数值仿真技术在绿色建筑设计中的应用

材料的目的。

·建筑能源性能分析技术，预测与优化建筑物的全年能耗。

·日光与阴影模拟，预测建筑内外的日光与阴影状况，充分利用日光，节约照明用电。

·CFD技术，预测与优化建筑物周围与内部的空气流动、颗粒物分布及温度分布状况。

·建筑声环境与振动分析，预测建筑内外的声环境，研究降低噪音与振动的方法。

·火灾与疏散分析，预测火灾发生时烟雾流动及人员疏散状况。

·CGI （Computer Generated Images），用于模拟装饰与灯光效果。

·建筑电梯客流分析，等等。

上述分析内容中，建筑能耗、日光、室内外空气流动与声环境等都是国标《绿色建筑评价标准》要求的。有些分析内容如火灾与撤离分析，电梯流量分析虽然在绿色建标准中还没有明确要求，但这些分析对于大型建筑的安全性，经济性影响重大，也应该在绿色建筑设计中进行大力推广。

2.1 建筑动态能源性能分析技术

建筑物动态能源性能模拟用于计算建筑物与外部环境间的能量传递。它通过建立建筑物的三维模型，计算太阳辐射得热、围护结构传热及暖通空调设备发（吸）热等过程，计算建筑物的全年能耗及建筑物内部温度。Hansen[3]认为要想有效改善室内环境及节约建筑能源消耗水平，就必须把建筑物及相关系统作为一个整体考虑，而不是各分系统的简单相加来处理。建筑性能仿真就是把建筑物及相关系统作为一个整体考虑的有效工具。Thomas[4]认为建筑性能动态模拟是唯一能够整体比较不同设计方案节能效果的手段。可用于建筑性能分析的软件很多，Crawley[5]比较了20个主要分析软件的性能与特点，这些软件为BLAST、BSim、DeST、DOE-2.1E、ECOTECT、Ener-Win、Energy Express、Energy-10、EnergyPlus、eQUEST、ESP-r、IDA ICE、IES、HAP、HEED、PowerDomus、SUNREL、TAS、TRACE and TRANSYS。有兴趣的读者可以参考有关资料。

英国建筑设计行业应用非常广泛的两种建筑性能分析软件为IES（Integrated Environment Solutions）和 TAS（Thermal Analysis Software），它们能够对世界上各种建筑物进行快速的动态热模拟。并能够对建筑物的能耗、CO2散发量、运行费用及舒适性进行精确预测（图1）。

《绿色建筑评价标准》公共建筑优选项5.2.16（建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%的要求）应该通过建筑性能分析的方法来严格论证。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。除此之外，建筑动态性能模拟技术可用于：

·区域能源规划。

·空调动态负荷计算，全年能耗分析。

·建筑物立面优化。

·自然通风分析。

·建筑内部热环境等等。

2.2 日光与阴影模拟

日光与阴影模拟用于显示投射于建筑周围的阴影。通过对天空辐射的直射部分进行计算以确定某时间自然光对建筑的影响。该技术除可进行外部光计算外，还可对建筑物内光进行计算以确定建筑物接收到的室外光的量。前面提到的很多软件也可以用来进行日光与阴影模拟分析（图2）。

《绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.3 （要求不对周边建筑物带来光污染，不影响周围居住建筑的日照要求）及一般项5.5.11 （要求办公，宾馆75% 以上主要功能空间的采光系数满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB50033的要求）应由这种方法进行论证。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。日光与阴影模拟技术还应用于：研究新建筑物对老建筑物的影响；优化建筑立面设计；阴影的可视化；优化室内照明质量。

2.3 建筑物内外空气流动与传热的分析

CFD（Computational Fluid Dynamics）是流体动力学的一个分支，它应用数值计算的方法解决复杂流体的计算问题。CFD被广泛应用于航空、航天、汽车、能源以及环保等行业。在建筑设计中应用CFD技术有其特殊的意义，那是因为在建筑设计中涉及的流动与传热问题往往都十分复杂，用传统的方法很难计算。应用CFD技术则可以对这些问题进行比较深入、全面的研究，图3为CFD在建筑物内外流场分析中的应用。这些分析结果对于建筑方案的确定与优化发挥了很大的作用。

《绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.7项（建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风）、一般项5.2.6（建筑总平面设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季有利于自然通风）及一般项5.5.7（建筑设计和构造设计有促进自然通风的措施）需要用CFD技术进行分析。住宅建筑的相关条款也可用同样方法分析。此外，CFD技术可在以下方面得到应用于以下分析：

·外部流动建筑风环境， 雨水对建筑物的侵袭， 建筑风载荷， 小区污染控制， 城市热岛分析。

·内部流动室内温湿度控制，制造舒适的室内环境，特别是高大空间研究新型室内环境制造方式的效果，如辐射供冷，置换送风，满足特定的设计需求，如云计算中心空气管理等排烟设计。

·外部与内部结合的流动风力与浮力同时作用的自然通风，考虑风力作用的排烟设计，常用的CFD软件有FLUENT、CFX、STAR-CD和PHOENICS等。有意思的是这些主流CFD软件最初都源于英国，这充分说明了英国这个国家在工程软件开发方面的能力是很强的。

2.4 建筑声环境分析

声环境是建筑环境的重要组成部分。人们睡眠、休息、学习、工作和社会活动都需要安静的建筑环境。噪声的危害逐渐引起人们的重视，这充分体现了声环境控制的重要性。为此，《绿色建筑评价标准》对建筑场地及建筑内部的声环境都提出了具体要求。为了确保建筑场地及建筑内部声环境满足标准要求，需要进行相关的建筑声环境分析。模拟建筑声环境的方法有三种[6]，它们是：

·数值法，通过求解描述声压在时间、空间变化的微分方程的方法求解场地的声学特性。

·几何法，确定在现场声传播的方向以及到达聆听者的途径计算声学特性。

·统计法，使用宏观场景属性（表面积，体积）来估算声学特性。

数值法对低频有效而几何法对高频更有效，所以模拟建筑声环境的软件一般采用这几种方法的组合。ODEON[7] 是一种模拟建筑内部声学特性的软件，根据建筑的几何与表面特性，对室内的声学特性进行预测。CADNA （Computer Aided Noise Abatement） [8]是国际流行的环境噪音预测软件，可用于包括工业厂房、市场、高速公路、铁路甚至整个城镇地区的声学环境评估。

绿色建筑评价标准》公共建筑控制项5.1.6（场地环境噪声符合现行现行国家标准《城市区域环境噪声标准》GB3096的规定）及5.5.5（宾馆和办公建筑室内背景噪声符合国家标准《民用建筑隔声设计规范》GBJ118的规定）可以由上述方法进行分析（图4、图5）。

2.5 火灾与疏散分析

虽然《绿色建筑评价标准》尚未对建筑物的火灾与疏散分析提出要求，但近年来我国火灾频发并造成严重人员损失的情况看，我们应该在这方面下更大的功夫。国外大型建筑都非常重视火灾与疏散分析工作，而我国的建筑规模更大，人员密度更高，因而发生火灾的危害更大，所以这项分析应该成为我国绿色建筑设计的一个重要组成部分。

火灾与疏散分析实际上涉及两个方面的模拟过程即：火灾模拟与疏散模拟。通常先由火灾模拟软件模拟火灾发生时烟雾和温度的扩散情况，这个结果首先可用于排烟系统，喷淋系统以及火灾分区的依据；这个结果还可以作为疏散软件的输入条件。疏散模拟人与人、人与火灾、人与构造物的相互作用。模型分析受到热、烟、有毒气体影响后，从室内逃出的每个人的避难路径和疏散所需时间等。

火灾可由一般的CFD软件进行模拟，也可以用专业的火灾模拟软件如FDS（Fire Dynamics Simulator）[9]来完成。FDS 由美国商业部NIST（National Institute of Standard and Technology）研发。 而疏散模拟可由FDS + Evac[10]软件完成， FDS + Evac软件由芬兰VTT技术研究中心研发， 完全嵌入在火灾动力学模拟模型（FDS）中。也就是说，FDS的计算结果可以直接传送给FDS + Evac以进行相应的疏散分析（图6-1）。

