项卫中：数值仿真技术在绿色建筑设计中的应用

本文介绍了在国外发达国家建筑设计与咨询行业广泛应用的各种计算机分析方法及在绿色建筑设计中的应用，指出绿色建筑离不开基于数值仿真的精细化分析。文章同时分析了数值仿真技术在我国应用不广的原因及解决这个问题的方法，提出我国应在绿色建筑中合理利用数值仿真技术进行优化分析与设计。

一、绿色建筑需要数值仿真技术

国务院《绿色建筑行动方案》提出在“十二五”期间要完成新绿色建筑10亿平方米，到2015年末，20%的城镇新建建筑达到绿色建筑标准要求[1]。这是一个雄心勃勃的目标。这个目标的实现必将对我国的绿色建筑事业，节能减排事业以及我国经济，社会等各方面的可持续发展做出重大的贡献。

中国中元国际工程公司环境技术总监项卫中

绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节地、节材、节水和节能），保护环境和减少污染，为人们提供健康，适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑（摘自《绿色建筑评价标准》GB/T50378[2]）。由此可见，绿色建筑设计是一项十分复杂的工作，需要综合考虑的因素很多。既要满足传统的建筑功能和要求，同时又要满足节地、节材、节水、节能、及环保的绿色新要求。一项成功的绿色建筑设计需要做到上述诸多方面，难度非常大。需要调动各方面的积极性。

如何做到绿色建筑中要求的“四节一环保”呢？我们都知道，节约首先要能做到“精打细算”，但如何在一个庞大而复杂的建筑系统中实现“精打细算”呢？仅靠手册中的经验公式和图表显然是不够的，绿色建筑还需要基于计算机数值仿真的精细化分析技术。

本文先对广泛应用于欧美发达国家建筑行业的数值仿真技术简要的介绍，然后分析影响数值仿真技术在我国推广的因素及解决方法。

二、适用于绿色建筑的数值仿真技术

在建筑设计行业中有一句名言“建筑设计是一项遗憾的艺术”，它的含义是建筑设计是一项非常复杂的工作，在设计的时候很难把所有问题都考虑到，但建筑建成以后再改变就很困难了。那么在设计过程中有没有办法把问题考虑得更周详一些，留下的遗憾更少一些呢？这个问题放在以前很难，但随着计算机与软件技术的发展，通过科学的预测和分析，这样的遗憾应该会变得越来越少。过去建筑设计中遇到的很多难以解决的结构、能源、环境与安全方面的设计难题，如：

复杂结构分析；

建筑的动态负荷分析及全年能耗计算；

建筑物所在地的风、光、声与热环境的分析与评价；

建筑物发生火灾时的烟雾扩散及人员疏散问题；

高层、超高层建筑的电梯流量分析问题等等；

现在都可以通过计算机分析的方法，使这些问题在设计阶段得到更充分的考虑，这是世界建筑设计行业在近十几年发生的巨大变化。目前在欧美国家建筑咨询设计行业常用的分析技术有：

 有限元分析技术，主要解决结构的强度分析问题。可用于结构优化，以达到提高结构安全和节省建筑材料的目的；

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。

 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、EnergyExpress、Energy-10、EnergyPlus、eQUEST、ESP-r、IDAICE、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. 用建筑动态能源性能分析方法分析建筑物的全年能耗

《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）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.日光，人工照明及阴影分析

《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。

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。