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    某工业园区建筑群风环境与光环境模拟分析

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-07-22

    杭州科技职业技术学院 丁伟翔
    浙江联泰建筑节能科技有限公司 刘秀会

           【摘  要】建筑环境模拟技术为建筑规划设计与绿色建筑性能评估提供了可靠的依据。本文针对位于杭州市的某工业园区建筑群,运用模拟仿真软件搭建了三维建筑模型并设置了合理的边界条件,对其室外风环境、室内光环境与房间视野范围进行了模拟。结果表明:该园区内的五栋建筑物布局合理,有利于夏季自然通风与冬季防风;主要房间室内光环境达到国家规定的自然采光要求及眩光控制要求;具有良好的房间视野。与此同时,表明了采用计算机模拟能够更加直观、形象及快速地展示建筑物理环境的状况与参数,日益成为建筑设计、分析与评估的重要技术手段。

           【关键字】建筑群  建筑环境模拟技术  室外风环境  室内光环境  视野分析  绿色建筑

    1 绿色建筑与建筑环境模拟

           当前,绿色建筑在国家政策的大力推动下迅速发展,各地方政府也加快了推进及引导的力度[1]。随着绿色建筑的不断推广和各种建筑节能措施的诞生,为建筑环境模拟技术的应用开辟了广阔的空间:一方面,该技术可以用来指导建筑设计,成为人们对建筑物进行研究分析时的一个强有力的辅助工具;另一方面,模拟技术是评估绿色建筑性能时的重要依据。

           建筑环境的变化是众多因素所影响的一个复杂过程,而建筑本身又具有特定的非实验操作性。因此,仅仅依靠定性的分析和传统的理论计算无法对某些建筑环境现象给出合理的解释和分析,而模拟分析的方法则通过对研究对象的复现为建筑环境做出合理的预测、指导和评价。

           所谓建筑环境模拟技术,就是借助计算机仿真软件,模拟实际当中建筑物在物理环境中的各种性能表现,然后通过运算,得到所需求的建筑性能参数和数据可视化云图。图1展示了建筑环境模拟的一般步骤流程。随着计算机软件和硬件技术的迅速发展,计算机模拟分析技术在建筑环境的研究和工程实践领域逐渐得到广泛的应用,已经表现出极大的应用价值。通过模拟的方法有效地对建筑物风、光、声、热、能耗以及气流组织等环境及性能状况进行预测,可以有效地提高设计者的设计水平和规避设计中可能出现的风险[2]


    图1 建筑环境模拟的步骤与流程

    2 工程概况

           某工业园区位于浙江省杭州市,项目总用地面积90000m2,容积率1.51,建筑密度41.7%,绿地率22%。用地范围内共计有5栋单体建筑A1~A5。该园区预计申报绿色建筑二星级。

           本文就室外风环境、室内光环境以及房间视野等三个方面,对该园区内的建筑群环境进行模拟分析。其中,风环境运用Phoenics计算流体力学软件进行建筑风场模拟;光环境主要采用Ecotect建模结合Radiance对标准层的主要功能房间室内采光及眩光进行分析;视野分析采用Google Sketchup三维建模软件对最不利房间进行判断。模拟工作主要为建筑设计环节所遇到的建筑方位规划,内部构造合理化等问题提供预测、分析及优化。

    3 室外风环境模拟分析

           分析模型以本项目内的所有建筑为基础,根据建筑图纸建立三维几何模型。整体模型的长宽高为639m ×419m ×42m,考虑到模拟计算区域的大小不应影响气流流动,根据相关的规范和文献等资料[3],确定室外计算区域为849m ×629m×126m,总体网格划分数量为473.24万。建筑模型如图2所示。


    图2 某工业园区三维建筑信息模型

           根据《居住建筑风环境和热环境设计标准》(DB33/1111-2015)统计的杭州市气象数据[4],设置两个工况进行分析,具体参数如表1所示。

    表1 杭州地区风环境模拟工况参数

           3.1 夏季风环境

           图3为夏季主导风向SE,平均风速为3m/s时,距地面1.5m高度处的流场分布情况。从图中可以看出,建筑周围大部分区域通风流畅,在建筑背风侧出现少许涡旋,但此处风速较低,对行人的影响不大。人行区风速在0.295~3.2m/s,距地1.5m高度的初始风速为1.73m/s,最大风速3.2m/s,计算可得风速放大系数为1.84。


    图3 夏季距地1.5 m高度处风速分布云图及矢量图

           图4展示了夏季建筑表面风压分布情况。从图中可以看出:建筑迎风面压强为1~7Pa,背风面压强-6~-1Pa,建筑压差大约2~13Pa。由此可见本项目夏季建筑50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa,有利于室内自然通风。


    图4 夏季建筑迎风侧与背风侧表面压力分布云图

           3.2 冬季风环境

           图5为冬季主导风向WNW,平均风速为3m/s时,距地面1.5m高度处的流场分布情况。从图中可以看出,建筑周围大部分区域通风流畅,在建筑背风侧出现少许涡旋,但此处风速较低,对行人的影响不大。人行区风速在0.313~3.125m/s,距地1.5m高度的初始风速为1.98m/s,最大风速3.125m/s,可得风速放大系数为1.58。满足《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2019)中对于“冬季建筑物周围人行区风速小于5m/s,且室外风速放大系数小于2。”的要求[5]


