建筑环境模拟综述

曾龙炜 （福建水利电力职业技术学院建筑工程系，福建 永安 366000）

1 研究背景

1.1 当前绿色建筑的现状与发展

当今世界关注的一个非常热门的话题是建筑节能，该热点同时也是目前节能领域研究课题的一个重点。经过统计在西方发达国家中，占比社会总能耗的30%～45%为建筑能耗。目前我国建筑能耗已占国家总能耗的20%～25%，并且朝35%大关稳步爬升。根据国家相关部门统计，我国现有建筑面积近430亿m2，高耗能建筑占比约有95%，且高能耗类型建筑在每年新增建筑面积中占比仍然高达80%以上。我国建筑能耗远高于发达国家，主要表现：①在缺乏建筑能源获取与消耗方面研究和相关标准，刻意强调降低建筑建成成本，以致建筑用能效率较低；②过去我国对建筑节能缺乏相关认识，经过这几年的节能推广，国民节能意识在逐步提升。

为此就建筑环境而言，如何进行节能减排、水资源的合理性利用与室内环境质量改善等问题越来越频繁的摆在了社会发展面前。因此，当今绿色建筑研究领域的研究是如何实现建筑的环保与节能减排[1]。

绿色建筑由理念到实践，在发达国家中绿色建筑研究逐步完善，形成了体系化的设计方法，评估体系，各种新技术、新材料层出不穷。通过技术人员不懈的实践与探索，大量工程技术被攻关成功后，我国的绿色建筑行业逐渐步入快速发展的大好年代。虽然攻克了很多技术，但是现阶段的经济意识及技术积累厚度与国外对比的不足，其严重制约着我国绿色建筑的普及发展及应用，是我国绿色建筑行业目前需要面临诸的多问题。

伴随着世界经济的大发展，我国的城镇绿色建筑发展中面临诸多复杂问题，需要引入新技术和新方法。作为当前中国建筑业的两大发展趋势，BIM和绿色建筑具有许多相同或相似的理念。在阐述绿色BIM相关研究与实践的基础上，对BIM与绿色建筑的高效整合进行了分析，探讨了BIM在绿色建筑中推广应用遇到的主要障碍并提出合理的解决方案，认为我国建筑业应尽快推动BIM在绿色建筑中更广泛和深入的应用，从而实现绿色建筑高效、协作和可持续设计，进而促进绿色建筑的普及和生态城市的发展。

1.2 BIM技术的研究现状以及发展趋势

BIM信息化技术是通过建筑信息建模 (Building Information Modeling)、建筑信息模型 (Building Information Model)、建筑信息管理(Building Information Management)三个功能部分组成，是创建并利用数字信息模型支持项目全生命周期的技术、方法和过程。BIM是信息化技术在建筑业上的直接应用，该技术可应用于建筑的建设设计、施工、运营管理等整个建筑生命周期，将BIM信息化技术在应用上进行有效整合，深度融入到绿色建筑，进而将建筑性能进行全面的提升，从而去实现绿色建筑设计的可持续发展。该技术可以为绿色建筑的节能规划设计、环境性能评估以及运营阶段的能耗模拟及建筑室内外环境舒适性提供了强大而有效的技术支持。

绿色BIM将会成为建筑业未来发展的大趋势。其中一个目标是从项目各个层面上实现可持续性发展，提高建筑能效目标的BIM工具的使用的将绿色建筑与BIM的有机结合起来的定义被美国一家专业从事该方面研究的大公司麦格劳—希尔建筑信息公司在2010年的时候创新性的提出——“Green BIM(绿色 BIM)”。

2 研究目的和意义

2.1 研究目的

科学范畴上定义的建筑环境：是指建筑在其全寿命周期内对环境（设备、空气、水、土壤和生物等各方面）的包含了各物理及化学综合影响的总量，其包含了从原材料上的获取和运输过程，建筑材料的生产制造、运输和安装过程，建筑工程的设计，建设施工、建筑运行、建筑维护以及最后的建筑拆除等全周期中对环境的全部影响[2]。

建筑环境性能模拟技术，指的是依靠CFD,ECOTECT,Designbuilder等建筑环境性能模拟软件的使用，仿真获得建筑物实际当中的各种工作情况和性能表现，然后通过编程运算仿真，获得建筑物环境性能模拟等舒适性所需的大数据。建筑环境性能模拟技术在建筑物能源消耗分析与优化提高和建筑环境设备系统性能分布上的分析和优化提升等方面上发挥积极重要的作用。伴随着人类对提高环境质量建设的要求，加大了对建筑节能的关注度，建筑环境性能模拟也愈来愈成为建筑行业可持续发展上设计、评价、分析工作中必不可缺的重要工具之一，并在更多更广的领域发挥了重要作用。

本项目研究的目的就是在于如何通过基于BIM条件下的环境性能模拟为绿色建筑的规划与设计成果环境节能性能和照明、热环境设计效果的直观演示，使设计者对自己的设计有一个更直接的感受与体验，通过这个技术，可以极大的促进当地绿色建筑的设计能力和设计水平。

