BIM驱动建筑系统环境性能模拟

建设项目的景观可视度、日照、风环境、热环境、声环境等性能指标在开发前期就已经基本确定，但是由于缺少合适的技术手段，一般项目很难有时间和费用对上述各种性能指标进行多方案分析模拟，BIM技术为建筑性能分析的普及应用提供了可能性。为推动建筑性能化分析，应开展以下工作：

1.能耗模拟

建筑能耗包括室内能耗、新风能耗、附加能耗。室内能耗包括围护结构能耗、空气渗透能耗、室内热源散热形成的能耗。具体的计算可参照《实用供热空调设计手册》进行计算。空调区的建筑能耗，应根据所服务空调区的同时使用情况、空调系统的类型及调节方式，按各空调区逐时能耗的综合最大值或各空调区能耗的累计值确定，并应计入各项有关的附加能耗。这里有几个概念要重点介绍一下：各空调区逐时能耗模拟的综合最大值，是指从同时使用的各空调区逐时能耗相加之后得到的数列中找出的最大值；各空调区能耗的累计值，即找出各空调区逐时能耗的最大值并将它们相加在一起，而不考虑它们是否同时发生。

例如：当采用变风量集中式空调系统时，由于系统本身具有自适应各空调区建筑能耗变化的调节能力，此时即应采用各空调区逐时建筑能耗的综合最大值；当采用定风量集中式空调系统或末端设备没有室温控制装置的风机盘管系统时，由于系统本身不能适应各空调区建筑能耗的变化，为了保证最不利情况下达到空调区的温湿度要求，即应采用各空调区建筑能耗的累计值。设计负荷是按照标准规定的室内外计算参数进行的负荷计算的结果，它是全年负荷中的最大冷（热）负荷，是选择设备最大容量的依据，并不代表实际运行负荷。实际上全年室外气象参数在逐时变化，而室内的热湿环境参数也是在逐时变化，因此，采用动态能耗模拟计算进行建筑全年能耗分析的变化，为空调系统提供真实的能耗分析设计依据。

目前有许多可用于全年建筑冷热负荷计算的计算机建筑能耗模拟软件。如DeST、PKPM、Energy Plus、DOE-2、ESP-r等。

1）DOE-2是现今世界上最为流行的建筑能耗分析和建筑能耗模拟软件之一。冷热负荷的能耗模拟采用的反应系数法，假定室内温度恒定，不考虑不同房间之间的相互影响。

2）Energy Plus是在BLAST和DOE-2的基础上开发的，兼具两者的优点以及一些新的特点。Energy Plus是一个建筑能耗逐时模拟引擎，采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法。Energy Plus采用CTF来计算墙体、屋顶、地板等的瞬态传热，采用热平衡法计算负荷。

3）ESP-r是在欧洲应用非常广泛的建筑能耗模拟分析软件。ESP-r采用半隐式差分格式求解导热方程。可以计算房间各个内、外表面的太阳辐射得热；模拟整个建筑各个房间之间的空气流动；基于人体活动量、室内温度湿度等参数模拟热舒适性（PMV-PPD）。

4）PKPM是中国建筑科学研究院开发的建筑设计系列软件，包括公共建筑节能设计软件、采暖居住建筑节能设计软件、夏热冬冷地区居住建筑节能设计软件和夏热冬暖地区居住建筑节能设计软件。该软件采用动态能耗分析计算程序，可按各地全年气象数据对建筑物进行全年的逐时能耗分析计算以及系统设计等。

5）DeST是20世纪90年代由清华大学开发的建筑与暖通空调系统分析和辅助设计软件，负荷模拟采用的是状态空间法。目前有用于住宅建筑的DeST-h和应用于商业建筑的DeST-c两个版本。

中关村展示中心项目，通过采用美国的EQUEST软件对建筑使用能耗进行模拟分析，以进一步减少建筑使用能耗，有效节约资源。图3-20为中关村项目建立的能耗模型，图3-21展示了夏季一天的水源热泵系统空调高峰逐时冷负荷及水量分布，可以看出下午2点左右冷负荷量和需水量都达到了峰值。相应地图3-27则表示了冬季一天的水源热泵系统采暖高峰逐时热负荷及水量分布图，可见在上午10点左右水源热泵系统达到采暖高峰。