2.6 电梯流量分析技术

我国高层和超高层建筑的数量日益增多，因而对电梯设计的要求越来越高。但在建筑物突破了一定的高度与规模，甚至突破了固定的建筑类型后，建筑师在建筑设计中如何具体的将电梯应用技术与建筑设计相结合，同时能够实现预先设计的效果，并非易事[11]。应用先进的电梯流量分析技术可以比较有效地解决这个问题，既避免电梯数量不够引起的等待时间过长从而引起建筑品质下降问题，又能避免由于电梯数量过大引起的投资，建筑面积及能源的浪费问题。

一些大型电梯制造公司开发了电梯分析软件可进行电梯的流量分析，不过这些软件往往侧重于他们自己产品的分析，缺乏广泛的代表性。英国 Peters Research Ltd 开发的ELEVATE 是欧美国家广泛应用的电梯流量分析软件，可以满足设计要求（图6-2）。

图6为某超高层建筑办公区的电梯流量分析图。分析给出了该区采用6台1600kg，速度为3m/s电梯的平均等待时间，最长等待时间等重要数据。

3 如何推广数值仿真技术

我国在推广数值仿真技术方面还存在不少问题，首先是开发商、地产公司对这些技术的重要性理解不够。很少有开发商主动要求设计单位进行这方面的分析，也不愿意为这些附加的分析内容增加付费。而设计单位因为设计费用低，设计周期短，再加上缺乏这方面的人员也很少去进行这些分析工作。久而久之，基于数值仿真的精细化分析就成了我国绿色建筑技术的短板。

绿色建筑标准的制定为数值仿真技术推广带来了良好的契机，《绿色建筑评价标准》中有不少需要数值仿真分析的条文。问题是如何在设计与评价过程中真正发挥数值仿真分析的作用。为此，建议进行以下工作。

（1）探索如何使数值仿真分析更好地融入绿色建筑设计过程的方法，使之发挥更大的作用。

（2）组织相关人员对《标准》中涉及到的建筑能耗、采光、通风、声环境等模拟的边界条件、模拟过程及软件要求等进行研究，提出规范化的模拟方法。

（3）组织有关人员对《绿色建筑评价标准》涉及的风环境、日光、声环境及自然通风等数值分析结果的评价方法，提出一套指导评价分析结果的方法。

（4）对从事数值分析及评价的人员进行培训。

（5）对典型案例进行分析并与实测结果进行对比等。

参考文献

[1] 国务院《绿色建筑行动方案》（国办发（2013）4号）

[2]GB/T 50378-2006绿色建筑评价标准[S] .2006

[3] Jan Hensen， Ery Djunaedy， Marija Radošević and Azzedine Yahiaoui. Building performance simulation for better design： some issues and solutions， Plea2004 - The 21th Conference on Passive and Low Energy Architecture，Eindhoven， The Netherlands， 19 - 22 September 2004.

[4] PC Thomas. Building Energy Performance Simulation： a Brief BDP.

[5]Drury B.Crawley， Jon W.Hand， Michael Kummert， Brent T.Griffith. CONTRASTING THE CAPABILITIES OF BUILDING ENERGY PERFORMANCE SIMULATION PROGRAMS， A Joint Report by U.S Department of Energy， Washington DC，USA.

[6]T. Funkhouser， N. Tsingos， J-M. Jot， Survey of Methods for Modeling Sound Propagation in Interactive Virtual Environment Systems， Presence and Teleoperation 2003.

[7]ODEON，Room Acoustics Modelling Software，

[9]FDS，Fire Dynamics Simulator （Version 5）User’s Guide，National Institute of Standard and Technology，US Department of Commerce.

[10] FDS + Evac，Fire Dynamics Simulator with Evacuation： FDS+Evac， VTT Technical Research Centre of Finland.

[11]范一飞，高层建筑电梯应用技术设计研究，硕士学位论文，同济大学建筑与城市规划学院。

[12] Transportation systems in buildings，CIBSE Guide D： 2010，

[13]Elevator， Traffic Analysis & Simulation Software，Peters Research Ltd。

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