BIM 技術支持下的綠色建筑優化設計

馮禹誠

（常州工學院，常州 213032）

1 前言

綠色建筑是建筑發展的主要方向，通過優化采光、建筑通風等條件，可以有效降低建筑在采暖、照明等方面的能耗，提升建筑的節能水平。在實際工作中，需要考慮不同因素對建筑能耗因素的影響。本文針對某小區工程進行研究，研究使用BIM技術進行建筑綠色優化設計的方法，有效控制了建筑在采暖、照明等方面的能耗，獲得了較好的優化的效果。

2 綠色建筑設計指標分析

2.1 建筑的規劃布局

依據建筑使用特性、內部功能分區、建筑周圍景觀環境、建筑自身工程參數等，進行建筑的整體性指標分析。使用BIM 技術可以建立建筑的可視化三維模型系統，之后可以在綠色建筑的角度對建筑的不同方面開展分析工作，并對建筑的方案進行優化。圖1 為項目規劃的BIM模型。

圖1 某小區項目BIM模型

2.2 遮陽和輻射分析

通過使用BIM技術建立三維模型，并在軟件中導入項目當地的經緯度、氣象數據，之后使用專業的工具分析，可以確定建筑在各個季節的遮陽情況、陰影范圍，并計算建筑立面在不同季節的太陽輻射水平。根據模型的計算結果，可以對建筑的遮陽板、朝向等方面進行優化設計，讓建筑能有效使用太陽能，也提升了建筑的內部舒適度。

2.3 自然通風狀況

根據建筑項目所在地經緯度、氣象數據等，使用BIM軟件可以模擬當地的風速、風環境、風壓等重要因素，獲得建筑項目周圍的空氣氣流狀況，從而分析建筑在不同季節條件下的風速變化，并根據建筑物的模型確定建筑內部通風質量。設計人員可以進一步優化建筑的布局，合理設計建筑的朝向、體型，讓建筑物具備更良好的通風效果。

3 工程介紹

3.1 工程概況

某小區位于內蒙古中部，全市中部為山岳地帶，北部為高原草地，南部為山南平原，地勢具有中間高、南北低的特征，為半干旱中溫帶大陸性氣候。全年平均溫度為7.2℃，年平均風速約為1.2m/s，年降水量422 毫米，年日照總時長2882 小時。

3.2 風環境分析

使用Ecotect 中的Weather Tool 工具導入當地的氣象數據，可以通過圖形了解當地的氣候條件，之后使用風環境分析工具查看當地的風環境氣象水平。通過上述數據分析，當地的常見風速都在20km/h 以下，最大風速為40km/h，來自西北方，但是大風速的出現頻率比較低，僅有100 小時左右。結合對當地各月大風的分析，確定當地夏季7-8 月東南風為主，冬季11-12 月的西北風比較多。除了可以對當地的風速、風向進行分析，還可以分析由于風所導致的當地溫濕度變化，可以確定夏季大風主要來自于南方和東南方，高濕來自于西南方，在建筑設計時可以進行參考。

4 優化分析

4.1 風環境優化

使用CFD 計算原理對項目的風環境進行計算，分析小區內的風環境狀況，并對小區內風環境存在的問題進行優化，確保小區風環境滿足綠色建筑的標準要求。模擬使用通用的k-ε 模型，一部分為湍動能運輸k 方程，另一部分為耗散方程ε，方程為：

4.1.1 劃分計算域

項目需要對風場的大小進行估算。建筑群一般為環繞的長方體或者正方體，在不同的季節下，風力、風向都會有所不同。為了能夠確定建筑周圍風場的特點，選擇夏季和冬季的風向劃定風場的計算域，如表1 所示。

表1 夏季和冬季工況風場計算域

4.1.2 工況模擬

小區的風環境模擬主要目標在于進行主導風向和風力條件的計算模擬，對建筑的建筑防風狀況進行分析，表2 為模擬工況。

表2 模擬工況

在工況1 的模擬結果中，夏季主導的風速為東南風，風速為3.0m/s 和5.0m/s，獲得的距離地面高度分別為1.5m、25.0m 和40.0m 的風速狀況。分析結果中，1.5m 高度下的行人區域流場內風力的分布比較對稱，并不會產生渦流，但是小區內部存在無風區域，在3m/s 的風速下建筑周圍區域的風速為2.4m/s，5m/s 風速下建筑周圍區域的風速為4.5m/s；建筑中層位置25m 和40m 位置的小區內通風效果比1.5m 位置稍好。上述結果并不滿足綠色布局要求，所以需要修改。

