ARCHICAD 參數模擬對建筑圍護構件實施綠色設計研究

陳婷 沙愛敏

（揚州市職業大學土木工程學院，江蘇揚州 225009）

1 概述

在十九屆五中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二零三五年遠景目標的建議》特別強調，要發展節能綠色建筑。提到建筑的節能，首先需從建筑的圍護構件考慮，有效的減少圍護構件的熱傳導，提高建筑各圍護構件的保溫隔熱性能是降低建筑碳排的有效途徑，也是實現建筑節能的基礎和關鍵環節。建筑圍護構件主要有墻體、屋頂屋面、門窗等構件。對建筑進行綠色改良性方案就從這三個圍護構件的性能進行考量。

如何能夠在盡量避免減少實地利用各種儀器勘測所耗費的人力和時間的情況下，對建筑外圍護構件進行能耗的數據模擬，比對分析出最佳保溫特性優化方案，就可以借助于各類建筑能耗軟件。常見的建筑能耗軟件有許多種，各種軟件各有其優勢和特點，有英國DesignBuilder 公司開發的DesignBuilder 軟件，這款軟件從建筑整體規劃起就開始考慮對建筑環境進行全面動態能耗考量；清華大學自主研發的Dest 軟件可以對建筑全周期的逐時監控，掌控能耗的變化，英國Square One公司開發的Ecotect 軟件可以進行熱工、日照、照明、聲學模擬。美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的DOW-2 軟件則可以采用反應系數法計算圍護構件的熱量傳遞與損耗[12]。本文選擇Autodesk 公司開發的ARCHICAD 軟件，對建筑中圍護構件的熱工性能進行模擬，用于圍護構件的材料與構造形態的選擇與應用，另外，ARCHICAD軟件還可以實現能量評估，評估其環境、氣象、能量成本、能量模擬等參數。對于維持建筑舒適度的綠色能源獲取設備，例如太陽能采暖，可以根據輸入該建筑所處的朝向方位，設置不同的屋頂屋面角度，模擬所能獲取的中央太陽能熱量的采集，對該屋頂的構造設計是否符合低碳建筑需求。并且可以設置其所使用的建筑面積，這些參數可以根據能耗的情況隨時進行調整，最終得到最佳的低碳綠色建筑的設計方案。

2 圍護構件的綠色改良

2.1 墻體的改良

2.1.1 保溫墻體的構造形式

對墻體的保溫構造主要分為中填保溫材料外墻、內保溫外墻、外保溫外墻等幾種保溫方式（圖1）。如今的新建建筑，在進行外墻設計時一般都會采用保溫隔熱墻體，建筑外圍進行貼保溫層等相關的節能改造。而許多現有老建筑在原先修建時則不具備保溫功能，后期進行建筑功能改良時則需要對其進行保溫隔熱性能的提升做法，一般常用的方法是在外墻內側或者外側貼上保溫材料，降低墻體整體的導熱系數，防止室內冷熱溫度的散失。

圖1 保溫隔熱墻的構造形式

外保溫外墻是目前相對運用的較為廣泛的墻體保溫構造形式，因內部基層在室內，受到空氣的直接作用相對較小，可以更好的發揮其蓄熱性能。墻體外部進行保溫隔熱層的設計可以避免冬季冷風和夏天太陽熱輻射的影響，達到冬暖夏涼的室內感知效果。

