楊美媛，秦以鵬，張偉捷

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038)

隨著經(jīng)濟(jì)與建筑業(yè)的快速發(fā)展，給建筑等行業(yè)既帶來高速發(fā)展的機(jī)遇，也帶來巨大的挑戰(zhàn)。面對(duì)日益復(fù)雜的建筑項(xiàng)目、激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及對(duì)工程質(zhì)量要求越來越高等問題，全面應(yīng)用BIM技術(shù)將顯著提高工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期的質(zhì)量及效率，降低成本，提升集成化程度，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益［1］。建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)不僅對(duì)人的熱舒適性的感受產(chǎn)生影響，而且與建筑能耗的大小有直接關(guān)系。在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，研究和確定建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)(譬如自然室溫)與建筑設(shè)計(jì)要素之間的關(guān)系，在室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的指導(dǎo)和制約下，及時(shí)調(diào)整建筑設(shè)計(jì)要素的設(shè)置，對(duì)建筑本體的節(jié)能設(shè)計(jì)意義重大［2］。

為了說明建筑環(huán)境參數(shù)(自然室溫)驅(qū)動(dòng)的BIM建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究思路和實(shí)施方法，本文結(jié)合一個(gè)方案階段設(shè)計(jì)的模型示例加以說明。

1.1 模型建立

本文利用BIM軟件Revit MEP中建立的模型建筑如圖1所示，建筑物為南北朝向，地點(diǎn)為北京市，總建筑面積為500 m2。選取三層辦公樓中的頂層南向最西端的一個(gè)房間為研究對(duì)象。

1.2 設(shè)定參數(shù)

建筑地理位置氣象參數(shù) :經(jīng)度:東經(jīng)116.3度;緯度:北緯39.8 度。

室外氣象參數(shù):室外氣象計(jì)算參數(shù)采用了北京地區(qū)典型氣象年的室外氣象參數(shù)。根據(jù)建筑熱工分區(qū)，北京市屬于寒冷地區(qū)。夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度:33.2℃;夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度:26.4℃。

利用Dest模擬時(shí)間為夏季設(shè)計(jì)日(7月4日)14:00(7月4日為夏季空調(diào)設(shè)計(jì)日，14:00為一天中室外溫度較高的時(shí)刻，即室內(nèi)外溫差對(duì)建筑物的作用較明顯的時(shí)刻)，將其部分模擬結(jié)果作為邊界條件［3］(氣象參數(shù)來源于Dest所帶的氣象數(shù)據(jù)庫(kù))。

室內(nèi)熱源。設(shè)備及照明發(fā)熱量:電腦為70 W/臺(tái);電燈為15 W/盞。人員散熱量:室內(nèi)人員活動(dòng)強(qiáng)度參考辦公室打字人員，按每人60 W。由于本文設(shè)定室內(nèi)人數(shù)不多，潛熱忽略不計(jì)。

本文暫不考慮機(jī)械通風(fēng)對(duì)室內(nèi)自然室溫的影響。

2 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康?本文的試驗(yàn)是為了找到影響自然室溫的建筑設(shè)計(jì)因素取值范圍，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。

指標(biāo)確定:以自然室溫為指標(biāo)。

因素選取:窗墻比(A)、外遮陽系數(shù)(B)、外墻傳熱系數(shù)(C)、屋頂傳熱系數(shù)(D)、外遮陽板深度(E 可分為500 mm、1 000 mm、1 500 mm)、玻璃類型(F可分為普通玻璃、Low－E玻璃、中空玻璃)這6個(gè)建筑設(shè)計(jì)因素，每個(gè)因素的取值選了3個(gè)變化水平。將所挑選的因素及變化水平列成表，如表1。

本文選用了L27(36)型的正交表，不考慮因素之間的交互作用。

列出試驗(yàn)方案表，將各個(gè)因素及其水平值列表，如表2。

表2 中K1=因素所在的列中數(shù)碼“1”所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和，K2=因素所在的列中數(shù)碼“2”所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和，K3=因素所在的列中數(shù)碼“3”所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和，T=所有試驗(yàn)所得自然室溫之和，極差 RA=max(K1、K2、K3)－ min(K1、K2、K3)［4］。

試驗(yàn)結(jié)果分析。根據(jù)正交法原理，由各因素方差的大小，可判斷因素的主次順序和最佳水平。K1、K2、K3分別表示每個(gè)因素各水平下的平均值。通過比較各水平的效應(yīng)值，判斷因素的A對(duì)自然室溫影響顯著［5］。K值越小，說明該水平造成的試驗(yàn)結(jié)果的方差越小，均勻性越好。如圖2a－f所示為自然室溫隨每個(gè)因素三水平變化關(guān)系。從圖中可以看出，建筑物的自然室溫是隨著窗墻比的增加而升高的，而玻璃、墻、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)對(duì)于自然室溫的影響達(dá)到一定值后則出現(xiàn)傳熱系數(shù)越大室溫越低的情況。遮陽對(duì)于自然室溫的影響則與玻璃、墻、屋頂相反。

本文所要求的自然室溫指標(biāo)越小，夏季室內(nèi)就越舒適。所以根據(jù)極差所得的因素主次順序?yàn)锳→B→D→C→E→F。選擇各個(gè)因素中影響最小的水平，可以選出最優(yōu)方案為A1B2C3D3E2F3。通過Dest對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬可得自然室溫為31.66℃，為所選取實(shí)驗(yàn)方案中的最小值。

表1 影響因素及變化水平取值Tab.1 Table of the factors and the levels

表2 正交實(shí)驗(yàn)表Tab.2 The orthogonal table

表3 各因素范圍取值表Tab.3 Table of factors

3 自然室溫參數(shù)驅(qū)動(dòng)

