基于BIM技术的建筑物被动式风环境节能优化研究.pdf
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1、27GreenBuildingsJournalofBEENo.9 in2023(Total Vol.51.No.391)绿色建筑2023年第9 期(总第51卷第39 1期)建筑节能(中英文)doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.09.005基于BIM技术的建筑物被动式风环境节能优化研究安利宁(甘肃省建设设计咨询集团有限公司,兰州730000)摘要:为了降低建筑物能量消耗,助力建筑物被动式风环境节能,研究了基于BIM技术的建筑物被动式风环境节能优化方法。有效预处理建筑物CAD图纸,并将其输入到Revit软件中,构建建筑物BIM模型,经Lumion软件加载与染后,获得
2、纹理清晰的建筑物BIM模型;使用建筑物能耗模拟引擎OpenStudio、Ph o e n i c s 风环境软件构建被动式建筑风环境能耗物理模型,分析建筑物表面风环境;以窗墙比、保温板厚度作为被动式风环境节能优化的节能因子,构建建筑物制冷与采暖能耗最低两个适应度函数,经非支配排序遗传算法多目标优化求解后,输出最优建筑物被动式风环境节能优化方案。实验结果表明:该方法可以实现建筑物被动式风环境节能优化,节能优化后建筑物能量消耗明显降低。关键词:建筑信息模型技术;被动式建筑物;风环境模拟;节能优化;模型构建;NSGA-I算法中图分类号:TU243文献标志码:A文章编号:2096-9422(2023)
3、09-0027-05nergy Saving Optimization of Building Passive Wind Environment Based on BInAN Lining(Gansu Construction Design Consulting Group CoLTD,Lanzhou 730000,China)Abstract:In order to reduce the energy consumption of buildings and help the energy conservation ofpassive wind environment of building
4、s,the energy conservation optimization for passive wind environmentof buildings based on BIM is studied.The building CAD drawings are effectively preprocessed,inputtingthem into Revit to build the BIM model.After loading and rendering by Lumion software,the BIM modelwith clear texture is obtained;Bu
5、ilding energy consumption simulation engine OpenStudio and Phoenixwind environment software are used to build a physical model of passive building wind environment energyconsumption and analyze the building surface wind environment;Taking window wall ratio and thethickness of insulation board as the
6、 energy-saving factors for the energy-saving optimization of passive windenvironment,the two fitness functions with the lowest energy consumption of building refrigeration andheating are constructed.The optimal energy-saving optimization scheme of passive wind environment ofbuildings is output after
