严寒地区办公建筑环境信息模型建构

孙澄　韩昀松　张斌　Sun Cheng　Han Yunsong　Zhang Bin

摘　要　建筑与环境互动引起建筑能耗与室内光热环境波动。建筑节能设计须同时考虑建筑与环境信息。通过建构严寒地区办公建筑环境信息模型，实现建筑节能设计对建筑信息、环境信息及性能数据的集成，首先分析了既有研究，进而提出建筑环境信息集成流程，最后从环境信息分析、建筑信息建模和建筑性能预测三方面讨论了严寒地区办公建筑环境信息模型应用。

关键词　建筑能耗　热性能　自然采光性能　建筑节能设计　办公建筑　严寒地区

ABSTRACT　The interaction between building and environment results in the fluctuation of building energy consumption with indoor light and thermal environment. The building and environmental information should be considered in building energy-saving design. Based on the development of the building and environmental information model for office buildings in severe cold region, the integration of building, environment and performance data are achieved in building energy efficiency design. This paper first of all reviews related works in the field of building energy efficiency design model. It then presents the workflow for the information integration of building and environment. Finally, it discusses the application of building environment information model on analyzing environment information, modeling building information and simulating building performance to the office buildings in severe cold region.

KEY WORDS　building energy consumption, thermal performance, day lighting performance, building energy-saving design, office buildings, severe cold region

建筑系统与环境系统存在着紧密的互动关系，建筑形态左右着自然环境对建筑室内光热环境的影响，使用者通常采用建筑采暖、制冷与照明设备将室内光热环境维持在舒适水平，由此产生了建筑能耗。建筑节能设计过程若缺乏对环境信息的集成，将难以准确评价设计决策对建筑能耗水平和光热性能的影响。方案阶段节能设计决策是建筑节能设计的基础，对于建筑全生命周期性能有着重要影响。本文旨在建构严寒地区办公建筑环境信息模型，实现建筑节能设计过程中对建筑、环境和性能信息的集成。文章首先对既有研究进行梳理，提出了建筑环境信息集成流程，进而建立严寒地区办公建筑环境信息模型，并从环境信息分析、建筑信息建模和建筑性能模拟三方面展开模型应用。

一　相关研究

建筑性能量化评价的客观要求促发了建筑设计过程对环境信息的集成。在引入建筑性能仿真模拟工具前，设计者仅凭经验判断节能设计决策的应用效果，不确定性和随机性较大。而仿真性能模拟工具的应用则达成了设计者对建筑节能设计决策的量化评价，但早期的建筑性能模拟软件缺乏图形界面、数据输入繁复，实践中需基于方案设计信息在模拟软件中重新建模，降低了设计效率，不利于方案阶段应用。

既有研究尝试改善设计平台图形界面，研发了具有较优图形界面和简洁参数输入过程的HEED和Solar Shoebox模型，但上述模型在建筑信息集成方面拘囿于简单形态的建筑信息集成，在建筑性能模拟方面局限于单一建筑性能计算，缺乏对于建筑光热复合性能的考虑。为突破建筑信息建模局限，IES VE-Ware模型、OpenStudio模型和Vasari模型相继整合了Sketch Up和Revit建模工具，提高了建筑信息集成能力，也说明基于既有平台的二次开发能够综合建模与模拟平台的技术特点，更具优势。但是上述模型在建筑方案调整过程中无法通过参数调整完成建筑信息更新，需要人工重复建模，限制了方案阶段对设计可能性的探索。

基于优化算法的建筑设计方法将设计过程转译为目标函数引导下的优化计算过程，强化了模拟数据对建筑设计决策的量化支持。优化搜索过程要求建筑环境信息建模与建筑性能模拟过程交替进行，性能模拟结果即时反馈。优化算法的引入促发了新一轮建筑节能设计模型研究。既有研究将Rhinoceros平台与Ecotect、Winair平台整合，达成了日照辐射与风模拟数据驱动下的建筑形态生成设计。BEopt模型融合了循序搜索技术，基于建筑性能模拟数据展开建筑优化设计。H.D.S. Beagle模型基于Revit与Green Building Studio软件，以Excel为优化目标的计算工具，围绕建筑总体能耗和投资净现值展开设计方案优化。CLIP模型能够基于建筑全生命周期性能数据对建筑设计方案进行优化，但其参数输入繁复，不适于设计前期应用。

综上所述，尽管既有研究改善了建筑节能设计决策的准确性，但仍存在三方面局限：首先，既有研究缺乏方法层面对建筑环境信息集成流程的讨论；其次，既有建筑节能设计平台中建筑、环境和性能信息参数关联程度低，不同信息的交互过程需要人工操作，且对于复杂形态建筑信息集成仍存在局限；最后，既有模型在建筑性能模拟方面对于光热性能的整合考虑不足。针对上述问题，研究结合设计过程所需信息类型，提出了建筑环境信息集成流程；建构了严寒地区办公建筑环境信息模型，并应用参数化编程技术，提高该模型中建筑、环境与性能信息参数的关联程度，加强模型对复杂形态建筑信息的集成能力，通过整合建筑能耗与光热性能模拟工具，强化了该模型对光热性能的综合考虑能力。

二　建筑环境信息集成流程

本文首先分析了设计过程需集成的建筑环境信息类型，进而阐述建筑环境信息集成流程，以期为不同地域环境下的建筑环境信息集成提供参考方法。

1　建筑环境信息集成类型

建筑节能设计过程所需集成的信息包括建筑信息、环境信息和性能信息三大类。建筑信息包括建筑形态几何参数、建筑立面构造、材料参数和建筑运行参数，其中几何参数包括建筑开间进深尺度、建筑外窗参数、建筑朝向、建筑形态缩放、旋转、倾斜控制参数等；构造与材料信息包括建筑外墙、外窗各层材料属性、厚度与构造参数等；运行信息包括办公空间使用率、采暖、制冷和人工照明设备运行时间、自然通风时间、建筑采暖、制冷与照明设备负荷、人员数量、采暖制冷设备启动与停止温度、冷热风供给温度等。

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更多内容详见2015年第5期