另外，外保溫可使得內部的實墻免受室外溫差的影響及風霜雨雪的侵蝕，從而減輕墻體裂縫變形破損以延長墻體的壽命。外保溫做法不會影響室內裝修層，維修也較為容易。

2.1.2 保溫墻體的材料

保溫墻體的材料具有多樣性及不斷更新性，ARCHICAD 軟件可以根據用戶及市場的需求，不斷對其材料模塊進行適時升級。目前，聚苯板是一種常見的墻體保溫材料，在南北方的很多外墻保溫體系中都會經常使用。改良后的擠塑型聚苯乙烯保溫板是近年來開發的保溫材料，穩定性很好，可連續服役40 年以上，擁有優異的防腐性能，耐老化。還有酚醛泡沫板，也是很好的保溫隔熱材料，在建筑圍護構件中得以廣泛使用，它的導熱系數很小（＜0.025W/m·K）具有典型的有機高分子材料的耐酸、抗腐蝕性能，并且酚醛泡沫板的密度小，既輕便又耐用。復合發泡水泥板的原材料就是市面常見的硅酸鹽水泥，通過對水泥的發泡處理后得到的具有多孔蓬松結構的水泥板材。目前還有集聚高科技高性能的石墨聚苯乙烯基板已逐漸出現在建筑業的高端市場，石墨聚苯乙烯基板的密度是18Kg/m3，導熱系數為0.030W/（m·K），板體的豎向抗拉強度為0.06MPa，其不僅具有隔熱保溫之效，還能存儲熱能，使得建筑室內溫度恒定。

2.1.3 保溫墻體厚度的選擇

墻體的厚度直接影響了建筑的保溫隔熱效果，那是不是墻體越厚保溫效果就越好呢，我們利用ARCHICAD軟件進行了不同厚度墻體的溫度變化模擬，發現在冬季取暖狀態下，同種保溫材料的墻體，厚度決定了其保溫效果的好壞。而對不同種類的保溫材料，其性能決定了墻體厚度的選擇。在夏季，外圍護結構白天接收太陽輻射而升溫蓄熱，夜間向室內外放熱；即夏季白天盡量減少熱量由室外向室內的傳遞，夜間室外溫度下降時，需讓室內熱量盡快向室外散發出去，而如果由于墻體厚度設置的保溫效果太好，就可能導致保溫層在外側阻礙了墻體向室外散熱，反而會增加制冷負荷，此刻能源損耗增大，即出現反節能現象。

通過軟件數據比對發現，在日光狀態下墻體的保溫效果是和墻體的厚度成正比的，但達到墻體最佳厚度時，再通過增加墻體厚度來增加保溫效果不明顯。根據周期性外部溫度對建筑產生影響的數據分析發現，墻體外層厚度約為350mm 處，會隨著室外溫度的高低成周期性的變化，往內150mm 處則為墻體保溫的穩定層，及在這個范圍內的墻厚給建筑帶來的室內溫度區別變得較微弱。

2.2 門窗的改良

門窗是建筑的重要組成部分，就能耗來說，門窗的耗能占到圍護構件耗能的40%。因此，推廣使用節能門窗不僅可以讓居住者享受更舒適、方便健康的生活條件，也有利于保護生態環境，節能環保。門窗的節能措施主要為提高材料（玻璃、窗框材料）的光學性能、熱工性能和密封性。另外就是注意門窗的朝向和位置的設計。

在嚴寒地區必須選擇U 值很低的窗玻璃。低輻射鍍膜三玻甚至四玻(中間真空),Ug≈0.35～0.5 W/ (mk),是降低建筑能耗的核心組件。同時配上高度隔熱的窗框。在夏熱冬暖地區，必須慎選窗玻璃。需同時兼顧高日光透射率(例如:0.6 )與低太陽得熱系數(例如: 0.3)。窗戶安裝的正確位置是在保溫層內。這能顯著減少熱橋的影響。將窗戶安裝在砌體或混凝土層內，將嚴重破壞高質量窗戶的隔熱性能。建筑設計的外表面對封閉體積的比(體形系數)很小。設計的其他圍護構件方面也都得到優化。大多數窗戶都盡量設在南立面，冬季可獲得很多太陽輻射，夏季則相對較少。

2.3 屋頂的節能措施

屋頂的節能措施可以通過優化屋頂保溫隔熱材料及調整屋頂的構造方式兩種途徑來實現。從設計角度分析，節能屋頂主要有屋頂架空、種植綠化屋頂、蓄水屋頂、架設保溫隔熱層屋頂、以及一些集成類的高科技屋頂。屋頂的保溫隔熱材料一般會采用一些導熱系數小的輕質材料用作保溫，如膨脹珍珠巖、玻璃棉等。也可以在屋頂屋面的防水層上鋪設和墻體保溫材料一致的聚苯乙烯泡沫等。利用反射散熱的原理，屋頂表面可以刷鋁銀粉或采用表面帶有鋁箔的卷材，或者鋪設鋁鈦合金氣墊膜等來進行隔熱。

