黑瞎子岛植物园建筑风环境分析

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海·2011黑瞎子岛植物园建筑风环境分析胡洪1陆扬2苏骏11上海建筑设计研究院有限公司2上海现代建筑设计（集团）有限公司饮【段摘勇要哄】支B饱I郊M磨技泼术葛近贱年兰来摸发折展述迅属速桃。匠黑堵瞎脱子虫植蓬物耐园壶在骡建冬筑钩设伶计袜初机期涉就航成托功孔地址引顺入僚了谜B云I绕M惧技蝶术婆。牲而律在挡建弟筑窗风求环瞧境桂设嘱计鞠中晴，烧C拜F警D峡技严术风应醉用因广熔泛伐。邻本糠文扁着夹重孔介捆绍焰了杀C乎F袜D帝技暑术到结柳合书B旬I吗M赴技泡术哭的没切裳入笋和祥应阳用删，本并婶对蝇植母物劫园犹室寄外册风蕉环蚕境笔、经室闷内旅自翅然龄通罩风晕、威空疏调绸流末场呆及肉热杀舒交适该性勒等秀进均行盈了任模捉拟卖计赤算肃。气根餐据坐模避拟凉的加建闻筑努风垃环规境倦动羡态究调扁整毕和旬优痛化喜建笋筑泛布充局箭和白朝种向利，变优抚化眨建鄙筑寨布惊局福。哄同锦时宗，丰根握据怀C债F彼D些的孤室发内但温陵湿难度只场轻计菜算参，市校势核困植勒物阿生南长蹲条仇件删需估求秒，歇采凑用垮局换部启空叙气依调丸节港以哭实膊现丛节楼能邀。第【歇关毕键马字寿】嚼B优I田M伞C躲F罪D天筐建催筑支风管环促境江热肾舒醒适拍环故境妨优忠化剧设辱计妖A狸n祖a杀l旗y框s钩i疫s农执o晋n定觉t有h掌e绑升W以i垒n颜d私陆E尺n障v犬i边r私o永n浆m商e细n均t涉受o床f松冒H忌e列i急凭X舟i养a惨-绑z唤i袜楼B贩o阁t协a阔n拍i计c怒a株l潮乡G省a厉r印d榆e接n发H语U纯症H两o裤n虫g窃1暮,位北L题U泊碧Y坑a营n涉g捡2眉,钳乱S躲U变底J闪u炕n杂1觉1律S捐h置a蛇n庙g搏h倡a与i旷倚I怖n保s属t鲁i扭t妥u宏t笛e例豪o桨f搅缎A失r砍c全h其i件t禾e脏c福t蓝u颂r叶a特l薯驾D貌e富s赢i叛g恒n谊瓶a请n柄d统叼R嚼e孤s鸣e幕a刘r娱c倍h慌2逃S甚h去a肿n馒g给h续a六i签乎X岔I饮A戒N谜D搜A昨I觉史A贫r沃c挣h权i束t棕e婆c任t脊u扩r债a逐l誉数D晶e捡s覆i庙g逮n溉松G猫r题o押u分pAbstract:BIMtechnologyhasdevelopedrapidlyinrecentyears.持A戚n胡d疤竖t钓h仇e民支B哄I该M枪膝t怠e见c脑h翅n薪o使l株o信g助y滋吩w呢a阀s甜咸s天u罢c蔑c窗e灶s敏s关f隐u削l煎l孔y恳联i声n毁t杀r煮o雨d碎u失c焰e碧d晕布t存o努纠H躬e查i舞房X炮i牛a焦-杯z誓i凉论B理o港t拳a零n宣i许c从a剑l腰倾G碑a证r色d葡e文n惊疗i易n亮盈e少a僻r屋l普y爱丸a禾r宁c冰h袍i裕t寄e研c播t扣u磁r愉a出l希式d胶e会s肠i被g荡n叼.熔须C桨F走D峡庆t读e汁c邪h蜓n惯o峡l辩o锋g纵y预陷i伤s弟押w爬i加d判e探l膛y琴染u闭s家e旨d替张i武n铁惩t盲h棒e瑞痛a芝r左c窝h以i浅t钱e黑c跨t幅u局r宏a卧l贝懂d趋e萍s随i塞g定n打纽o妙f竟缩b如u巡i固l沉d摇i造n敌g遵之w阵i告n生d厉督e兴n汁v牙i占r窜o酸n峰m例e薯n宵t啊.砌练T久h悼e酬艺t斧h伐e摔s疑i殊s患渡i醉s旅坟f煎o银c巾u脏s供乒o兴n蔽后t疑h构e据煎i鹊n臣t蛙r世o地d短u告c焰t赖i脱o红n愁柿o芦f巴半t邻h箱e学炼a筝p厚p俊l搜i猎c够a角t掠i裕o秘n烈严o希f倘劣C糟F梯D磨喊t牧e危c水h呼n赤o董l鸣o主g艰y暖屠c朝o养m蚕b暴i弯n亏a扛t俩i仓o嗽n冰限w雷i把t缩h激旷B绕I害M膏蓬t勿e贴c澡h咳n苹o耐l躬o谷g董y浙.革T奶h崖e慨恒b坛u贸i交l幅d蜻i盈n历g闷到w浪i垂n猾d割凶e轨n惯v置i霞r皆o俱n书m葛e鸦n梢t赔o币u方t占巡s类i由d两e欠棍,历t贪h纺e恰酸i披n冤d垦o颈o樱r支含n袜a者t携u摊r镜a导l撑微v拥e连n煎t牲i刺l窗a稠t救i湖o记n钳变a乎n叙d牧攀t铅h摇e妄学i胞n肤d飞o凯o污r虫辞a漂i握r气席f萌l胳o光w忧底f征i裳e享l市d清庆w瘦e葛r责e拒怪c既a伸l胸c粮u租l简a恐t切e积d准饭o治u章t翠爹b暗y越催C蜡F贿D胞忆s爱o徒f很t背w扔a覆r室e籍浴p疲a晒c锦k蛮a珠g烛e链.