基于BIM技术的建筑日照与风环境研究

朱通通

摘要： 建筑的性能与气候环境有着紧密的联系，不同的气候区域，其建筑的防寒采暖、遮阳隔热、采光、通风等基本功能需要根据当地的气候特点采用相应的设计。因此，一种建筑和构造形式适应所有的气候区域是不现实的。因建筑师在设计一栋建筑时需要考虑的不仅仅是其外形，更重要的是设计的建筑要符合当地的气候特点[1]。本文以BIM技术为研究对象，就其在建筑概念设计阶段中的具体应用进行了探究，利用概率、可靠度的评价分析方法，论证了其在BIM技术中运用的可行性与实用性。希望能为建筑的概念设计提供借鉴与参考。

Abstract： The performance of the building and the environment are closely linked， different climate regions， the construction of the cold heating， heat insulation， lighting， ventilation and other basic functions need the corresponding design according to the local climate. Therefore， it is unrealistic to adapt to all climatic regions in one form of architecture and structure. Architects need to consider not only its shape in the design of a building， it is more important that the designs of the building need to meet the local climate characteristics. In this paper， the BIM technology acts as the research object in the architectural concept of the design stage of the specific application of the study， hoping to provide reference for the construction of the concept design.

關键词： 概念设计；BIM技术；风环境分析；日照分析；可靠度

Key words： conceptual design；BIM technology；wind environment analysis；sunshine analysis；reliability degree

中图分类号：TU242 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0109-03

0 引言

随着社会的进步、科技的发展，人们对建筑舒适度的要求越来越高。传统的建筑物往往缺少对其前期设计进行足够的重视，导致建筑物缺乏应有的舒适度，例如：建筑的采光性能差、建筑能耗较高、建筑外形不符合当地的气候特征等。一系列的问题就使得建筑物的性能与期望值相距甚远。先天技术水平的不足，后天的状况就难以得到改观。究其原因是因为传统的设计是基于二维CAD的设计，建筑前期方案的选定有些是事后做下合乎规范的验算了事，几乎没有把采光、能耗、风环境等建筑物性能分析融入到前期设计阶段中，更不用说把上述分析可视化地展现给建筑师提供参考，而前期设计阶段又对建筑物的整体性能的影响占有很大的比重[2-3]（见图1）。

BIM技术的引入却恰好能解决这个问题，BIM的可视化、模拟性能能为建筑师提供一些很好的参考数据。据此，建筑师可以对性能较差的地方实时地作出调整，争取使得建筑物的各个方面的性能达到最佳。这样就使得投资得到了应有的回报，大大地提高了资源的利用率，提高了建筑的亲和力，符合当前可持续性设计的发展需求[4]。

1 BIM概述

Building Information Model（建筑信息模型）简称为BIM。1975年，“BIM之父”——乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授创建了BIM理念，其最初的理念便是让建筑工程实现可视化和量化分析，提高工程建设效率。创建至今，BIM思想并没有局限于此，它在不断地发展之中[3]。美国BIM标准（NBIMS）对BIM定义的中心思想是：BIM是利用数字技术进行建设项目设计、施工、运营的过程，过程的成果是一个信息丰富的多维项目模型—即为BIM模型。BIM具有完备性、参数化性、一体化性、可视化、协调性、模拟性、优化性和出图性八大特点。[5-7，10，11]

3 方案选型阶段的日照分析

3.1 工程项目简介

拟建场地位于元阳县新街镇西南方向的土戈寨村委会辖地，距离元阳县新街镇约5km，其北侧隔省道S214与元阳县美丽家园哈尼小镇D组团相望，西侧距离元阳县美丽家园哈尼小镇C组团约500m，东侧及南侧现状为农作物种植地。拟建哈尼族民族历史博物馆总用地面积为35975m2，拟建建筑由1栋3F剪力墙结构建筑物组成，总建筑面积为8315.64m2，建筑±0.00标高为1818.00，拟建基础形式为墙下挖孔桩基础。

