ARCHICAD 参数模拟对建筑围护构件实施绿色设计研究

陈婷 沙爱敏

（扬州市职业大学土木工程学院，江苏扬州 225009）

1 概述

在十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二零三五年远景目标的建议》特别强调，要发展节能绿色建筑。提到建筑的节能，首先需从建筑的围护构件考虑，有效的减少围护构件的热传导，提高建筑各围护构件的保温隔热性能是降低建筑碳排的有效途径，也是实现建筑节能的基础和关键环节。建筑围护构件主要有墙体、屋顶屋面、门窗等构件。对建筑进行绿色改良性方案就从这三个围护构件的性能进行考量。

如何能够在尽量避免减少实地利用各种仪器勘测所耗费的人力和时间的情况下，对建筑外围护构件进行能耗的数据模拟，比对分析出最佳保温特性优化方案，就可以借助于各类建筑能耗软件。常见的建筑能耗软件有许多种，各种软件各有其优势和特点，有英国DesignBuilder 公司开发的DesignBuilder 软件，这款软件从建筑整体规划起就开始考虑对建筑环境进行全面动态能耗考量；清华大学自主研发的Dest 软件可以对建筑全周期的逐时监控，掌控能耗的变化，英国Square One公司开发的Ecotect 软件可以进行热工、日照、照明、声学模拟。美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的DOW-2 软件则可以采用反应系数法计算围护构件的热量传递与损耗[12]。本文选择Autodesk 公司开发的ARCHICAD 软件，对建筑中围护构件的热工性能进行模拟，用于围护构件的材料与构造形态的选择与应用，另外，ARCHICAD软件还可以实现能量评估，评估其环境、气象、能量成本、能量模拟等参数。对于维持建筑舒适度的绿色能源获取设备，例如太阳能采暖，可以根据输入该建筑所处的朝向方位，设置不同的屋顶屋面角度，模拟所能获取的中央太阳能热量的采集，对该屋顶的构造设计是否符合低碳建筑需求。并且可以设置其所使用的建筑面积，这些参数可以根据能耗的情况随时进行调整，最终得到最佳的低碳绿色建筑的设计方案。

2 围护构件的绿色改良

2.1 墙体的改良

2.1.1 保温墙体的构造形式

对墙体的保温构造主要分为中填保温材料外墙、内保温外墙、外保温外墙等几种保温方式（图1）。如今的新建建筑，在进行外墙设计时一般都会采用保温隔热墙体，建筑外围进行贴保温层等相关的节能改造。而许多现有老建筑在原先修建时则不具备保温功能，后期进行建筑功能改良时则需要对其进行保温隔热性能的提升做法，一般常用的方法是在外墙内侧或者外侧贴上保温材料，降低墙体整体的导热系数，防止室内冷热温度的散失。

图1 保温隔热墙的构造形式

外保温外墙是目前相对运用的较为广泛的墙体保温构造形式，因内部基层在室内，受到空气的直接作用相对较小，可以更好的发挥其蓄热性能。墙体外部进行保温隔热层的设计可以避免冬季冷风和夏天太阳热辐射的影响，达到冬暖夏凉的室内感知效果。

