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作者 王博 编辑 机电联系人

随着建筑设计精细化、精准化的发展，越来越多的建筑工程需要利用计算机仿真技术来提高工程的设计、施工和高效运行。在建筑设计和运营的整个生命周期中。

主要的计算机建筑模拟应用主要包括以下几类：

1）基于典型年度气象参数的逐小时动态模拟；

2）CFD瞬时模拟；

3）光照环境模拟；

4）电梯运行仿真；

5）噪声预测软件仿真分析等

结合具体项目，在具体项目的应用中对相关仿真软件进行一一讲解和分析。

#1 全年逐小时模拟（1） 模拟方式

全年建筑每小时模拟多与建筑负荷和能耗分析有关。它提供了一个全面的建筑物理模拟环境，可以模拟典型气象年建筑不同区域的复杂热流和空调系统的运行状态。建筑物在一定人员活动时间表和空调系统运行时间表下的各种能耗。

更重要的是，可以比较不同设计方案的负载或能量效应，以优化设计策略。广泛应用于建筑方案前期与建筑师合作的被动设计策略优化阶段，以及与机电顾问合作比选机电系统方案的主动设计优化阶段。

主要的仿真思路和步骤是：

1）建立3D模型：根据建筑平面图、立面图和剖面图，建立3D计算机计算模型，包括建筑布局、建筑立面和开窗；

2）导入典型年份和全年的每小时气象参数文件；

3）基本模型建筑参数设置：输入不同功能房间的内部热量增益、人员密度、设备负荷和照明功率密度（包括数值和小时利用率）、设计温度和湿度、建筑运行时间。对于新建楼宇，可以根据楼宇未来用户的需求与业主沟通，确定合理的假设，包括人员每小时在场率、设备运行时间等；在参数未知的情况下，以现行的地方、国家或国际建筑节能设计标准作为设定基准建筑参数的依据，如中国；美国 90.1 等；如果研究对象是现有建筑物，

4）基准模型模拟：对已建立的基准模型进行全年动态模拟，并以此结果为基准，评估其合理性和下一步优化潜力；

5）设计模型策略优化：调整要比较的单个设计参数，全年运行设计模型进行每小时动态仿真。例如，被动式设计中不同的围护热参数、不同的遮阳尺寸、不同的窗墙比、不同的建筑朝向；主动设计中不同的机电系统参数，如不同的照明功率密度、不同的送风量、不同的送风温度、不同的系统方案等；

6）结果分析：分析基准模型和设计模型在不同策略下的室内冷热负荷峰值、年能耗、室内温室舒适区比等。计划。

(2）仿真软件

常用的全年动态仿真软件有DeST、IES VE等。

它是美国能源部（DOE）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）联合开发的建筑能源模拟引擎，是一款免费软件。

是一款免费软件，常用于一些国际绿色建筑认证体系评估中的能源模拟，如美国和英国的LEED。优点是模拟速度快，适用于建筑体量大或重复标准层数的项目。缺点是几何模型一旦设定，就很难修改；软件更新速度慢；输出结果多为报告文本，无法以图形方式分析室内热舒适状态。

IES VE全称是英国公司开发的建筑室内环境动态仿真软件，在国际建筑工程行业得到机电工程师的广泛认可。其最大的优势在于集成了不同的分析模块，如自然采光、阳光分析、自然窗通风等，可用于分析不同被动设计和主动设计策略的能耗性能。输出结果可视化，可截取全年不同时间段进行模拟，将不同策略或不同功能房间的模拟结果整合为一个图标进行对比分析。缺点是大型项目的模拟耗时较长；需要针对不同性别的建筑进行简化；需要考虑购买软件的成本。

Rhino/最大的优势是可以进行参数化建模，适用于复杂的异性建筑。具有强大的插件系统，基于可视化图形界面，用于模拟能源消耗；用于分析建筑室外参数、太阳轨迹图、风玫瑰图等；它用于室外和室内CFD模拟。

由于目前很多架构师使用Rhino/进行建模、协调等插件，可以实现一个模型多用途的仿真分析，更适合前期设计方案的优化。

(3）应用案例

商业综合体的商业建筑面积为平方米，空调面积为平方米。业态包括商铺、主卖场、儿童乐园、餐饮等，其中餐饮占可出租商业面积的33.4%。

本项目使用 DeST 软件进行负载模拟分析。通过描述建筑物的热工特性、几何形状和使用功能，在DeST界面中根据建筑物的大小和形状输入外墙和内墙，添加门窗，描述建筑物的拓扑结构，每小时执行一次负载模拟计算。

