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1、精选优质文档-倾情为你奉上“数字化仿真” 摘要 针对综合体在绿色性能和舒适性能方面的设计局限，通过阐述数字化仿真技术在重庆龙湖时代天街二期综合体项目中的实际应用，探索建立基于模型的多学科设计优化仿真技术体系。 关键词 综合体 仿真 多学科设计优化 城市集约化发展需求愈演愈烈，发展绿色节能、多样化、功能化的城市综合体成为建立节约型、集约化的和谐城市的有效途径之一。商业综合体作为城市综合体的重要组成部分，其内部空间组织、业态分布、照明设备的选用及布置方式，空气调节系统选用、运行状况、动力设备的运转状况等因素都直接影响商业综合体建筑在能源消耗方面的表现。同时，商业综合体在空间构成、不同功能空间的比例
2、及位置关系，会直接导致其内部空间在达到相同舒适度要求条件下能源消耗量的改变。室内舒适度不仅与空调设计有关，还会受到采光、日照、遮阳等一系列因素的影响，因此对于能耗与舒适度的衡量，我们需要综合分析与评价，而先进的仿真技术等手段的引入，为这种分析与评价提供了良好的途径。不同于传统建筑设计流程，数字化性能仿真可贯穿于整个设计阶段，设计团队根据仿真结果能够及时调整方案，对综合体等复杂建筑设计具有指导意义（图1）。 1 数字逻辑与优化设计 基于对数字化仿真技术的研究，我们进行了大量实际项目的仿真实践，为甲方更好地进行设计优化提供建议，其中重庆龙湖时代天街二期商业综合体项目（图2）功能复杂、性能要求较高，
3、是数字化仿真实际应用的典型案例。为了达到充分提升商业效应，聚集人气和有效利用土地的目的，项目通过一个贯穿整个用地、长达270m的大型中庭将商业、餐饮、娱乐、书城等功能串联起来。中庭面积达26000m?，其中不仅有人员、设备和照明等大量内热源，同时屋顶设计了2000m?的天窗，夏季直接进入室内的大量太阳辐射将进一步增加空调系统的负荷。基于现有的数字化仿真工具，我们针对夏季室内能源消耗、舒适度、日照、采光进行模拟，建立起一套紧密联系需求的优化设计方法，具体技术路线如下：1）能耗仿真总体分析能耗组成特点及优化方向；2）舒适度仿真分析最不利时刻空间舒适度分布；3）日照仿真分析遮阳系统的性能特点；4）采
4、光仿真解耦合分析确定遮阳系统的优化方案；5）能耗及舒适度仿真的验证（图3）。 1.1 能耗仿真 我们首先根据设计图纸建立三维能耗仿真模型，再根据设计说明和甲方建设、运营标准及相关资料提取包括室内设计参数、围护结构参数、设备参数、运行参数、气象参数（图4）在内的各种热扰数据，然后在此基础上建立仿真边界条件，进行全年动态能耗仿真计算。 根据全年逐时动态能耗分析结果，可以发现建筑能耗与室外温度的变化趋势基本是同步的（图5），峰值能耗出现在89月；在全年能耗中，照明达40%左右占据了较大份额（图6，7），在同类建筑中处于相对较高的水平。冷机、电气设备及冷却水系统能耗紧随其后，因此必须从这几部分充分挖掘