環(huán)境參數(shù)驅(qū)動(dòng)是以環(huán)境參數(shù)為某個(gè)函數(shù)的自變量，而建筑本體要素則是函數(shù)的因變量，通過改變環(huán)境參數(shù)來整合建筑的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)置，從而獲得不同的建筑設(shè)計(jì)方案。環(huán)境參數(shù)驅(qū)動(dòng)的BIM建筑設(shè)計(jì)，有可能成為建筑設(shè)計(jì)變革的最大亮點(diǎn)之一。利用建筑本身的隔熱、保溫、通風(fēng)等性能來營(yíng)造和調(diào)控室內(nèi)熱環(huán)境［6］。在建筑物正常使用條件下，沒有采取強(qiáng)化通風(fēng)、采暖或空調(diào)等方式來改變室內(nèi)的熱濕狀況，在這樣的條件下形成的室內(nèi)空氣溫度稱為自然室溫，它反映了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵御外界氣候的一種固有特性［7］。

建筑物自然室溫的研究將為被動(dòng)式節(jié)能建筑提供設(shè)計(jì)依據(jù)，在滿足室內(nèi)熱濕環(huán)境要求的條件下更加有利建筑節(jié)能。如果建筑物自然室溫呈現(xiàn)出冬暖夏涼的特性，這就為人們不用或少用采暖或空調(diào)設(shè)備提供了條件，建筑設(shè)備的能耗將大為降低。

本文27次試驗(yàn)結(jié)果中各因素的取值范圍以及試驗(yàn)結(jié)果得出的自然室溫范圍如表3。

筆者以建筑所要求的的自然室溫為參數(shù)驅(qū)動(dòng)，在滿足自然室溫范圍內(nèi)選取適合的窗墻比、內(nèi)遮陽系數(shù)、外墻傳熱系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)、遮陽板的深度、窗的類型。從而獲得不同的建筑設(shè)計(jì)方案，如表4。

表4 自然室溫表Tab.4 Table of The natural room temperature

以建筑所需自然室溫在35℃ ～37℃為例，各因素的取值可在表4中查詢，即可得窗墻比為0.4～0.5，內(nèi)遮陽系數(shù)為0.5 ～0.65，外墻傳熱系數(shù)為0.196 ～0.788(W/m2﹒℃)，屋頂傳熱系數(shù)為0.269～1.039(W/m2﹒℃ )，遮陽板的深度為500、1 000、1 500(mm)，窗的傳熱系數(shù)為2.4 ～5.7(W/m2﹒℃ )。由此可得多個(gè)方案設(shè)計(jì)，大大減少了設(shè)計(jì)工作者在方案設(shè)計(jì)階段的時(shí)間與精力，使方案設(shè)計(jì)更加具有針對(duì)性，更加方便簡(jiǎn)捷。

筆者選取了以上3個(gè)較典型設(shè)計(jì)方案:bad、best、15號(hào)方案進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算步驟如上，計(jì)算得出冷負(fù)荷如圖3所示。

從圖3可以看出，自然室溫最優(yōu)設(shè)計(jì)方案和最小夏季冷負(fù)荷采取的方案完全相同，均是最小窗墻比、2號(hào)墻體、2號(hào)屋頂、采用內(nèi)遮陽為百葉遮陽、外遮陽板深度為1 000 mm、玻璃類型為L(zhǎng)ow－E玻璃。這也說明了夏季冷負(fù)荷取最小值時(shí)，夏季的自然室溫同樣也達(dá)到了最小。因此，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，若需要夏季空調(diào)冷負(fù)荷較小，自然室溫也應(yīng)較低。

4 結(jié)論

影響建筑自然室溫顯著性:窗墻比(A)→外遮陽系數(shù)(B)→屋頂傳熱系數(shù)(D)→外墻傳熱系數(shù)(C)→外遮陽板深度(E)→玻璃類型(F);得到最佳搭配方案 A1B2C3D3E2F3，最差搭配方案A3B1C1D2E1F2;自然室溫的取值區(qū)間31～32.19、32.23 ～34.43、32.59 ～37.79、35.01 ～38.99、37 ～38、39～40，自然室溫對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)因素取值區(qū)間如窗墻比0.1 ～0.2、0.2 ～0.3、0.3 ～0.4、0.5 ～0.6、0.6。自然室溫參數(shù)驅(qū)動(dòng)建筑設(shè)計(jì)，在各設(shè)計(jì)因素區(qū)間內(nèi)取值，能夠使建筑冷負(fù)荷降低，從而達(dá)到節(jié)能效果。

［1］董大綱，張杰，李德英.BIM技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用初探［J］.暖通空調(diào) HV＆AC，2013(12):105－109.

［2］DENNIS KNIGHT P.E.，STEPHEN ROTH P.E.，STEVEN L.ROSEN.Using BIM in HVAC design［J］ .ASHRAE Journal，2010:24－33.

［3］晉文，齊靜，張偉捷.基于建筑熱環(huán)境數(shù)值模擬的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，25(4):61－64.

［4］趙選民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［M］.北京:北京科技出版社社.2006.

［5］張偉捷，吳金順.基于正交實(shí)驗(yàn)法的建筑冷負(fù)荷影響因素分析［J］.暖通空調(diào) HV＆AC，2006，36(11):77－80.

［6］朱穎心，張寅平，彥啟森.建筑環(huán)境學(xué)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［7］李百戰(zhàn)，鄭 潔，姚潤(rùn)明.室內(nèi)熱環(huán)境與人體熱舒適［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2012.