3 ARCHICAD 幫助下的圍護構件設計

3.1 設計合理的節能墻體方案

在ARCHICAD 軟件中將設計好的建筑模型導入，包括墻體材料中保溫隔熱材料的選擇，墻體的厚度，均在建模時加入考慮，如在設計外圍護墻體構件時，是選擇的中填保溫材料外墻、內保溫外墻、外保溫外墻的哪種構造樣式。將保溫材料設計在墻體的外表面、居中、內表面的何處，并根據需要設計各構造層的厚度。

對不同位置的需要做保溫隔熱處理的墻體設置其ID 屬性，對其厚度、材料、作用區域進行設定，在ARCHICAD 軟件進行墻體的能量損耗評估后可隨時調整墻體的材料及厚度搭配。以及建筑成本的運算，最后選出最為優化的墻體搭配方案（圖2）。

圖2 ARCHICAD 軟件中墻體各類屬性的設置

3.2 設計合理的節能門窗方案

門窗在圍護構件中屬于通風透氣的功能，建筑設計時門窗的設計位置對建筑節能起著重要的影響。在ARCHICAD 軟件中選擇適合造型的窗戶模型，首先選擇吸熱、熱反射、中空的玻璃窗類型。然后對其玻璃材料的選擇、窗戶的厚度、窗框材料的選擇、自然通風的位置（窗戶的開啟方向）、材料邊緣封條的選擇、和墻體的相對位置關系以及尺寸等信息進行進一步的調整，得出較為合理的門窗節能設計方案（圖3）。

圖3 門窗設計的細節調整

影響門窗構件能耗的還有一個因素就是門窗朝向及位置的設計，風向的選擇，ARCHICAD 軟件可以根據谷歌地圖定位出任何需要設計的建筑所處方位，精確模擬出各方位的建筑受風情況，給出較為優化的門窗方向設計方案，并且可以可以模擬出其能量損耗信息，根據其模擬的數據信息，及時調整窗戶的上述屬性，得到滿意的節能建筑門窗設計方案（圖4）。

圖4 門窗的朝向和能耗

3.3 設計合理的節能屋頂方案

屋頂的方案設計也和墻體類似，首先，選擇合適的屋頂類型，如坡屋頂（屋頂的角度）、平屋頂，以及屋頂所選用的材料。選擇屋頂造型時，一般除了對其保溫隔熱屬性有所要求外，對其防水性能也需進行綜合考量。ARCHICAD 軟件中可導入目前可用的屋頂防潮防水薄膜，通過系統計算材料的導熱性、密度、熱容量、儲存能量、碳排放量等參數進行考量設計。

4 結論

ARCHICAD 參數除了可以指導建筑圍護構件的節能設計，還可以對建筑內部的主動能源獲取方式和能耗進行數據模擬，ARCHICAD 軟件會根據你選擇的加熱或制冷方案進行測算。如溫度供給多少，損耗多少，返回多少給出具體的模擬數據，我們可以根據這些數據選擇合適的能源獲取方案。

另外，建筑所在地的氣候特征、空氣潮濕度、日照輻射等的設定溫度不同均會對建筑保溫的節能效果產生影響。間歇用能不一定會比長時間段用能更加節約，如何在恰當的時間段進行有效能源的使用，才是建筑節能的關鍵。我們可以在經過前面對圍護構件的構造層次與各類保溫材料的選擇與優化搭配后，用ARCHICAD 軟件進行建筑模型的搭建，然后對所建的建筑模型的外圍護構件進行根據當地的氣候特點輸入潮濕度和空氣溫度，并且可以模擬出合適體感溫度的能源獲取方案以及使用時長。

利用ARCHICAD 軟件中的能耗參數模擬功能，可以幫助解決外出進行建筑調研時所受到的季節、城市、儀器調研所帶來的局限性，選擇較為全面的綠色設計方案，也可以對通過前期調研已經設計好的建筑環境進行數據模擬修訂。