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试论在建筑方案设计中应用物理环境分析技术的意义

2020-03-05 258 上传者：管理员

摘要：本文以某产业新城为例，从建筑设计层面阐述面向物理环境提升的建筑设计方法，并分别从区域声环境、区域风环境、建筑太阳辐射得热三个方面展开了分析，结果表明，建筑物理环境分析对弥补常规设计手段的不足以及提升建筑的品质有较大的帮助。

关键词：
建筑设计
数字化
模拟分析
物理环境
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建筑是一个复杂的综合体，它所涉及的领域、问题种类繁多。如果将绿色建筑问题转化为数字化技术应用问题，大体上可以将建筑的基本属性特征分为“形”、“核”、“质”三个层次的抽象化描述。

这其中，通过对建筑属性“形”和“核”的分析，实现对具体问题中研究对象的描述，根据设计要求和规则，确定研究对象的设计变量及设计精度。而建筑属性“质”则体现为其性能特征，以此来确定设计目的及优化目标。

性能导向的物理环境优化设计方法就是以“质”为核心驱动因子，将其与“形”或“核”建立交互影响关系，通过数字化科学方法，弥补常规设计手段的不足。对于体量较大或功能较为复杂的建筑尤其有用，本文以深圳某产业新城为例，阐述面向性能提升的建筑设计方法，为建筑提质做贡献。

1、项目概况

本项目位于广东省深圳市南山区，项目总用地面积203080.8m2，总建筑面积1866730.64m2。项目为一个包含研发、办公、酒店、商业和公寓等多项功能的超级综合体，具有容积率高，业态丰富的特点。

2、模拟分析在建筑宏观方案中的作用

在整个项目方案设计中，建筑性能分析贯穿始终，本项目使用了ECOTECTANALYSIS（生态建筑辅助软件）、PHONEICS、CADNA等专业软件进行建筑性能分析，借助以上软件对建筑所处的宏观环境和因建筑方案导致的环境变化进行分析，包括太阳辐射、日照、采光、室外风环境等进行模拟分析，在定量分析的同时生成图形化结果，并最终实现对建筑方案的优化调整。

2.1 气候及设计策略分析

深圳位于夏热冬暖地区，全年无冬，年平均气温19.7℃，全年温差较小。根据气候特点，在建筑方案设计中，考虑融入自然采光，自然通风以及室外空间环境优化等被动式设计策略，以达到缓解容积率过高带来的物理环境恶劣的问题以及达到节能、环保目标。

2.2 场地潜在影响因素分析

本项目用地面积很大，但是因为容积率较高，建筑密度过大，不可避免地会引起局部微环境恶劣的情况，主要表现在。1)建筑声环境较为恶劣，本项目东侧为城市快速路，车速在60km/h以上，噪音对项目影响不能忽视。2)建筑风环境受到严峻挑战，本项目实际计容容积率达到8.0，如此大的建筑强度容易产生较多的静风区，从而不利于建筑内热的消散。3)太阳辐射环境复杂多变,本项目属于高层建筑与多层建筑的混合体，伴随着全天太阳的移动，内部的太阳辐射环境变化复杂。

针对以上问题，项目采用模拟分析技术对方案进行预测与优化，及时发现方案设计中存在的不利因素，并加以解决。

3、建筑物理环境分析

3.1 建筑声环境分析

交通噪声干扰人们的正常生活和休息，严重时甚至影响人们的身体健康，如引起心血管疾病、内分泌疾病等。噪声可使学习工作效率降低、产品质量下降，在特定条件下甚至成为社会不稳定的因素之一。另外，交通噪声还会影响到公路沿线的经济发展。

3.1.1 评价依据

本项目位于国家4a噪声标准适用区，根据国家标准《声环境质量标准》（GB3096-2008）中的4a类标准，白天等效连续A声级LAeq不大于70dB(A)，夜间等效连续A声级LAeq不大于55dB(A)。