5、节能潜力。然而，仅依靠能耗模拟无法精确分析最不利时刻的舒适度空间和采光分布变化，因此我们考虑引入舒适度、日照、采光仿真进行深入分析。 1.2 舒适度仿真 同样，我们建立起中庭区域的三维模型，结合各类设计指标与要求获取相关参数设定边界条件进行仿真分析。计算结果显示（图813）：在根据能耗仿真得到的最不利时刻下，中庭人行区域温度场分布总体较为均匀，基本控制在设计温度范围内，但局部天窗温度可达到400C以上。这是由于四、五层的供冷量较足，相对其他楼层高一倍以上，因此根据烟囱效应整个建筑内未有明显的分层现象。但是天窗附近没有风机，也无法开窗，所以气流流动不畅（经模拟，最低风速低于0.3m/s），导致局
6、部过热。 由于上述结果完全按照设备的最大供冷量进行模拟，当出现极端情况（例如人员密度超过设计密度）时，未留有足够的冗余量，所以还需针对太阳辐射进一步加以控制。 1.3 日照仿真 通过日照仿真分析遮阳系统的性能特点，得到天窗的遮阳效率及潜力。仿真计算（图14，15）后发现：由于内遮阳间距较大，天窗在1114点辐射最强的时间段内未能有效遮挡辐射（图16），遮挡量只有10%20%左右，具有一定的遮阳提升潜力。同时，根据最不利时刻的室内得热分析（图17），太阳辐射得热占32%左右为影响较大的因素，其他依次是照明、设备、人员及传导。在本次模拟中，温度基本保证在设计范围内，但为了防止出现人员设备密度增加或
7、太阳辐射暴增等超出设计条件的突发问题还需要借助采光分析充分挖掘遮阳的潜力。 1.4 采光仿真 通过采光仿真解耦合分析确定遮阳系统的优化方案。在能耗一定的情况下（图18），一方面随着天窗面积的增加，热舒适度会逐渐降低；另一方面随着天窗面积的增加，光舒适度在一定范围内逐渐上升，当超过某一限制后，由于眩光和过亮的情况发生，光舒适度会逐渐下降，所以综合二者分析，可通过采光来确定天窗面积的最佳上限。该值确定后，便可通过遮阳、玻璃性能参数间接调节天窗面积，使其同时满足光舒适度和热舒适度。 根据北美照明工程学会照明指导手册（IESNA GuideBook）对于商场的建议：视觉焦点照度不超过背景照度的三倍，从
8、而不至于对购物者的注意力产生负面影响。此影响主要考虑不舒适型眩光会分散消费者对于主要展示空间及商业橱窗的注意力。针对此项目，如果自然采光过亮，则削弱了中庭和临近中庭店铺的空间照明展示效果，不利于商业气氛的营造。因此，采光中庭中人行区域的平均照度按照5001x计算（根据电气设计说明），中庭共享空间的平均照度（包括竖直面和水平面）应控制在15001x左右。 就此根据模拟分析可发现，将天窗玻璃从单银Low-E改为遮阳效果更好的双银Low-E（保证K值情况下其遮阳系数0.4和可见光透过率0.62分别调整为0.29和0.58），能使首层中庭共享空间照度均值从2000lx降低到15001x，达到周围照明5
9、001x左右（图19），具有较好的视觉效果，而玻璃增量成本在1520元/m?之间，最终甲方也采纳了此方案。 1.5综合仿真验证（能耗与舒适度验证） 综合以上分析结果，综合体建筑的性能优化主要可以从两方面入手：降低照明功率密度和改善中庭天窗遮阳效果。项目照明功耗较大，商铺零售、书城、厨房、餐饮等部分照明功率密度值远高于GB50189-2005公共建筑节能设计标准的要求，所以可按标准调整参数，降低照明功耗，同时在保证采光和舒适度的前提下，需进一步控制进入中庭的太阳辐射。 通过能耗模拟分析，优化后（表1）较优化前总能耗下降了5562MW?h/a，节能率14%。其中照明系统节能最为明显，节能5115.
