自然室溫參數驅動的BIM建筑設計研究

楊美媛，秦以鵬，張偉捷

(河北工程大學城市建設學院，河北邯鄲056038)

隨著經濟與建筑業的快速發展，給建筑等行業既帶來高速發展的機遇，也帶來巨大的挑戰。面對日益復雜的建筑項目、激烈的市場競爭以及對工程質量要求越來越高等問題，全面應用BIM技術將顯著提高工程項目設計、施工、運營全生命周期的質量及效率，降低成本，提升集成化程度，并產生巨大的經濟和社會效益［1］。建筑室內環境參數不僅對人的熱舒適性的感受產生影響，而且與建筑能耗的大小有直接關系。在建筑設計的方案階段，研究和確定建筑室內環境參數(譬如自然室溫)與建筑設計要素之間的關系，在室內環境參數的指導和制約下，及時調整建筑設計要素的設置，對建筑本體的節能設計意義重大［2］。

為了說明建筑環境參數(自然室溫)驅動的BIM建筑優化設計的研究思路和實施方法，本文結合一個方案階段設計的模型示例加以說明。

1.1 模型建立

本文利用BIM軟件Revit MEP中建立的模型建筑如圖1所示，建筑物為南北朝向，地點為北京市，總建筑面積為500 m2。選取三層辦公樓中的頂層南向最西端的一個房間為研究對象。

1.2 設定參數

建筑地理位置氣象參數 :經度:東經116.3度;緯度:北緯39.8 度。

室外氣象參數:室外氣象計算參數采用了北京地區典型氣象年的室外氣象參數。根據建筑熱工分區，北京市屬于寒冷地區。夏季空調室外計算干球溫度:33.2℃;夏季空調室外計算濕球溫度:26.4℃。

利用Dest模擬時間為夏季設計日(7月4日)14:00(7月4日為夏季空調設計日，14:00為一天中室外溫度較高的時刻，即室內外溫差對建筑物的作用較明顯的時刻)，將其部分模擬結果作為邊界條件［3］(氣象參數來源于Dest所帶的氣象數據庫)。

室內熱源。設備及照明發熱量:電腦為70 W/臺;電燈為15 W/盞。人員散熱量:室內人員活動強度參考辦公室打字人員，按每人60 W。由于本文設定室內人數不多，潛熱忽略不計。

本文暫不考慮機械通風對室內自然室溫的影響。

2 正交試驗

試驗目的:本文的試驗是為了找到影響自然室溫的建筑設計因素取值范圍，以便指導設計工作的進行。

指標確定:以自然室溫為指標。

因素選取:窗墻比(A)、外遮陽系數(B)、外墻傳熱系數(C)、屋頂傳熱系數(D)、外遮陽板深度(E 可分為500 mm、1 000 mm、1 500 mm)、玻璃類型(F可分為普通玻璃、Low－E玻璃、中空玻璃)這6個建筑設計因素，每個因素的取值選了3個變化水平。將所挑選的因素及變化水平列成表，如表1。

本文選用了L27(36)型的正交表，不考慮因素之間的交互作用。

列出試驗方案表，將各個因素及其水平值列表，如表2。

表2 中K1=因素所在的列中數碼“1”所對應的指標之和，K2=因素所在的列中數碼“2”所對應的指標之和，K3=因素所在的列中數碼“3”所對應的指標之和，T=所有試驗所得自然室溫之和，極差 RA=max(K1、K2、K3)－ min(K1、K2、K3)［4］。

試驗結果分析。根據正交法原理，由各因素方差的大小，可判斷因素的主次順序和最佳水平。K1、K2、K3分別表示每個因素各水平下的平均值。通過比較各水平的效應值，判斷因素的A對自然室溫影響顯著［5］。K值越小，說明該水平造成的試驗結果的方差越小，均勻性越好。如圖2a－f所示為自然室溫隨每個因素三水平變化關系。從圖中可以看出，建筑物的自然室溫是隨著窗墻比的增加而升高的，而玻璃、墻、屋頂的傳熱系數對于自然室溫的影響達到一定值后則出現傳熱系數越大室溫越低的情況。遮陽對于自然室溫的影響則與玻璃、墻、屋頂相反。

本文所要求的自然室溫指標越小，夏季室內就越舒適。所以根據極差所得的因素主次順序為A→B→D→C→E→F。選擇各個因素中影響最小的水平，可以選出最優方案為A1B2C3D3E2F3。通過Dest對該設計方案進行模擬可得自然室溫為31.66℃，為所選取實驗方案中的最小值。