根据每年每小时的冷负荷模拟数据，结合冷水机组的技术特点，并与运行能耗分析等综合因素进行比较，确定建筑空调冷源的选择方案。

计算模型

空调冷负荷模拟计算结果

每小时冷负荷率分布图

#2CFD 模拟（1） 模拟方法

建筑CFD（Fluid）是随着计算流体动力学的发展而逐渐流行起来的一项新技术。它通过建立建筑物的相关计算模型并给出必要的边界条件，对建筑物内外的温度场和风速进行计算和预测。场地、空气年龄等参数，如避免涡流形成或风速过大，利用这些计算结果来判断建筑设计是否合理，是否能满足人们的舒适度要求或工艺要求，从而提高精度和建筑设计的合理性。性别。

在我国，建筑CFD的发展非常迅速，尤其是近年来，随着人们对环保、节能等概念的接受和重视，越来越多的项目开始使用CFD辅助设计，尤其是国内的一些和国外项目。一些绿色建筑标准，如LEED、中国绿色建筑三星级标准等，直接要求使用CFD来验证设计结果，这为建筑CFD的未来发展提供了良好的契机。

主要的模拟步骤是：

1）使用Rhino建立几何模型；

2）生成计算网格：将几何模型导入CFD分析软件，生成有限元计算网格。网格节点为微分方程求解点，在连续流场云图区域形成离散控制点，如温度场、风速场等；

3）确定最不利的工况：室外模拟，可根据当地气候参数确定；室内高大空间模拟，可通过全年室内热环境分析确定最不利的工况；

4）边界条件设置，包括送风量、送风温度、开窗面积和位置等；

5）基线模拟计算：当叠加计算结果收敛到某个合理范围时，可以终止计算；

6）方案优化：分析基准模拟计算结果，发现优化潜力并实施改进的模拟验证，为自然通风策略或空调出风口的布置和设置提供建议。

(2）仿真软件

ANSYS拥有建筑行业和CFX两个广为人知的有限元工程分析软件。优点是可导入Rhino仿真或在ANSYS平台建模，生成多种形式的有限元网格，灵活处理异构建筑造型的网格生成；输出结果表达丰富，可以同时表达和比较不同的界面，便于结果分析。缺点是仿真计算时间长，对计算机硬件系统配置要求高。STAR CCM+ 比 ANSYS 晚，支持带有多余六边形的网格。

开发者，接受 .stl 或 .3ds 格式的模型导入。常用的建模软件有：; 犀牛; 维特。优点是设置比ANSYS简单，更适合气流组织分析；缺点是网格划分比较简单，曲面细节的弯曲段的网格处理比较困难。输出可视化的选择性略低于 ANSYS。

(3）应用案例案例一：室内气流组织仿真

北京某大型商业建筑采用CFD室内环境仿真分析空调系统选址的合理性、送风参数设置的合理性、室内空气分布的均匀性。送风参数推荐值等

对夏季建筑各部分室温进行模拟计算，发现较低楼层温度分布正常，较高楼层部分区域存在温度过高问题。

通过计算结果分析发现，如果回风口对称设置，容易造成送风不均和中庭位置过热。因此，在调整模型建立的过程中，将回风管和出风口的位置调整为不对称布置，以达到较高的温度。室内温度效果好。在后期的施工过程中，建筑内增加了出风口，并优化了出风口设置，使室内环境更好地满足要求。

(a) 调整前

(b) 调整后夏季空调温度分布

案例二：风环境模拟

如果风环境不合理，会带来再生风、环境二次风等问题，导致行人行走困难，或强风吹物体、砸玻璃等问题。

对于民用建筑，主要研究对象是建筑周围的风环境，分析是否能满足“建筑周围步行区风速低于5m/s，不影响室外舒适度”的要求。活动与建筑通风”和“建筑总平面图有利于冬季阳光照射能耗管理 软件，避开冬季主导风向，夏季有利于自然通风”。