2.2 研究意义

在通过借鉴和吸收国内外相关绿色建筑评价具体标准，评价详细内容、评价方法以及实际工程案例，然后充分的去考虑绿色建筑评价体系的发展趋势的正确方向，提出一种与以往不同的绿色建筑环境性能评价的新思路。通过引入BIM技术，结合相关软件和各评价体系，找出影响建筑环境性能的代表性因素，构造适用于我国绿色建筑的环境性能评价指标体系，并且探寻绿色建筑评价体系的方法，以求能够达到减少环境负荷，提高能源利用率和建筑舒适度的目的，并为建筑设计师的设计工作提供科学指导，为管理决策部门提供可考核的办法，倡导建筑行业健康发展[3]。

通过环境性能模拟软件可以对建筑能耗、室内舒适性、建筑风环境、声环境、太阳能系统、光环境、室内气流组织、室内污染物分布等进行建筑环境性能模拟；可以对围护结构与围护结构材料热工特性进行设计分析并选择合理方案；可以对环保低耗、高效的建筑设备使用系统进行论证设计分析；可以对建筑节能方案的制定评估、天然新能源系统的方案选择、节能产品生命周期内的能耗分析与节能潜力探寻等建筑环境性能模拟与分析。通过计算机模拟来预测建筑物完工后的物理环境，为评价室内环境舒适度和建筑能耗水平等提供必要的定量支持。设计人员可以通过仿真模拟与评估，找出方案中的缺漏，在规划设计的早期阶段不断调整，修改和完善建筑方案的缺漏。因为建筑自身及其环境系统的复杂性与不确定性，仅凭经验感觉或简单的计算是无法准确判断绿色建筑规划与设计方案的长短利害，因此，运用建筑环境模拟技术对方案进行模拟分析是绿色建筑规划与设计的重要方法。

3 研究内容与方法

3.1 研究内容

建筑环境的表现性能是通过建筑地理位置、地形条件、室外气候条件、建筑物围护结构的性能、室内建筑设备系统工作情况，以及室内外通风条件等因素综合作用影响来决定的。建筑环境控制系统的运行需要随着建筑环境性能的实际情况的变化调整相对应变，进而去满足建筑环境性能方面上的功能需求[4]。对此，本文基本遵照“提出问题——分析问题——解决问题——复核校正”的研究问题方法，通过对绿色建筑设计全过程以及全生命周期过程中各种专业模拟软件和模拟方法的研究。

3.1.1 建筑能耗模拟

建筑环境能耗模拟是分析各种环境和气象参数及各个用能设备系统下的建筑物的能耗。因为能源消耗直接关系到经济效益，能耗模拟仿真分析应当从技术经济的角度及技术合理性区去综合选择最适合当地气候的设计方案[5]。例如对于福建地区处在夏热冬暖气候区及夏热冬冷气候区，利用能耗模拟可以有效分析建筑保温、遮阳、通风与隔热所带来的节能效果,为建筑师选择方案提供科学的方案参考。

3.1.2 光环境

建筑环境质量优良衡量的一项非常重要的硬性指标是建筑采光，同时建筑采光规范的强制约束。为了较好的去保证建筑使用者身心健康，同时也保证室内卫生，提高室内环境质量的前提条件是要让建筑获得充足的日照时间。对日照质量作出合理评价，是可以借用通过光环境的仿真模拟技术，在该技术的支持下，也可以通过该技术手段对规划方案提出修改要求，以满足建筑采光需求。

3.1.3 通风模拟

建筑通风模拟技术是通过以计算流体力学（CFD类软件）的相关理论知识与计算方法为基础，它是以空间为范本，将其划分为模拟计算所需要使用到的一定需求数量的三维网网格空间，然后通过使用较为完整的方程控制去具体表述每个立体网格空间内有关变量之间的联系，其后通过将这些变量方程联立去迭代求解计算获得空气温度、湿度、风速、有害物浓度等所需要的相关变量关系，最后建立起三维空空间网格内所有的变量之间联系。建筑通风模拟的对象可以是整个建筑群体，也可以是对单个房间室内通风模拟的设计[4]。

3.2 拟解决的问题

在我国的绿色建筑环境评价当中，有一些项目是通过专家的打分评定来确定绿色合格度的，这就在一定程度上使得评定结果带有人为操作的因素，使评价结果不客观，因此需要尽量把一些当前的非量化指标通过使用BIM技术输出的建筑物具体信息来评判，确保在绿色建筑环境性能评价上做到客观，有理有据。

本项目研究的目的就是在于如何通过基于BIM条件下的环境性能模拟为绿色建筑的规划与设计成果环境提供一个比较直观的效果展示，使设计者对自己的设计有一个更直接的感受与体验，通过这个技术，可以极大的促进当地绿色建筑的设计能力和设计水平。结合实际工程案例，拟解决的问题有：①寻找建筑环境性能评价与分析的新途径及体系，优化对绿色建筑可持续发展设计过程，提高可持续发展建筑设计水准；②对某学院校史馆进行建筑环境模拟。

4 结语

建筑可持续发展是目前的热门话题,真正的绿色建筑应在设计阶段就达到绿色建筑标准。对在方案初期，设计阶段上的建筑可以进行虚拟化建模、数字化实验，可以通过建筑环境模拟结果去评判建筑的合理性或者建筑竣工后的实际运行效果，从而让绿色建筑更加绿色，更加合理。