    图5 冬季距地1.5 m高度处风速分布云图及矢量图

           图6展示了冬季建筑表面风压分布情况。从图中可以看出:除第一排迎风建筑外,建筑迎风面压强为0~3Pa,背风面压强-2~0Pa,建筑压差大约为0~5Pa。由此可见本项目冬季建筑前后压力差不大于5Pa,有利于建筑冬季防风。


    图6 冬季建筑迎风侧与背风侧表面压力分布云图

    4 室内光环境模拟分析

           4.1 自然采光

           光环境是人们长期习惯和需求的生活环境。各种光源的视觉实验结果表明:在相同照度的条件下,天然光的辨认能力优于人工光,有利于人们工作、生活、保护视力和提高劳动生产率[6]。此外,自然光照明最为经济,利用自然采光能节约能源,保护环境,充分的体现可持续发展的生态设计理念。《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2019)中对建筑采光的具体要求采用面积比的形式,即通过计算主要功能房间达到采光系数的面积比限值,给予相应的分值。

           本项目建筑采用侧窗采光,外窗及玻璃幕墙选用断热铝合金窗框,玻璃部分为6mm中等透光玻璃(Low-E)+12空气层+6mm透明夹层中空玻璃。选取A2厂房的标准层办公间作为展示对象,搭建的采光模型如图7所示,模拟结果示意图及统计表如图8与表2所示。


    图7  A2研发生产用房三层主要功能房间平面图及三维建筑模型

    图8  A2研发生产用房三层主要功能房间采光模拟结果
    表2 A2研发生产用房三层主要功能区室内采光系数计算结果统计

           某工业园区建筑物A1~A5的主要功能房间共计34194.65m2。经模拟统计分析见表3,满足现行国家标准《建筑采光设计标准》(GB 50033-2013)对公共建筑的采光系数要求的面积为29398.1m2,达标比例为85.97%(大于60%),因此该项目可得6分[7]。

    表3 某工业园区各栋建筑室内自然采光达标面积总计表

           4.2 眩光分析

           眩光源于视野中强烈的明暗对比,在大多数情况下应该尽量避免眩光的出现[8]。《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2019)针对改善建筑室内天然采光效果,主要功能房间有合理的控制眩光措施给予3分的分值。

           本项目建筑的采光等级为Ⅲ类和Ⅳ类要求,即眩光指数值DGI不应大于25或27。选取位于A2研发生产用房三层的办公间进行模拟分析展示,室内相机(视角)分布情况及房间内眩光效果(鱼眼模型)如图9、图10所示:。


    图9 A2研发生产用房三层(办公间1~6)室内相机分布

    图10 A2研发生产用房三层(办公间1~6)眩光效果图

           模拟所得的房间眩光值见表4所示。本项目建筑采用浅色的内饰面,主要功能房间的眩光值均小于标准限值,满足新版《绿色建筑评价技术细则》中对《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2019)的5.2.8条第一款的条文说明要求,符合国家标准《建筑采光设计标准》GB 50033-2013第5.0.2条等控制舒适眩光相关规定。

    表4 A2研发生产用房三层(办公间1~6)室内不舒适眩光指数统计表

    5 房间视野模拟分析

           《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)第8.2.5条 “建筑主要功能房间具有良好的户外视野,评价分值为3分。对居住建筑,其与相邻建筑的直接间距超过18m;对公共建筑,其主要功能房间能通过外窗看到室外自然景观,无明显视线干扰”。 本文选取位于A3研发生产用房三层的办公间进行视野模拟,如图11所示。


    图11 建筑物A3视野最不利房间(三层办公间3)

           如图12所示,某工业园区内A3研发生产用房的最不利视野房间中心点1.5m高位置处,与窗户各角点连线所形成立体角的视野范围内出现天空或地面,因此该栋建筑内房间视野良好,满足标准的要求。


    图12  A3视野最不利房间室外视野分析图

    6 结论

           随着人们对建筑环境质量要求的不断提高与日益重视,模拟技术运用在当代建筑设计中是时代进步的必然趋势,越来越成为设计、评价、分析工作中必不可少的重要工具之一。本文通过运用模拟软件针对某工业园区的室外风环境、室内光环境及房间视野进行了模拟,对该项目的建筑环境进行了分析判断,指出了该项目的风环境有利于人行区的活动、夏季自然通风及冬季室内防风;光环境达到国家规定的自然采光要求及眩光控制标准;具有良好的房间视野。与此同时,表明了在建筑设计方案及评估中,通过使用计算机模拟技术可以快速显示设计师关心的建筑环境状况,现有的模拟手段可以为设计师提供良好的参考依据和依托平台。

    参考文献

           [1]  仇保兴.我国绿色建筑发展和建筑节能的形势与任务[J].城市发展研究,2012,19(05):1-7+11.
           [2]  陈颖,王慧明,张爱民,谢琳娜.生态模拟技术在绿色建筑设计中的应用探析[J].建筑技术,2014,45(04):307-309.
           [3]  DB31T 922-2015《建筑环境数值模拟技术规程》.[S]
           [4]  DB33/1111-2015《居住建筑风环境和热环境设计标准》.[S]
           [5]  GB/T50378-2019《绿色建筑评价标准》.[S]
           [6]  张凯,严冬.提高自然光源利用率的采光设计改进[J].建筑知识,2010,30(12):115.
           [7]  GB 50033-2013《建筑采光设计标准》.[S]
           [8]  林燕丹,邱婧婧,刘弈宏.不舒适眩光研究的国内外现状及进展[J].照明工程学报,2016,27(02):7-13.

           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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