3.1.2 边界条件

通过现场实测，建筑的红线距离道路较近，本项目的道路噪声最高达到68dB(A（)昼间），测点如图1。

图1 项目周边各测点分布

3.1.3 模拟结果分析

本项目的新旧方案对比如图2、3：

图2 项目周边各测点立面噪声对比

图3 项目周边各测点噪声检测值对比（昼间1.5m高度处）

从图2、3可以发现：旧方案面向西侧的开口导致了道路噪声向建筑内部进行了大幅的渗透，不利于营造内部环境，且临街的多层建筑较少，导致噪声向内部大幅传递。改进方案采用临街布置多层建筑，将噪声挡在区域外，并减少西侧主要道路的开口，为内部声环境的营造打下基础。此外，本项目面向西侧的外窗全部采用中空玻璃，改善室内声环境。

3.2 建筑风环境分析

自然通风是绿色建筑的重要评价指标之一，建筑的布局形式会对局部小气候产生决定性的影响。本项目夏季和过渡季主导风：风速为2.7m/s，风向为东南风；冬季主导风：风速为2.3m/s，风向为东北风。夏季和过渡季则是深圳地区主要利用自然通风的时段^[1]。

3.2.1 评价依据

国家标准《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006[1]中对公共建筑场地风环境的具体要求为：“5.1.7建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风”（一般项）。

3.2.2 边界条件

根据本项目所在地气象特点，分析冬夏季气象条件下的室外风环境状况：夏季主导风：风速为2.7m/s，风向为东南风；冬季主导风：风速为2.3m/s，风向为东北风。图4为项目室外风环境模型图。

图4 项目室外风环境模型图

3.2.3 模拟结果分析

为充分利用当地自然资源，本项目最终采用南低北高，东低西高的整体布局。目的是尽量将夏季和过渡季东南风引入到组团内部。并阻止冬季的东北风进入到组团内部。通过图5模拟分析可见，这样的布局具有效果。

图5 夏季及冬季场地周围人员活动高度1.5m处风速云图

通过以上分析，可以在场地内部也营造出较为适宜的微环境气候，绝大多数区域的夏季风速均大于1.0m/s，营造了微风的环境，并利于场地内热的消散。冬季通过北侧建筑的遮挡，为内部营造了良好的低速风环境。

3.3 建筑太阳辐射环境分析

绿色建筑设计中包含的一项重要的内容就是可持续性的场地设计。场地设计影响着生态平衡和室外空间的舒适度及健康等众多方面，场地的植物配置自然也是可持续性场地设计的一部分。比如植物的喜阴性、喜阳性和中性之分，如果在常年阴影区种植了喜阳性植物或者是在阳光暴晒区种植了喜阴植物都有可能影响植物的健康成长，这显然不能成为可持续性的设计。

3.3.1 模拟结果分析

本项目9.3m平台上的绿化较多，同时因为本项目的楼宇较多，建筑将对植物的光合作用产生严重遮挡。本文利用ECOTECT的太阳辐射分析功能，考察场地中特定时间段的太阳辐射情况，以此作为依据来规划设计场地的植物配置。

根据相关资料^[2]：太阳辐射能小于3MJ/m2d的区域需要种植喜阴植物。太阳辐射能介于3MJ/m2d和6MJ/m2d的区域适合种植中性植物。太阳辐射能高于6MJ/m2d的区域适合种植喜阳植物。

通过对9.3m平台的日均太阳辐射能分析，发现本项目9.3m平台的太阳辐射能均在6MJ/m2d以内，因此9.3m平台的植物以中性和喜阴植物为主，相应地在平台下的阴影区域，即0MJ/m2d至3MJ/m2d的区域种植喜阴植物。建筑周围2m内的区域，即3MJ/m2d至6MJ/m2d的区域种植中性植物。图6是按照此建议实施的绿化实际效果，从图中可以看出，各个区域的植物长势良好，可以接受到适宜的太阳光。

图6 植物长势实景图

4、总结

本文通过室外风环境、声环境以及太阳辐射环境的分析，对建筑布局、形体控制以及场地绿化设计均提供了有力的支撑。实践证明，模拟分析对优化建筑方案是行之有效的。利用综合的建筑性能分析技术，可以对建筑方案的物理环境进行全方位的判定。尤其对于综合体而言，可以发现常规设计无法发现的问题，并加以优化，从而实现建筑内在的提质。

参考文献：

[1]GB/T50378-2014绿色建筑评价规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

[2]柏慕培训组织.Autodesk Ecotect Analysis2011绿色建筑分析实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社,2011

冷志宇,牛润卓.物理环境分析技术在建筑方案设计中的应用[J].建筑热能通风空调,2019,38(10):92-94,80.