7、 the multi-objective optimization solution of non-dominated sorting geneticalgorithm.The experimental results show that this method can realize the energy-saving optimization ofbuilding passive wind environment,and the building energy consumption is significantly reduced afierenergy-savingoptimizati
8、on.Keywords:Building Information Modeling(BIM);passive buildings;wind environment simulation;energy saving optimization;model construction;NSGA-II algorithm0引言针对建筑能源消耗高增长问题,人们积极进行有关建筑节能的设计。在此背景下,被动式建筑较之传统建筑,其优势在于使用可再生能源作为建筑物的能收稿日期:2 0 2 2-0 5-17;修回日期:2 0 2 3-0 9-19源供给,具有高性能的围护结构设计,并且被动策略具有高气密特征,不仅能够
9、保障居住环境的高舒适性,还能最大限度地减少采暖、制冷对建筑物的制约性,达到应用最小的能耗保障建筑物舒适性的目的1,2 自然风作为一种非常重要的可再生能源,在改善28安利宁:基于BIM技术的建筑物被动式风环境节能优化研究室内湿热环境、增强被动式建筑物居住舒适度方面具有重要作用。如果能对自然风进行合理利用,不仅能够提高被动式建筑物的居住舒适度,还能够大幅度降低被动式建筑物的能量消耗3.4。而风环境质量除受气候因素影响外,建筑物的尺寸、布局也会对其产生影响。为此,国内外诸多学者对建筑物被动式风环境节能优化方法进行了大量的研究,并取得了一定成绩。如康宇等人对建筑物被动式风环境多目标节能优化方法进行了研
10、究5。刘刚等人基于改进粒子群算法对建筑物被动式风环境节能优化方法进行了研究6 。二者均在一定程度上实现了建筑物的被动式风环境节能优化,但是只考虑了当地气候对风环境的影响,却未对建筑物尺寸以及布局对建筑物被动式风环境的影响进行充分的考虑。这导致输出的建筑物被动式风环境节能优化结果难以适用所有建筑物被动式风环境。BIM技术是一种基于三维数字技术,将工程建设项目实体、工程建设项目的各种有用信息以数字化的方式表达并呈现出来的工程建设用数据模型,可为工程建设项目提供大量的知识资源支持,为工程建设提供可靠的技术支撑,为建筑行业各方参与者提供有效的信息技术支持,有效避免了信息断层等问题的出现7 。为此,本文
11、充分利用BIM技术在建筑物节能方面的优势,并应用Phoenics软件对建筑物BIM模型进行有效的风环境模拟与分析,提出基于BIM技术的建筑物被动式风环境节能优化方法,优化选择适应度函数与多目标优化求解过程,以期最大限度降低被动式建筑能量消耗,更好地满足实际建筑物节能优化工作需要1建筑物被动式风环境节能优化1.1建筑物BIM模型构建BIM技术可以将二维图纸转换为更加直观的三维效果图,不仅能为工程建设提供可靠信息支撑,还可更高效直观地完成建筑物能耗的实时监控与管理8 。而CAD在图纸清晰度方面具有优势,因此,将二者相结合,利用BIM技术将建筑物CAD图纸变换成建筑物三维模型。具体的建模步骤可归结为
12、:(1)预处理建筑物CAD图纸。通常情况下,一个建筑的CAD图纸包含各层以及建筑物顶端平面图、立体面与楼梯剖视图几个主要部分组成。因而在进行建筑物BIM模型构建前,需要对建筑物CAD图纸进行合理的预处理。CAD图纸单位必须完全符合Revit软件对CAD图纸尺寸的要求,因而设定建筑物CAD图纸的单位为毫米,之后对建筑物CAD图纸执行平面划分操作,并将划分后的图纸进行分类粘贴与保存。(2)R e v i t 软件BIM模型创建。利用Revit软件依次创立标高与轴网、墙体、楼板、门窗、屋顶、楼梯以及扶手等模型信息,在完成这些信息创建后,利用Revit软件可导出建筑的BIM模型(3)Lumion软件B
13、IM模型加载与染。由于利用Revit软件生成的建筑物BIM模型并没有纹理信息,因而为了拥有更好的BIM建筑模型,应用Lumion软件对BIM模型进行加载与染。在对模型进行加载与染之前首先对其进行格式转换,将文件格式转化为Lumion软件识别格式。在Lumion软件中根据建筑物实际情况对场景进行选取并导人由Revit软件生成的BIM模型。之后根据实际情况对模型执行旋转、移动、建筑物部件选取等操作,并为建筑物部件选择适合的材质。除此之外,还可通过软件在建筑物附近以及内部布置一些景观或者装饰,增强建筑物BIM模型的真实感。待这些步骤完毕后,对模型进行染,便可生成最终的建筑物BIM模型。1.2建筑物风