10、8MW?h/a，节能率32%；由于照明功率密度的大幅降低，室内得热项也大大降低，因此冷机和冷却水系统能耗也得到了一定程度的下降；而室内得热降低导致冬季冷负荷的增加，锅炉能耗上升了664.9MW?h/a，约为原能耗的54%，但通过整体优化，本项目可实现年节约成本460.6万元，占优化前成本的14.4%， 同样在舒适度验证中，优化后整体平均温度及速度分布和趋势没有明显变化，但人行区域的最高温度下降0.51，尤其是明显偏高的区域下降显著（图20）；同时屋顶天窗局部最高温也从430C下降为400C，具有明显改善效果。此外，太阳辐射得热也降低了30%左右（9.5W/m?），比重也从32.4%降低到25.
11、8%（图21）。 通过综合验证分析，降低照明功率密度并改善中庭天窗遮阳效果的技术方案确实能在保持正常照明的水平上进一步降低太阳辐射，并减少总能耗。最终甲方接受了仿真结果建议，改用双银Low-E玻璃，并按要求在保证照明的前提下，降低照明功率密度。目前此项目还未正式运营，后续我们将在运营阶段对该项目进行舒适度与能耗监测，将实际结果与仿真结果对比分析，以更好地指导仿真优化服务。 2 多学科优化体系建设 数字化仿真模拟技术不仅是能耗计算的有力助手，而且能精确分析室内舒适度情况，应对复杂的商业综合体设计。然而，通过本项目的研究，我们发现对于同时强调气氛营造和舒适、节能的商业综合体建筑来说，能耗、舒适度、
12、遮阳、采光之间相互关联，处处耦合，因此要从能耗人手，分步对舒适度、日照、采光进行分析，平衡其中的耦合关系，综合给出解决方案，再返回各环节予以验证。 无疑，这种离线手动解耦的过程仍然相对复杂，不如在线迭代解耦快速与精确，而且对于不同类型的仿真分析，所需的软硬件环境不同，格式互通也不完善。所以对于综合体这类功能复合、综合性能要求高的复杂系统设计而言，以BIM作为信息数据集成共享协同的基础，以MDO（ Multidisciplinary Design Optimization）深度优化设计流程并得到综合最佳实现方案（图22，23），同时借助先进的IT资源作为技术保障，构建综合体建设的仿真技术体系，将
13、建立起自动化、规范化的设计流程，并且实现跨学科、跨系统的协同，全面提高设计效率。图24是我们构想的基于模型的V型MDO仿真技术体系，V型是一种在航空航天领域中广泛应用的系统工程开发方法，NASA常讲的“fly before built（建造前飞行）”就是指这种开始并没有制造，而在虚拟数字环境下基于模型去设计、制造、试验等，这样就可以看到最终场景，并在整个过程中不断完善需求，不断适应变化。我们在V型中间插入一个BIM模型库，V型的左边每一步都和模型库对应，进行虚拟数字环境下的方案、设计、施工图等全过程，也就是以V型的左边（利用多学科性能优化仿真技术驱动前期设计验证）和中间的模型库实现全V过程的虚
14、拟化，并快速迭代，最后建造出来就实现了“一次成功”，从而使V的右边顺利快速地完成。 3 结语 无论是综合体还是其他复杂类型建筑的建设流程，前期的规划、设计对整个生命周期中开发成本的影响最大，所以这个阶段非常重要。而仿真结果能够描述建筑性能，因此仿真技术的应用已经不仅仅是单纯的后期设计验证，更多的是在前期驱动和优化设计。我们在大量的研发和项目实践过程中，可以深切体会到，数字化仿真技术不仅仅是单纯意义上的技术仿真，它更是一个整合、集成和优化的过程。一方面，性能仿真同优化技术结合，进行设计方案的自动生成和智能优化，这一方向的发展将释放更多的劳动力，使其以更智能的方式开展设计工作。虽然这一方法和技术还远未成熟，但其重要的理论和应用价值已初步显现。另一方面，对大数据的深入挖掘，可以为建筑仿真分析和诊断提供强有力的支持，同时让它们更有针对性。可以说，大数据时代科学研究范式的变化必将带动建模与仿真技术的变革，新的科学研究方式将应运而生。专心-专注-专业