场地地貌上处于低中山山麓斜坡地带，场地总体地形由西北向东南缓倾，总体地形约10度，局部坡度约20度，坡面丛林茂密，植被良好，均未采取任何支挡措施，属斜坡场地。通过现场踏勘场地现状未发现滑坡、崩塌等不良地质作用。原始自然地面标高介于1797.62～1819.87 m之间，相对高差为22.25 m。

3.2 BIM日照模拟步骤与结果

对于本项目是在Sketchup平台上做的日照分析，采用“SketchUp日照大师”进行分析。本项目的地理位置：北纬23.1°，东经102.7°。在“日照参数设置”里面设置好地理位置。由于项目场地在“中国建筑气候划分图”中的第区，所以在分析时以冬至日作为分析標准。根据规范要求：其采光系数最低值Cmin=1%。对于可靠度分析，μz可根据图2选定区域计算得来（详见GB50033-2013《建筑采光设计标准》中的采光系数平均值计算方法），z应取0.01（根据气象统计数据可以看出变化幅度很小），μs根据建筑采光设计标准取2.78%（博物馆展厅、门厅等采光系数平均值），μs同样取0.01。取本项目一层A、B两个计算区域（见图2）。

3.3 分析及计算结果（如图3、表1所示）

由以上分析结果、数据可以看出，本项目的异形构造并没有影响窗体部位的采光，而本来采光不好的阴面，也由于弧形设计部分使得日照时间取得很大提高。表1的数据表明A、B两区域的采光设计符合采光舒适度设计，当然也符合建筑采光设计标准。

4 方案选型阶段的风环境分析

4.1 BIM风环境分析步骤与方法

把Revit建筑模型导出为dwg格式文件，导入Autodesk Flow Design中，根据当地气候条件（见表2、表3）可见，当地平均风速比较大的月份集中在3、4月份，平均风速分别为：3.8 m/s（3月平均风速的上下浮动率为

-15%～17%），3.72 m/s（4月平均风速的上下浮动率为

-19%～12%），因此取风速4.446 m/s作为输入值。

4.2 分析结果

风环境分析结果见图4所示。假设Va为建筑场地某处的实际风速，Vc为场地舒适度风速的控制值。Va、Vc的分布函数符合正态分布。利用可靠度的原理，可得（5）式：

本工程处于山地丘陵地区，地面粗糙度比较大。顺风向平均风相对平稳，往往脉动风的幅值大且频率高，能使结构产生动力响应的影响较大，是需要考虑的因素；实际地貌的地面比较粗糙，风速变化指数比较大。因此在风压的计算面范围内其风压在同一梯度风高度范围内，可以用同一风压分析值近似计算。上述风环境矢量图（图4）可知，当建筑场地风向为西南方向时，建筑物的所承受的风荷载为最不利情况，博物馆建筑物西南方向的走廊其风速最大可达到8.2m/s。但建筑物西南部分的流线型外形却有利于气流的分散，且其脱体处表面也形成了一层很薄的有速度梯度的边界层，不至于出现风压差过大的区域。从图4可以得出，由于博物馆的阶梯梯田式形状，其尾涡区与迎风面没有形成很大气压差，避免了风漩涡的出现。从而论证了方案的可行性。表4是根据可靠度分析原理计算得到的可靠度值。

从表4可靠度分析的结果可以得出：在场地风速为2.78 m/s时，场地最不利区域（博物馆西南侧走廊）的风速小于3.6 m/s（当然小于5.5 m/s）。考虑到气候的多变性时，可靠度依然为1。

5 结论

通过以上的计算分析，主要得出如下结论：①在建筑方案阶段，BIM能为项目带来的效益是最多的。使得建设工程项目与当地生态环境有一个良好的结合，这是实现绿色建筑的重要一步。②本文实现了对日照、风速可靠度的定量分析，使得难以衡量的设计参数得到了基于可靠度的度量，为建筑设计师提供了更好的参数参考。公式（4）可以为日照可靠度的计算分析提供计算依据。③日照、风速可靠度的定量分析与BIM相结合进一步证明了BIM技术在前期设计阶段的价值，可以满足人们对建筑物舒适度越来越高的要求，更加符合工程项目实际需求。公式（5）可以为风环境舒适度的计算分析提供可靠的计算依据。

参考文献：

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