CN101894183B

CN101894183B - 一种绿色建筑的分析与设计方法

Info

Publication number: CN101894183B
Application number: CN2010102166874A
Authority: CN
Inventors: 姜涵; 刘学生; 许磊; 宗德新; 刘琪瑶
Original assignee: CHONGQING STAR ENERGY CONSTRUCTION ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHONGQING STAR ENERGY CONSTRUCTION ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: CN101894183A

Abstract

本发明提供一种绿色建筑的分析与设计方法，它通过计算机辅助设计与多物理模型分析，为绿色建筑设计提供一系列前期设计条件，并通过加权计算分析，得出绿色建筑的优化设计条件，本发明以建筑外环境、气候条件以及当地的各种可再生能源条件为基础，通过建立日照分析模型、建立风场数学模型、建立噪音物理模型、热导效应分析模型、建立室内采光物理分析模型和建立资源分析模型等，输入降雨量、日照辐射强度、风速、风向、地质勘察等基础数据，得到可利用的可再生资源种类及其规模。根据资源分析模型计算结果，得出地热资源利用、可再生资源利用的可行性，在此基础上进行绿色建筑的建筑形体最终设计，为绿色建筑设计提供边界条件指导。

Description

一种绿色建筑的分析与设计方法

技术领域

本发明涉及全新的节能环保型建筑的设计方法，具体涉及一种绿色建筑前期技术设计方法。

背景技术

目前，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。建筑能耗约占全社会总能耗的30％，而这“30％”还仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例，如果再加上建材生产过程中耗掉的能源(占全社会总能耗的16.7％)，和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7％。

现在我国每年新建房屋20亿平方米中，99％以上是高能耗建筑；而既有的约430亿平方米建筑中，只有4％采取了能源效率措施，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。根据测算，如果不采取有力措施，到2020年中国建筑能耗将是现在3倍以上。因此，必须要引入循环经济理念，发展绿色建筑，促进人、建筑和环境的和谐发展。为推动绿色建筑的发展，国家建设部已经组建绿色建筑专业委员会等有关机构，并制定了一些相关政策法规，积极引导我国绿色建筑的健康发展。

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(节能，节地，节水，节材)，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。它是指建筑对环境无害，能充分利用环境自然资源，并且在不破坏环境基本生态平衡条件下建造的一种建筑，又可称为可持续发展建筑、生态建筑、回归大自然建筑、节能环保建筑等。绿色建筑以人、建筑和自然环境的协调发展为目标，在利用天然条件和人工手段创造良好、健康的居住环境的同时，尽可能地控制和减少对自然环境的使用和破坏，充分体现向大自然的索取和回报之间的平衡。

虽然，绿色建筑越来越受到人们的重视，新的建筑设计项目较以往更为注重节能环保的相关设计内容，但是由于缺少行之有效的绿色建筑设计方法。目前绿色建筑的设计仍然沿用以往的建筑设计思路，即先有建筑设计，而后根据节能要求进行调整的设计方式，并且目前大量的绿色建筑设计是以事后的评价标准来指导设计，这就为绿色建筑设计制造了瓶颈，也与绿色建筑“因地制宜”的核心思想有抵触。

统计数据表明，中国建筑能耗的总量逐年上升，在能源消费总量中所占的比例已从上世纪70年代末的10％，上升到近年的27.8％。而建筑最大的耗能点是采暖和空调，据悉，我国在采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的55％。

据介绍，我国城乡既有建筑达430多亿平方米，数量如此之巨的建筑中，最乐观估计，达到节能建筑标准的仅占5％左右；即使是新建筑，也有90％以上仍属于高能耗。与气候条件相近的发达国家相比，我国每平方米建筑采暖能耗尽管约为发达国家的3倍左右，但热舒适程度远不如发达国家。由于我国节能型建筑设计刚起步，设计水平相对较低，大量的建筑设计师由于对绿色建筑没有一个透彻的理解，造成在实际绿色建筑设计中，采用大量的技术堆砌来实现所谓的绿色建筑，而这样就使得整个建筑的投资直线上升，但效果并不理想。因此，对于绿色建筑如何设计，目前亟待解决的问题主要包括：建筑师不知道从何入手来设计绿色建筑，大量的绿色建筑策略还停留在“材料节能”的状态，主要是依赖保温材料(如聚苯板等)，双层中空玻璃等来达到节能目的，与西方发达国家从设计、构造入手的思路相比相距甚远。这些问题已经制约了我国绿色建筑的发展。绿色建筑在不同的气候条件下其设计的方法也有所不同，这给建筑设计师提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种最大限度地节约资源(节能，节地，节水，节材)，保护环境和减少污染，能被广大建筑设计人员快速采用的绿色建筑分析与设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种绿色建筑的分析与设计方法，其特征是：它通过计算机辅助设计与多物理模型分析，为绿色建筑设计提供一系列前期设计条件，并通过加权计算分析，得出绿色建筑的最优设计条件；具体包括如下步骤：