将目标建筑物及周边建筑物模型导入CFD计算软件进行3D流动数值模拟，得到建筑物周围的流场和建筑物表面的压力分布。

模型如下图：

图 1 物理模型

该项目位于北京市中心。据统计，北京冬季主导风向为西北风，平均风速4.3m/s，次要主导风向为东北风，平均风速2. 3米/秒。

由于地面的影响，来风按照无限平板边界层的规律分布，即为梯度风，其沿高度方向的风速分布满足：

其中 Zg 和 Ug 分别代表典型的高度和相应的速度。

梯度风示意图如下所示。

图2 梯度风示意图

从冬季盛行风向条件的计算结果（下图3~4）可以看出：

1）由于项目西北侧地块建筑密度低，冬季难以有效阻隔来风，受西北来风侵蚀严重。大楼周边有6.5m/s左右的风速。如果超过5m/s，会给行人带来不适。

2）项目西南角和东北角风速放大系数最大，约为2.3，环境恶劣。

3）项目西北侧受来风影响，建筑表面风压较大，底部达到10Pa，随着建筑高度的增加逐渐增大。对于这一侧的外门风压大，常规安装外门。冬季无法有效阻隔冷风，建议增加门斗措施。

图3 1.5m高度冬季盛行风风速放大因子分布云图

图4 建筑表面风压分布云图（西北向）

#3 光照和光环境模拟（1） 模拟方法

光是建筑环境的重要组成部分，优秀的照明设计可以提高建筑的舒适度，降低照明和空调的能耗。

而且，对于建筑物来说，照明场景复杂，太阳在天空中的位置随着时间和日期不断变化，大气中的云量也会影响建筑物的光环境。

使用光环境模拟软件，可以准确分析评估各种自然光照和人工光照环境，同时给出光照系数、照度、亮度等一系列标准控制指标参数。

主要的仿真思路和步骤是：

1）创建实体模型：建立或导入待分析系统的几何模型；

2）定义和应用属性：可以在软件中定义模型中的材料特征和表面属性，例如反射、折射、吸收和辐射，或者可以自定义新属性以将属性应用到对象上和模型内的表面；

3）追踪光线：要通过实体追踪光线，您需要定义光线的起点。有几种定义它们的方法：网格光源、面光源和导入现有光源。将光源引入模型并调用跟踪参数。

4）分析：可分析方位、面积、光线追迹后的光能分布，并可导出亮度、照度、坎德拉、光通量图，以及详细的光历史信息进行分析。

(2）仿真软件

是一种经过验证的、基于日光分析的软件，可模拟建筑物内和周围的日光量。

允许用户模拟动态立面系统，从标准百叶窗到最先进的光重定向元件、可切换玻璃及其组合。

用户可以进一步指定复杂的电气照明系统和控制，包括手动灯开关、占用传感器和光电池控制的调光。

模拟输出范围从基于气候的采光指标（例如日光自主性和有用的日光水平）到年度眩光和电照明能源使用情况。

还可以按小时、电气照明负载和遮阳设备状态调度占用率，可以直接链接到热模拟引擎等。

是一种用于实体模型的光学分析软件，它使用“通用光线追踪”技术来追踪光线，该技术允许将光线引入模型中，而不会在物体和表面相交处造成额外损失。

在每个交叉点，单独的光线遵循吸收、反射、折射、衍射和辐射的定律。

AGi32是一家美国公司开发的专业灯光设计软件。具有光照建模、计算、渲染三大功能。它可以计算任何情况下的照度，帮助用户设计灯具的位置，验证照明标准。软件有两种计算模式，一种是普通直接计算模式，只计算直射光，速度快；另一种是使用光能传递技术计算反射光的完整计算模式，可以计算出照度数据并非常准确地渲染出来。亮度分布。

基于对照明技术和市场研究的多年观察发现，世界各国的照明计算软件大多局限于单一品牌的计算，而所有的照明设计案例大多是来自于照明灯具的综合应用。多家厂商，不符合实际操作要求。

因此，邀请了BEGA、THORN、ERCO、OSRAM、BJB、Meyer、Louis等世界著名厂商共同投资开发具有“集成应用”的新型照明软件，并于1992年成功推出照明。首次亮相汉诺威展会的软件得到了各界的认可，逐渐成为欧洲灯光软件的顶级品牌。

因为它可以集成各种照明灯具，进行精确的照明计算，还具有虚拟现实的功能，所以整个空间设计，无论是室内、室外、建筑、展览场地的“照明设计规划”，都可以实现在 3D 中。立体图法在电脑中完美呈现，所有光照数据也以图表的形式清晰列出。此外，操作界面相当简洁友好，一经推出便立即在欧洲国家掀起热潮。回声也为业界建立了公认的照明“标准”基础。