14、环境模拟1.2.1建筑物风环境参数分析与参数选取假设来流风速呈现均匀分布状态,并且全部垂直水平面的风速值按建筑物的高度方向逐渐进行梯度性增加。按照大气边界层理论的相关阐述,模拟建筑物的实际状况从而进行合理的风速设定9 ,那么通常情况下风速会随着建筑物中各个位置所处的地形以及高度的变化而变化。关于高度以及风速之间的关系见公式(1):hVh=Vh(1)式中:Vh为建筑物在高度为h处的风速,m/s;h,为建筑物的基准高度,m;V为在h处的风速,m,在本文中,V满足V=10 m/s;r为指数,该指数的大小需要由模拟建筑物所在的地理位置决定。因标准k-模型只需耗费较少的成本便可较准确地完成对限制流的分析
15、,因而本文在对建筑物风环境进行模拟时,采用k-模型进行风环境模拟参数的设定,对圆柱射流等发散比率进行有效准确的预测,并以此为依据对风体气流的二次流行等主要特性执行有效合理的分析操作。除此之外,由于k-模型还对场地气流漩涡以及旋转等分析方面具有高质量的拟合性,因而,在建筑物整体风环境的模拟过程中,同样采用k-模型对场地气流漩涡以及旋转等方面信息进行高质量的拟合操作。k一s模型的控制方程见公式(2)k-模型的控制方程见公式(2):29ANLining.EnergySavingOptimizationofBuildingPassiveWindEnvironmentBasedonBIM(pu,)-d(
16、pu,u,)Paupuuj+Sdtx(2)式中:p为流体密度,m/s;P为顺风向压力,Pa;u为速度,m/s;u为脉动速度,m/s;puu为应力项,Pa;u为动力粘度,Pas;S,为动量方程广义源项;x与x,为空间坐标;u为i方向的时均速度,m/s;P为时均压力,Pa;u,为j方向的时均速度,m/s。1.2.2Phoenics软件建筑物风环境模拟分析在诸多的风环境模拟软件中,Phoenics软件具有较强的适应性与普遍性10 ,由于其在风环境模拟的速度、稳定性以及准确性方面具有显著的优势,因而本文中对建筑物风环境的模拟通过Phoenics软件来实现。在对建筑物风环境参数分析与选取基础上,本文利用
17、Phoenics软件对建筑物BIM模型进行场地风场分析,在主导风条件下,计算出与建筑物相关的风场信息,从而为建筑物风环境节能优化提供可靠数据支持。将利用Lumion软件最终生成的纹理信息较为清晰的建筑物BIM模型格式转化为Phoenics软件要求格式,开启Phoenics风环境软件后,首先进行网格设置操作:网格尺寸模板设为Null,网格长度为域长度的二分之一加高度;网格宽度为域宽度的二分之一加高度,高度为1.5m;网格数量,首先在doubleclick选项中选择“objecteffectgrid”,在Building选项中选择“only tick Zdirection”;在Null 选项中选择
18、 all the X,Y,Zd i r e c t i o n”。Nu l l 区域内全部网格均匀分配。在区域细胞网格中输人X、Y 方向方格间隔为3m;设置Null上下左右相邻的区域网格比例为正负1.5;垂直高度网格设置:网格数量为3个;网格域尺寸设置为建筑高度的二分之一。然后,进行网格无关性检验:基于全局网格大小,获得三个网格A、B、C的高精度解,网格A、B和C的解差异L1模小于误差判据,因此认为网格的解是网格无关解。最后,对建筑物BIM模型执行导入操作,并输人由Realizable-k-模型设定的风环境模拟参数以及其他参数信息,完成对建筑物表面风环境的模拟。1.3建筑物被动式风环境节能优化
19、实现1.3.1被动式建筑风环境能耗物理模型构建在通过Phoenics软件对建筑物风环境模拟分析后,会探求到被动式建筑布局当中的不足之处,这些不足之处可能会导致被动式建筑能耗的增加,为此,本文根据建筑物模拟分析结果与建筑物BIM模型,构建被动式建筑风环境能耗物理模型,探求合理的方式以降低被动式建筑的能量消耗。被动式建筑风环境能耗物理模型见图1。被动式建筑能耗物理模型参数优化能耗模拟风环境模拟主要参数主要参数构件热工属性1测试点选取1室内热扰参数1对圆柱流等发11散比率1新风和渗透11建筑风环境模拟PhoenicsOpenStudio建筑能耗模拟全年逐时风环境各测试点风速模拟结果全年逐时能耗模拟结
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