另外，外保温可使得内部的实墙免受室外温差的影响及风霜雨雪的侵蚀，从而减轻墙体裂缝变形破损以延长墙体的寿命。外保温做法不会影响室内装修层，维修也较为容易。

2.1.2 保温墙体的材料

保温墙体的材料具有多样性及不断更新性，ARCHICAD 软件可以根据用户及市场的需求，不断对其材料模块进行适时升级。目前，聚苯板是一种常见的墙体保温材料，在南北方的很多外墙保温体系中都会经常使用。改良后的挤塑型聚苯乙烯保温板是近年来开发的保温材料，稳定性很好，可连续服役40 年以上，拥有优异的防腐性能，耐老化。还有酚醛泡沫板，也是很好的保温隔热材料，在建筑围护构件中得以广泛使用，它的导热系数很小（＜0.025W/m·K）具有典型的有机高分子材料的耐酸、抗腐蚀性能，并且酚醛泡沫板的密度小，既轻便又耐用。复合发泡水泥板的原材料就是市面常见的硅酸盐水泥，通过对水泥的发泡处理后得到的具有多孔蓬松结构的水泥板材。目前还有集聚高科技高性能的石墨聚苯乙烯基板已逐渐出现在建筑业的高端市场，石墨聚苯乙烯基板的密度是18Kg/m3，导热系数为0.030W/（m·K），板体的竖向抗拉强度为0.06MPa，其不仅具有隔热保温之效，还能存储热能，使得建筑室内温度恒定。

2.1.3 保温墙体厚度的选择

墙体的厚度直接影响了建筑的保温隔热效果，那是不是墙体越厚保温效果就越好呢，我们利用ARCHICAD软件进行了不同厚度墙体的温度变化模拟，发现在冬季取暖状态下，同种保温材料的墙体，厚度决定了其保温效果的好坏。而对不同种类的保温材料，其性能决定了墙体厚度的选择。在夏季，外围护结构白天接收太阳辐射而升温蓄热，夜间向室内外放热；即夏季白天尽量减少热量由室外向室内的传递，夜间室外温度下降时，需让室内热量尽快向室外散发出去，而如果由于墙体厚度设置的保温效果太好，就可能导致保温层在外侧阻碍了墙体向室外散热，反而会增加制冷负荷，此刻能源损耗增大，即出现反节能现象。

通过软件数据比对发现，在日光状态下墙体的保温效果是和墙体的厚度成正比的，但达到墙体最佳厚度时，再通过增加墙体厚度来增加保温效果不明显。根据周期性外部温度对建筑产生影响的数据分析发现，墙体外层厚度约为350mm 处，会随着室外温度的高低成周期性的变化，往内150mm 处则为墙体保温的稳定层，及在这个范围内的墙厚给建筑带来的室内温度区别变得较微弱。

2.2 门窗的改良

门窗是建筑的重要组成部分，就能耗来说，门窗的耗能占到围护构件耗能的40%。因此，推广使用节能门窗不仅可以让居住者享受更舒适、方便健康的生活条件，也有利于保护生态环境，节能环保。门窗的节能措施主要为提高材料（玻璃、窗框材料）的光学性能、热工性能和密封性。另外就是注意门窗的朝向和位置的设计。

在严寒地区必须选择U 值很低的窗玻璃。低辐射镀膜三玻甚至四玻(中间真空),Ug≈0.35～0.5 W/ (mk),是降低建筑能耗的核心组件。同时配上高度隔热的窗框。在夏热冬暖地区，必须慎选窗玻璃。需同时兼顾高日光透射率(例如:0.6 )与低太阳得热系数(例如: 0.3)。窗户安装的正确位置是在保温层内。这能显著减少热桥的影响。将窗户安装在砌体或混凝土层内，将严重破坏高质量窗户的隔热性能。建筑设计的外表面对封闭体积的比(体形系数)很小。设计的其他围护构件方面也都得到优化。大多数窗户都尽量设在南立面，冬季可获得很多太阳辐射，夏季则相对较少。

2.3 屋顶的节能措施

屋顶的节能措施可以通过优化屋顶保温隔热材料及调整屋顶的构造方式两种途径来实现。从设计角度分析，节能屋顶主要有屋顶架空、种植绿化屋顶、蓄水屋顶、架设保温隔热层屋顶、以及一些集成类的高科技屋顶。屋顶的保温隔热材料一般会采用一些导热系数小的轻质材料用作保温，如膨胀珍珠岩、玻璃棉等。也可以在屋顶屋面的防水层上铺设和墙体保温材料一致的聚苯乙烯泡沫等。利用反射散热的原理，屋顶表面可以刷铝银粉或采用表面带有铝箔的卷材，或者铺设铝钛合金气垫膜等来进行隔热。

