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绿建模拟

中国电信浙江创新园(西区)A组团项目建筑环境模拟分析

发布时间:2017-07-25

  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广及引导的力度。随着绿色建筑设计的不断推广和各种建筑节能措施的应用,为建筑模拟技术的应用开辟了广阔的空间:一方面,建筑模拟技术是评价绿色建筑节能性能时的依据;另一方面,建筑模拟技术可以指导建筑设计,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。

  建筑环境的变化是众多因素所决定的一个复杂过程,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可能会对某些建筑环境现象无法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,就是借助计算机模拟软件的运行,模拟实际当中建筑物的各种性能表现和运行过程,然后通过运算,得到需要的建筑性能表现数据和其它如人员舒适度等方面的数据。

  模拟分析方法自从应用于建筑技术的研究领域,已经表现出极大的应用价值,随着计算机软件和硬件技术的迅猛发展,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。通过计算机模拟的方法有效地对建筑物风、光、声、热、能耗等环境及性能状况进行预测,有效地提高设计者的设计水平和避免设计中可能出现的风险。

  2.工程概况

  中国电信浙江创新园(西区)A组团项目位于杭州未来科技城(海创园),项目总用地面积90029m2,本期总建筑面积96510m2。设计范围内建筑单体包括:A1研发生产用房,建筑地上3~6层,建筑高度为12.55m~23.65m,建筑面积34360m2;A2研发生产用房,建筑地上3~6层,建筑高度为12.25m~23.65m,建筑面积32640m2;A3研发生产用房,建筑地上1~10层,建筑高度为3.75 m~38.85 m,建筑面积25033m2;A4信息体验中心,建筑地上3层,建筑高度为16.95m,建筑面积为2421m2;A5生产配套(交流中心),建筑地上3层,建筑高度为14.85 m,建筑面积为2056m2。容积率1.49,建筑密度39.1%,绿地率20%。

  中国电信浙江创新园(西区)A组团项目参评绿色建筑,其建筑效果图如图1所示:

  图1 中国电信浙江创新园(西区)A组团项目鸟瞰图

  本文就室外风环境、室内光环境以及房间视野三个方面,对中国电信浙江创新园(西区)A组团项目A1~A5建筑环境进行模拟分析。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计算方式对典型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三维建模软件对整体进行判断。模拟工作主要针对建筑设计环节遇到的建筑方位,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

  本次分析模型以本项目的所有建筑为依据,根据建筑图纸建立几何模型。建成模型的长宽高为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,确定室外计算区域为849m ×629m×126m,总体网格划分数量为473.24万。建筑模型如下图所示:

  图2 中国电信浙江创新园(西区)A组团项目三维建筑信息模型

  本项目位于浙江省杭州市,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设置3个工况进行分析,具体说明如下:

  表1 杭州地区风环境模拟工况说明

工况 工况分析内容 主导风向 平均风速m/s
1 夏季 SE 3
2 冬季 WNW 3

  3.1 夏季风环境 (SE-3m/s)

   

  图3 夏季距地1.5 m高度处风速分布云图及矢量图

   

  图4 夏季建筑迎风侧与背风侧表面压力分布云图

  图3为夏季主导风向SE,平均为风速3m/s时,距地面1.5m高度处的流场分布情况。从图3中可以看到,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。

  从图4可知,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。本项目建筑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。

  3.2 冬季风环境(WNW-3m/s)

   

  图5 冬季距地1.5 m高度处风速分布云图及矢量图

   

  图6 冬季迎风侧建筑表面压力分布云图

  图5为冬季主导风向为WNW-3m/s时,距地面1.5m高度处的流场分布情况。从图5中可以看到,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》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。

  图6为冬季主导风向WNW-3m/s时,距地1.5m高度处的压力分布情况。由图可见,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,本项目建筑前后压力差不大于5Pa,有利于建筑冬季防风。

  4.室内光环境模拟分析

  4.1 自然采光

  自然光环境是人们长期习惯和喜爱的工作环境。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。另外,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》中对公共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不同面积比,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。采光模型如图7所示,模拟结果及统计如图8、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拟

  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

建筑物 楼层 功能房类型 采光模拟面积(m2 采光系数标准值(%) 达标百分比(%) 达标面积(m2
A2研发生产用房 三层 研发生产1 361.18 3.3 93.36 337.2
研发生产2 744.16 3.3 90.55 673.84
研发生产3
研发生产4 337.06 3.3 87.65 295.43
研发生产5 608.14 3.3 96.37 586.06
研发生产6

  以中国电信浙江创新园(西区)A组团项目A1~A5典型层的主要功能房间为模拟对象,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80%),因此该项目可得8分。

  表3 中国电信浙江创新园(西区)A组团项目室内自然采光总计表

建筑物 主要功能区面积(m2 采光达标面积(m2 达标百分比(%)
A1 14958.56 12710.62 84.97
A2 6339.1 5372.25 84.75
A3 10723.84 9810.17 91.48
A4 1285.62 643.79 50.08
A5 887.53 861.18 97.03
总计 34194.65 29398.01 85.97

  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。《绿色建筑评价标准》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6分的分值。

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

  图9 A2研发生产用房三层(研发生产1~6)室内相机分布

  图10 A2研发生产用房三层(研发生产1~6)眩光效果图

  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,满足绿色建筑评价技术细则2015版中对《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2014的8.2.7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(研发生产1~6)室内不舒适眩光指数统计表

建筑物 楼层 功能房类型 采光等级 DGI限值 不舒适眩光指数(GDI) 达标判断
A2研发生产用房 三层 研发生产1 25 20.47 达标
研发生产2 25 17.04 达标
研发生产3 25 20.56 达标
研发生产4 25 21.7 达标
研发生产5 25 20.25 达标
研发生产6 25 21.17 达标

  5.房间视野模拟分析

  《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—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研发生产办公间进行视野模拟。

  图11 A3视野最不利房间(三层研发生产3)

  图12 A3视野最不利房间室外视野分析图

  如图所示,中国电信浙江创新园(西区)A组团项目内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。

  6.结论

  本文通过运用模拟软件针对中国电信浙江创新园(西区)A组团项目的室外风环境、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要求;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。

  随着人们对建筑环境质量要求的不断提高和对建筑节能的日益重视,建筑模拟也越来越成为设计、评价、分析工作中必不可少的重要工具之一。模拟技术运用在当代建筑设计中是时代进步的必然趋势,一个优秀建筑的产生需要在方案阶段进行精雕细琢,而现有的模拟手段无疑为设计师提供了良好的参考依据和依托平台。