定外窗可開啟高度。

以位于區域中心部位360 m超高層建筑為例，經模擬計算，隨著建筑物高度增加，風壓隨之增加，建筑物水平剖切面設置高度155 m與建筑立面6.7 Pa風壓值相交。由此可知，當建筑物高度超過155 m后建筑立面風壓值將大于6.7 Pa，窗口風速將超過3.5 m/s限值，室內人員舒適度顯著降低。外窗可開啟高度基本在140～150m左右，對區域內超過140m的建筑物，外窗及幕墻均不設可開啟部分，設置通風換氣裝置以保證室內空氣質量及人員舒適度要求。

建筑物自然通風是熱壓與風壓共同作用的結果，由于建筑熱壓受建筑實際設計方案決定，因此本文不針對熱壓進行模擬研究。

四、聲環境模擬分析

核心區內部現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”路網格局。

從聲環境分析可知，區域產生的噪聲在75dB以上，超過《聲環境質量標準》（GB3096--2008）的噪聲限值。區域大部分地塊存在明顯噪聲超標問題，其他路段噪聲均符合要求。

（一）建筑不同方位立面噪聲等級分布及防治措施

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

表2 建筑不同方位噪聲級模擬分析

建筑所在地塊不同方位噪聲級/dB（A）

東南西北

A —O2（外 圍）60606560

A—O865756565

A—0970756570

A—1065757070

A—1170706570

A—1270707065

辦公建筑室內背景噪聲滿足《民用建筑隔聲設計規范》（GB50118—2010）中室內允許噪聲標準的要求。若以辦公建筑允許噪聲級40dB（A）測算，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/dB（A）最大隔聲量要求

東南西北等級/dB（A）對應性能分級

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分布及防治措施

區域多為超高層建筑，不同高度也有不同的噪聲等級。分別40，90，150 m高度區域噪聲分布情況進行預測。區域噪聲分布在40 m以下先是出現衰減情況，在40～90m隨高度增加呈現遞增趨勢，90m以上距離衰減效應顯現。主要原因是隨高度呈遞減趨勢。高處受聲角度大，聲屏蔽效應隨高度越來越小，大范圍聲源會產生疊加效應，使高處噪聲分布出現特異性變化。區域建筑密集，噪聲反射較為嚴重。

建議各地塊業主可根據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、性能的隔聲窗。一方面合理降噪，另一方面可提高經濟效益。

五、結束語

建筑節能減排與綠色建筑是我國可持續發展戰略的重要組成，在設計方案階段應用生態技術方法，這樣能讓建筑設計方案更滿足于綠色環保的要求，不斷推動綠色建筑在區域內規?；l展。