針對冬季的模擬，在3.0m/s 和5.0m/s 的西北風場中，周圍區域1.5m 行人區流場分布對稱，所以不會出現渦流，但是小區內部存在無風區，比如小區4 棟周圍無風；3m/s 風速下，建筑周圍區域的最高風速為2.4m/s，5.0m/s 下最高風速為4.5m/s。該結果同樣不滿足綠色建筑標準。

4.1.3 布局優化

為了能夠滿足綠色建筑的設計標準，對建筑進行了優化設計，對小區內部的樓棟進行了格式的優化布置，調整為網格形式，這樣不僅可以優化小區內的氣流環境，而且可以提升夏季的通風效果；對東南和西北迎風方向的位置進行了調整，通過增加風向流入口，提升小區內的通風優化效率。在工況1 的模擬中，小區周圍1.5m 行人區域的流場對稱分布，沒有渦流產生，也不會存在無風區；在工況2 的模擬中，同樣流場分布勻稱，不會產生渦流，也不會出現無風區。針對夏季和冬季的模擬都能夠滿足綠色建筑的標準要求。

4.2 采光分析優化

針對某一棟樓的采光情況進行分析，該樓的層高為3.1m，長度45m，寬度16.8m。通過分析可以進行室內采光系數和光照照度的計算，模型如圖2 所示。

圖2 建筑的環境模型

根據國家標準，居住建筑采光分析的水平參照高度為距離室內地面0.8m，光模擬的天空環境中，會使用陰天參數，并根據當地室外的總照度值6500lux 設定；建筑外表面材料為漆面，自然反光比值為0.75。

4.2.1 模擬工況

對建筑側窗面積分別為2.4m2、2.9m2、3.2m2的情況進行分析，計算出玻璃的可見光透射比為0.55、0.77、0.83，結合單因素條件下室內光照的變化情況，并對客廳和臥室的采光水平進行了模擬分析。

4.2.2 模擬結果

通過對采光系數和照度之間的關系進行擬合，確定采光系數的相關性為0.996，照度的相關性為0.968。根據綠色節能建筑標準要求，側窗采光系數需要超過2.2%，采光照度超過300lux，該模擬結果滿足要求。

對不同透射比下室內采光變化的情況分析，隨著玻璃的可見光透射比增加，采光系數和照度都會有所增加，可見光透射比從0.55m2增加到0.83m2，照度值從312.92lux 增加到421.87。通過對可見光透射比和房間采光照度值之間進行數據擬合，獲得采光系數的相關性為0.998，照度值的相關性為0.997。上述分析結果也滿足綠色建筑標準要求。

4.3 采暖能耗分析

經過計算，外墻導熱系數為0.28W/m2·K 時，建筑的采暖熱負荷最小，為19.24W/m2；在外墻導熱系數為0.54W/m2·K 時，采暖負荷達到25.58W/m2·K。結合全新的建筑建設標準，4 層以上建筑傳熱系數極限為0.4W/m2·K，本工程中選擇的材料為0.28W/m2·K 和0.30W/m2·K，有比較好的節能效果。

針對建筑外窗的分析，對雙層Low-e、普通三玻、雙層玻璃、單層玻璃進行了模擬，其中雙層Low-e 玻璃熱傳導系數最小，單層玻璃熱傳導系數最大。采暖的負荷隨著玻璃熱傳導系數的增加不斷增加，當玻璃熱傳導系數為2.20W/m2·K 時，建筑的熱負荷指標最小，為23.49W/m2；在熱傳導系數達到0.57W/m2·K 時，采暖指標最大為25.12W/m2·K。可見，熱傳導系數在2.20W/m2·K的玻璃比較節能，滿足綠色建筑要求。

4.4 綠色建筑優化方案確定

繼續結合前文分析結果對建筑進行優化，以風環境、室內采光、采暖能耗為較大因素指標，最終確定建筑設計方案中：南向窗墻比為0.3、外墻導熱系數為0.3，外窗導熱系數為2.41，屋面傳熱系數為0.45，側窗面積為3.20，玻璃可見透射比為0.73。經過優化之后，建筑的采暖能耗從之前的23.15W/m2下降到17.47W/m2，采光系數達到5.11%，滿足當地采暖能耗18.5W/m2的要求，發揮了BIM的優化作用。

5 結論

使用BIM 技術結合相關光照、風場分析軟件，可以對建筑的光照水平進行分析，而且可以確定建筑周圍的環境情況，具有比較好的優化效果。在工作中，應該分析當地的環境確定工況，針對不同條件進行分析，能夠實現對采暖能耗、室內通風、采光等不同指標進行優化。