表1 影響因素及變化水平取值Tab.1 Table of the factors and the levels

表2 正交實驗表Tab.2 The orthogonal table

表3 各因素范圍取值表Tab.3 Table of factors

3 自然室溫參數驅動

環境參數驅動是以環境參數為某個函數的自變量，而建筑本體要素則是函數的因變量，通過改變環境參數來整合建筑的材料及結構設置，從而獲得不同的建筑設計方案。環境參數驅動的BIM建筑設計，有可能成為建筑設計變革的最大亮點之一。利用建筑本身的隔熱、保溫、通風等性能來營造和調控室內熱環境［6］。在建筑物正常使用條件下，沒有采取強化通風、采暖或空調等方式來改變室內的熱濕狀況，在這樣的條件下形成的室內空氣溫度稱為自然室溫，它反映了建筑圍護結構抵御外界氣候的一種固有特性［7］。

建筑物自然室溫的研究將為被動式節能建筑提供設計依據，在滿足室內熱濕環境要求的條件下更加有利建筑節能。如果建筑物自然室溫呈現出冬暖夏涼的特性，這就為人們不用或少用采暖或空調設備提供了條件，建筑設備的能耗將大為降低。

本文27次試驗結果中各因素的取值范圍以及試驗結果得出的自然室溫范圍如表3。

筆者以建筑所要求的的自然室溫為參數驅動，在滿足自然室溫范圍內選取適合的窗墻比、內遮陽系數、外墻傳熱系數、屋頂傳熱系數、遮陽板的深度、窗的類型。從而獲得不同的建筑設計方案，如表4。

表4 自然室溫表Tab.4 Table of The natural room temperature

以建筑所需自然室溫在35℃ ～37℃為例，各因素的取值可在表4中查詢，即可得窗墻比為0.4～0.5，內遮陽系數為0.5 ～0.65，外墻傳熱系數為0.196 ～0.788(W/m2﹒℃)，屋頂傳熱系數為0.269～1.039(W/m2﹒℃ )，遮陽板的深度為500、1 000、1 500(mm)，窗的傳熱系數為2.4 ～5.7(W/m2﹒℃ )。由此可得多個方案設計，大大減少了設計工作者在方案設計階段的時間與精力，使方案設計更加具有針對性，更加方便簡捷。

筆者選取了以上3個較典型設計方案:bad、best、15號方案進行了計算，計算步驟如上，計算得出冷負荷如圖3所示。

從圖3可以看出，自然室溫最優設計方案和最小夏季冷負荷采取的方案完全相同，均是最小窗墻比、2號墻體、2號屋頂、采用內遮陽為百葉遮陽、外遮陽板深度為1 000 mm、玻璃類型為Low－E玻璃。這也說明了夏季冷負荷取最小值時，夏季的自然室溫同樣也達到了最小。因此，在建筑設計時，若需要夏季空調冷負荷較小，自然室溫也應較低。

4 結論

影響建筑自然室溫顯著性:窗墻比(A)→外遮陽系數(B)→屋頂傳熱系數(D)→外墻傳熱系數(C)→外遮陽板深度(E)→玻璃類型(F);得到最佳搭配方案 A1B2C3D3E2F3，最差搭配方案A3B1C1D2E1F2;自然室溫的取值區間31～32.19、32.23 ～34.43、32.59 ～37.79、35.01 ～38.99、37 ～38、39～40，自然室溫對應的設計因素取值區間如窗墻比0.1 ～0.2、0.2 ～0.3、0.3 ～0.4、0.5 ～0.6、0.6。自然室溫參數驅動建筑設計，在各設計因素區間內取值，能夠使建筑冷負荷降低，從而達到節能效果。

［1］董大綱，張杰，李德英.BIM技術在暖通空調設計中的應用初探［J］.暖通空調 HV＆AC，2013(12):105－109.

［2］DENNIS KNIGHT P.E.，STEPHEN ROTH P.E.，STEVEN L.ROSEN.Using BIM in HVAC design［J］ .ASHRAE Journal，2010:24－33.

［3］晉文，齊靜，張偉捷.基于建筑熱環境數值模擬的優化設計［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2008，25(4):61－64.

［4］趙選民.實驗設計方法［M］.北京:北京科技出版社社.2006.

［5］張偉捷，吳金順.基于正交實驗法的建筑冷負荷影響因素分析［J］.暖通空調 HV＆AC，2006，36(11):77－80.

［6］朱穎心，張寅平，彥啟森.建筑環境學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［7］李百戰，鄭 潔，姚潤明.室內熱環境與人體熱舒適［M］.重慶:重慶大學出版社，2012.