3 ARCHICAD 帮助下的围护构件设计

3.1 设计合理的节能墙体方案

在ARCHICAD 软件中将设计好的建筑模型导入，包括墙体材料中保温隔热材料的选择，墙体的厚度，均在建模时加入考虑，如在设计外围护墙体构件时，是选择的中填保温材料外墙、内保温外墙、外保温外墙的哪种构造样式。将保温材料设计在墙体的外表面、居中、内表面的何处，并根据需要设计各构造层的厚度。

对不同位置的需要做保温隔热处理的墙体设置其ID 属性，对其厚度、材料、作用区域进行设定，在ARCHICAD 软件进行墙体的能量损耗评估后可随时调整墙体的材料及厚度搭配。以及建筑成本的运算，最后选出最为优化的墙体搭配方案（图2）。

图2 ARCHICAD 软件中墙体各类属性的设置

3.2 设计合理的节能门窗方案

门窗在围护构件中属于通风透气的功能，建筑设计时门窗的设计位置对建筑节能起着重要的影响。在ARCHICAD 软件中选择适合造型的窗户模型，首先选择吸热、热反射、中空的玻璃窗类型。然后对其玻璃材料的选择、窗户的厚度、窗框材料的选择、自然通风的位置（窗户的开启方向）、材料边缘封条的选择、和墙体的相对位置关系以及尺寸等信息进行进一步的调整，得出较为合理的门窗节能设计方案（图3）。

图3 门窗设计的细节调整

影响门窗构件能耗的还有一个因素就是门窗朝向及位置的设计，风向的选择，ARCHICAD 软件可以根据谷歌地图定位出任何需要设计的建筑所处方位，精确模拟出各方位的建筑受风情况，给出较为优化的门窗方向设计方案，并且可以可以模拟出其能量损耗信息，根据其模拟的数据信息，及时调整窗户的上述属性，得到满意的节能建筑门窗设计方案（图4）。

图4 门窗的朝向和能耗

3.3 设计合理的节能屋顶方案

屋顶的方案设计也和墙体类似，首先，选择合适的屋顶类型，如坡屋顶（屋顶的角度）、平屋顶，以及屋顶所选用的材料。选择屋顶造型时，一般除了对其保温隔热属性有所要求外，对其防水性能也需进行综合考量。ARCHICAD 软件中可导入目前可用的屋顶防潮防水薄膜，通过系统计算材料的导热性、密度、热容量、储存能量、碳排放量等参数进行考量设计。

4 结论

ARCHICAD 参数除了可以指导建筑围护构件的节能设计，还可以对建筑内部的主动能源获取方式和能耗进行数据模拟，ARCHICAD 软件会根据你选择的加热或制冷方案进行测算。如温度供给多少，损耗多少，返回多少给出具体的模拟数据，我们可以根据这些数据选择合适的能源获取方案。

另外，建筑所在地的气候特征、空气潮湿度、日照辐射等的设定温度不同均会对建筑保温的节能效果产生影响。间歇用能不一定会比长时间段用能更加节约，如何在恰当的时间段进行有效能源的使用，才是建筑节能的关键。我们可以在经过前面对围护构件的构造层次与各类保温材料的选择与优化搭配后，用ARCHICAD 软件进行建筑模型的搭建，然后对所建的建筑模型的外围护构件进行根据当地的气候特点输入潮湿度和空气温度，并且可以模拟出合适体感温度的能源获取方案以及使用时长。

利用ARCHICAD 软件中的能耗参数模拟功能，可以帮助解决外出进行建筑调研时所受到的季节、城市、仪器调研所带来的局限性，选择较为全面的绿色设计方案，也可以对通过前期调研已经设计好的建筑环境进行数据模拟修订。