图3-20 中关村项目能耗模型

图3-21 水源热泵系统夏季逐时状态图

图3-22 水源热泵系统冬季逐时状态图

2.热环境分析

一般，小区热环境模拟分析是指模拟分析住宅区的热岛效应，采用合理优化建筑单体设计、群体布局和加强绿化等方式削弱热岛效应。

温度湿度分析还包括热舒适性评价，指通过国际认可的室内热环境模拟软件，对当前设计方案的室内热环境舒适度进行预测和评价，并提出合理的解决方案，防止房间局部过热和过冷，创造均匀舒适的室内热环境。

中关村展示中心项目在室内热环境舒适度预测和评价方面，进行了电子计算机机房的温度模拟（图3-23、图3-24），设计的温度湿度要求见表3-1。根据最佳方案的模拟结果，机房整体大环境温度为24℃，设备局部区域最高温度40℃，符合机房设计要求。

图3-23 机房整体环境温度模拟

图3-24 设备局部区域温度模拟

表3-1 电子计算机机房设计的温度湿度需求

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3.光环境分析

自然采光模拟是指分析相关设计方案的室内自然采光效果，通过调整建筑布局、饰面材料、围护结构的可见光透射比等，改善室内自然采光效果，并根据采光效果调整室内布局布置等。

如图3-25～图3-27所示，某公司的科研办公楼项目在光环境分析方面，分析了从室内方向看的入口局部照度，以及房间的室内外双向局部照度。图3-28展示的是宝苑二期别墅项目一天24小时的日照情况，通过该模拟，可以确定建筑高度是否设计合理，有无楼房被长时间遮挡等问题。

4.室外风环境分析

室外风环境模拟是指通过调整景观绿化布置、规划方案建筑布局，改善住区流场分布、减小涡流和滞风现象；同时通过分析寻找出大风情况下可能会因狭管效应而引发安全隐患的区域，提前预防，进而提高住区环境质量，改善住区建筑周边人行区域的舒适性。

图3-25 入口局部照度分析（从室内看）

图3-26 房间局部照度分析（向室外看）

图3-27 房间局部照度分析（向室内看）

图3-28 日照模拟

室内自然通风模拟是指分析相关设计方案，通过调整通风口位置、尺寸、建筑布局等改善室内流场分布情况，从而引导室内气流组织有效的通风换气，改善室内舒适情况。

中关村展示中心项目中对自然通风的性能进行了优化。通过采用美国FLUNET对大空间空气流场的布局及门窗洞口的布局影响，验证设计处理手段是否有利于促进自然通风（图3-29）。

图3-29 1m高度流场分布图

室外通风模拟优化设计布局方面，我们通过CFD技术运用于建筑群体风环境以及热舒适性的计算上，很大程度上指导了建筑总体布局、建筑朝向的设计（图3-30）。

5.声环境分析

计算机声环境模拟的优势在于，建立几何模型之后，能够在短时间内通过材质的变化，房间内部装修的变化，来预测建筑的声学质量，以及对建筑声学改造方案进行可行性预测。

图3-30 室外通风模拟优化设计布局

中关村展示中心项目中应用了建筑声环境性能优化。通过采用丹麦ODEON和德国EASE对展示厅、会议厅声音质量的模拟分析，验证了建筑平面布局和空间功能的合理性，且减少了噪声干扰，提高了声音质量。图3-31是计权隔声量（通过计权网络测得的隔声量）特性曲线图。

图3-31 计权隔声量特性曲线图

绿色建筑技术及产品的应用将大大提升建筑产品的舒适性和环保性能，为业主提供更高品质的绿色办公或绿色生活环境。而在建筑科技的实践过程中，通过BIM技术应用的不断完善和调整，各设计单位将对设计、工程管理要求“取法极致”，为社会营造更多的精致产品，为城市创造更多的美丽。