1)建立日照分析模型：通过导入气象条件参数，设定临界值，分析规划及周边范围的日照状况，通过布尔运算，确定被设计建筑最佳的日照获取形体，及建筑最佳朝向；

其中，气象条件参数包括建筑当地的年太阳日照方位与高度角、日照时间、日照强度等；临界值为规划范围内建筑日照小时数；建筑最佳的日照获取形体即是通过日照分析模型计算产生，并满足规范要求的建筑形体；

2)以步骤1)获得的建筑形体为设计对象，通过建立风场数学模型，以规范中对建筑风环境的要求为限定值，分析并修正绿色建筑形体；

其中，风环境的分析内容主要针对强风区域、静风区域、边界风压强度等方面；

3)通过建立噪音物理模型，分析建筑红线(场地)内的噪音分布，结合规范中的指标要求，确定建筑功能分布与围护结构隔音指标要求；

其中：噪音分布需综合考虑人员活动区域与垂直方向两个方面；建筑功能中对噪音敏感的分区应设置在噪音值较低的区域；围护结构隔音指标主要集中在与噪音直接冲突的方向上；

4)以步骤2)中建筑形体及步骤3)中功能分布为依据，建立热导效应分析模型，按照规范要求输入条件限值后，修正功能分布与建筑围护结构，得到最后的建筑形体及其内部的功能区域；

其中：条件限值按照目前热导效应允许值进行选定；此时得到的建筑形体与既有的功能区域的划分存在相关性，但当两者产生矛盾时，以建筑形体为主要因素；

5)以步骤4)中的建筑形体为基础，结合项目任务书中的指标要求，划分建筑内部功能区域，并通过建立室内采光物理分析模型，得出外窗技术指标，并形成初步的建筑外形。外窗技术指标包括：外窗的尺寸、安装位置、遮阳措施；

6)结合步骤4)中的功能分区，步骤5)中的建筑外形，建立室内通风物理模型，以步骤2)中的计算结果为基本参数，分析在自然状况下室内风环境的组织，并对室内空间进行修正；

其中，步骤2)中的计算结果为步骤5)中的外窗风压；修正内容为室内过渡区域、连通区域、通风井等方面的设计；

7)通过建立资源分析模型，输入降雨量、日照辐射强度、风速、风向、地质勘察等基础数据，得到可利用的可再生资源种类及其规模；

其中，降雨量的大小影响到非传统水源中雨水的收集利用，对设计的直接影响是建筑及周边的汇水面积；日照辐射强度及步骤1)中的结果，确定太阳能利用的量；风速、风向与步骤2)的分析结果结合，对风力资源的合理利用进行可行性分析，地质勘察除常规的地质数据外，还需要对土壤的热响应、蓄热能力等参数进行检测，计算后得出地热资源利用的可行性；

8)以步骤4)中建筑形体为建筑第二红线(第一建筑红线为规划建筑红线)、步骤1)中建筑的最佳朝向、步骤3)中的功能分布、步骤4)中的围护结构形式、步骤7)中的可再生资源利用可行性等内容为基础，进行绿色建筑的建筑形体最终设计。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明在建筑的设计阶段运用绿色建筑的相关理念，从最大限度地节约资源(节能，节地，节水，节材)，保护环境和减少污染等角度对建筑进行整体设计，对降低建筑整个生命周期的能耗来说非常重要。研究表明，经过本发明整体设计的绿色建筑可以比一般建筑节省50％～70％的能量。本发明的设计方法就是本着简化设计、节约成本的目标而提出，具体手段是通过深入研究地区气候条件和可利用的自然资源条件，通过资料收集分析和实地调研，吸收国内外的先进经验和技术，综合城市规划，建筑学，环境科学，生态学，社会学，经济学等相关专业的前沿成果，基于数字技术手段，在建立典型工程项目的分析模型基础上，运用相关软件来进行分析研究，为后续的绿色建筑设计提供方法及依据。

附图说明

图1是绿色建筑分析与设计方法的主要流程图。

具体实施方式

参见图1，通常情况下，绿色建筑的设计主要包括初步方案、技术补充和最终方案三个阶段；其中，

初步方案包括：规划设计、结构设计和建筑设计等。

技术补充包括：景观设计、暖通设计、电气设计、给排水设计和可再生能源利用等。

最终方案包括：规划设计、结构设计、建筑设计、景观设计、暖通设计、电气设计、给排水设计和可再生能源利用等。

本发明涉及的绿色建筑前期技术的设计方法，属于初步方案的规划设计之列，它是通过计算机辅助设计与多物理模型分析，为绿色建筑设计提供一系列前期设计条件，并通过加权计算分析，得出特定条件下，绿色建筑的最优设计条件，同时确定可利用的自然资源及实现措施。

亦即通过数字技术手段，在理论上得出绿色建筑设计过程中所需要的布局形式、适宜朝向、遮阳方式、通风组织方式、采光方式、噪音控制、水资源利用、材料选择、体形系数、新能源利用等技术指标，从而给建筑师的设计行为提供指导。

本发明绿色建筑前期技术的设计方法，主要包括如下内容：

1)建立日照分析模型，通过导入气象条件参数，设定临界值，分析规划及周边范围的日照状况，通过布尔运算，确定被设计建筑最佳的日照获取形体，及建筑最佳朝向。其中气象条件参数包括建筑当地的年太阳日照方位与高度角、日照时间、日照强度等；临界值为规划范围内建筑日照小时数；建筑最佳的日照获取形体即是通过日照分析模型计算产生，并满足规范要求的建筑形体；

2)以步骤1)中获得的建筑形体为设计对象，通过建立风场数学模型，以规范中对建筑风环境的要求为限定值，分析并修正绿色建筑形体。其中风环境的分析内容主要针对强风区域、静风区域、边界风压强度等方面。

3)通过建立噪音物理模型，分析建筑红线(场地)内的噪音分布，结合规范中的指标要求，确定建筑功能分布与围护结构隔音指标要求。其中：噪音分布需综合考虑人员活动区域与垂直方向两个方面；建筑功能中对噪音敏感的分区应设置在噪音值较低的区域；围护结构隔音指标主要集中在与噪音直接冲突的方向上。

4)以步骤2)中建筑形体及3)中功能分布为依据，建立热导效应分析模型，按照规范要求输入条件限值后，修正功能分布与建筑围护结构，得到最后的建筑形体及其内部的功能区域。其中：条件限值按照目前热导效应允许值进行选定；此时得到的建筑形体与既有的功能区域的划分存在相关性，但当两者产生矛盾时，以建筑形体为主要因素。

5)以步骤4)中的建筑形体为基础，结合项目任务书中的指标要求，划分建筑内部功能区域，并通过建立室内采光物理分析模型，得出外窗技术指标，并形成初步的建筑外形。外窗技术指标包括：外窗的尺寸、安装位置、遮阳措施等。

6)结合步骤4)中的功能分区，步骤5)中的建筑外形，建立室内通风物理模型，以步骤2)中的计算结果为基本参数，分析在自然状况下室内风环境的组织，并对室内空间进行修正。其中步骤2)中的计算结果为5)中的外窗风压；修正内容为室内过渡区域、连通区域、通风井等方面的设计。

7)通过建立资源分析模型，输入降雨量、日照辐射强度、风速、风向、地质勘察等基础数据，得到可利用的可再生资源种类及其规模。其中：降雨量的大小影响到非传统水源中雨水的收集利用，对设计的直接影响是建筑及周边的汇水面积；日照辐射强度及步骤1)中的结果，确定太阳能利用的量；风速、风向与步骤2)的分析结果结合，对风力资源的合理利用进行可行性分析，地质勘察除常规的地质数据外，还需要对土壤的热响应、蓄热能力等参数进行检测，计算后得出地热资源利用的可行性；

8)以4)中建筑形体为建筑第二红线(第一建筑红线为规划建筑红线)、步骤1)中建筑的最佳朝向、步骤3)中的功能分布、步骤4)中的围护结构形式、步骤7)中的可再生资源利用可行性等内容为基础，进行绿色建筑的建筑形体最终设计。

9)以绿色建筑全年能耗目标值为限制条件，建立全年能耗分析物理模型，通过输入步骤8)中的建筑形体，通过能耗模拟对建筑内用能设备提出指标要求，并对围护结构的热物理参数提供建议。其中：能耗目标限值根据《绿色建筑评价标准》中现行国家节能标准的基础上节能80％选定；用能设备的指标包括：额定功率、效率、运行策略等内容；围护结构的热物理参数主要包括传热系数、热惰性指标等。

其中，日照分析模型、建立风场数学模型、建立噪音物理模型、热导效应分析模型、建立室内采光物理分析模型和建立资源分析模型等，均采用现有成熟技术即可。例如日照分析模型、建立风场数学模型、建立噪音物理模型分别采用Analysis、ANSYS Workbench 平台或德国Datakustik公司Cadna/A噪声计算模拟软件等CFD软件建立，得到可利用的可再生资源种类及其规模。资源分析模型计算后得出地热资源利用的可行性，以可再生资源利用可行性等内容为基础，进行绿色建筑的建筑形体最终设计。

单纯的建筑设计主要考虑的是当地的文化、地域特点、宏观气候、以及经济状况等方面，着眼于建筑的功能与里面造型。随着资源形势的日益严峻，节能减排呼声的日益高涨，越来越多的设计单位、研究机构开始对节能型绿色建筑展开设计、研究。但是，原有设计方法的延续，使得大量所谓的绿色建筑单纯以设备、技术的堆砌为主，其整体造价居高不下，施工难度相应提高，阻碍了绿色建筑在建筑市场的推广。本方法正是为了解决设计师如何设计绿色建筑的疑问而提出的。

Claims

1.一种绿色建筑的分析与设计方法，其特征是：它通过计算机辅助设计与多物理模型分析，为绿色建筑设计提供一系列前期设计条件，并通过加权计算分析，得出绿色建筑的最优设计条件，具体包括如下步骤：

其中，气象条件参数包括建筑当地的年太阳日照方位与高度角、日照时间和日照强度；临界值为规划范围内建筑日照小时数；建筑最佳的日照获取形体即是通过日照分析模型计算产生，并满足规范要求的建筑形体；

其中，风环境的分析内容主要针对强风区域、静风区域和边界风压强度；

3)通过建立噪音物理模型，分析建筑场地内的噪音分布，结合规范中的指标要求，确定建筑功能分布与围护结构隔音指标要求；

5)以步骤4)中的建筑形体为基础，结合项目任务书中的指标要求，划分建筑内部功能区域，并通过建立室内采光物理分析模型，得出外窗技术指标，并形成初步的建筑外形；外窗技术指标包括：外窗的尺寸、安装位置和遮阳措施；

其中，步骤2)中的计算结果为步骤5)中的外窗风压；修正内容为室内过渡区域、连通区域和通风井方面的设计；

7)通过建立资源分析模型，输入降雨量、日照辐射强度、风速、风向和地质勘察基础数据，得到可利用的可再生资源种类及其规模；

其中，降雨量的大小影响到非传统水源中雨水的收集利用，对设计的直接影响是建筑及周边的汇水面积；日照辐射强度及步骤1)中的结果，确定太阳能利用的量；风速、风向与步骤2)的分析结果结合，对风力资源的合理利用进行可行性分析，地质勘察除常规的地质数据外，还需要对土壤的热响应和蓄热能力进行检测，计算后得出地热资源利用的可行性；

8)以步骤4)中建筑形体为建筑第二红线(第一建筑红线为规划建筑红线)、步骤1)中建筑的最佳朝向、步骤3)中的功能分布、步骤4)中的围护结构形式、步骤7)中的可再生资源利用可行性为基础，进行绿色建筑的建筑形体最终设计。

2.根据权利要求1所述的绿色建筑的分析与设计方法，其特征是：以绿色建筑全年能耗目标值为限制条件，建立全年能耗分析物理模型，通过输入步骤8)中的建筑形体，通过能耗模拟对建筑内用能设备提出指标要求，并对围护结构的热物理参数提供建议；

其中：能耗目标限值根据《绿色建筑评价标准》中现行国家节能标准的基础上节能80％选定；用能设备的指标包括：额定功率、效率、运行策略内容；围护结构的热物理参数主要包括传热系数和热惰性指标。