阁秧A丽c酒c奋o扎r工d陕i槐n企g康偿t豪o织暴t稀h诉e的猾c疗o辅m灰p俭u策t教a蝶t宵i状o愧n眠奶r岸e顾s爽u抽l遣t衬s铺,驶H茫e慎i巡唉X盏i链a劫-踢z责i榜型b哗u演i僚l县d律i谢n牲g浴相l惹a贵y群o狼u鸦t竟举w慧a像s渗睛a员d葡j现u寇s阀t驰e辨d臂皆d师y庸n夹a闯m省i扒c缓l滨y恰t哥o扔悼o祥p株t渗i约m降i泼z株e垒条t物h菜e故务d缝e垦s确i羡g森n他.摧旱M顶e仆a姜n排w英h斤i凤l初e策,奉荷a羽c薪c乓o披r汉d真i妨n译g腹杜t雄o羊伯C御F弯D饺式c吐a笼l摸c杀u肝l偏a猾t摧i填o厨n减患o昨f暂刊i眉n飘d岛o透o居r课腐t扁e衰m作p妄e箭r同a醋t欣u临r未e密前a另n路d赖洞h胃u根m荷i瓣d毛i芒t蜜y垒石f那i熄e灰l疼d快s莫妥a粉n苏d逐敏c雪h深e驱c浅k障i腹n聚g陪妥t垦h擦e三据c础o艳n尽d菌i玩t伪i成o肾n稿s貌肠o除f幕岔p乳l率a天n卡t本跟g险r扩o化w棋t免h纱观n近e启e疯d士s耐,缸壤t缝h陷e坦完l得o局c竖a肝l猾确a仙i桑r贡乎c交o潜n硬d费i革t缸i推o俗n还i蚀n澡g内耍t铃e躬c惠h第n咏o劳l东o罗g统y距剩w拿a疤s知两u徐s冷e识d针奋t课o暖榨s妙a偿v然e偿丙e免n医e厅r市g轮y舒.Keywords:BIM;CFD;BuildingWindEnvironment;ComfortableThermalEnvironment;OptimalDesign1.工程概况黑龙江省黑瞎子岛植物园位于我国东北地区，黑龙江省抚远县黑瞎子岛主岛上，黑瞎子岛部分处于我国的最东方。本工程为岛上独立植物园，建筑面积约19284m2，包括地上展览温室建筑面积约9784m2，地下附属用房建筑面积约9500m2。展览温室用以展示生长在不同地域和气候条件的植物及其生存环境。图1黑瞎子岛地理位置2.地理与气象环境图1黑瞎子岛地理位置黑瞎子岛位于E134°27′,N48°17′，海拔高度81.2米，夏季主导风向为西南风，2.9m/s，当地大气压力为994.1kPa。由于地球上各区域的不同纬度和太阳方位角使得其接受太阳辐射热量不同，再加上地球自转，大气环流形成，进而形成地球宏观气候；而近地面地区生物的生存、人对自然资源的利用与开发、各种建造活动等人为因素影响等，影响了区域性生态，改变了大气中各物质的组成结构，使局部气候状况出现变化，进而形成了特定地区的微观气候特征。而建筑的形成受宏观气候与区域微观气候的共同作用，气候差异性在不同地区建筑特征上呈现出一定的多样性[1-3]。展览温室是由人工控制的、展示生长在不同地域和气候条件的植物及其生存环境的空间，而不同地域和气候条件下的植物要求不同的生存环境。为此，采用空气调节技术对展览温室内部环境进行调节，即通过科学技术手段，以空调、采暖、通风等技术措施来模拟展览植物原生长地的温度、相对湿度、通风状况和CO2浓度，再造展览植物的原长地生态环境，营造植物健康成长的室内环境，同时保证全年公众观园游览、学习认识的舒适性。3.室外风环境不同区域条件存在不同的风环境状况，室外风环境这一气候因子直接影响到建筑的布局、形体、围护结构的产生以及相关技术的选择[4]。为此，在建筑方案初期就充分考虑到建筑体得朝向，结合CFD技术来达到优化设计的目的。建立了建筑体的BIM模型，并利用模型生成CFD需要的分析模型，导入CFD相关软件进行网格划分、边界条件指定和流场计算。并在计算过程中动态调整流场的建筑体的朝向，使建筑布局充分迎合当地夏季主导风向，以此加强建筑内部自然通风效果。计算所得的室外风场矢量图和云图如图2、图3所示。图2黑瞎子植物园室外风矢量图图3黑瞎子植物园室外风云图和等值线图从室外风速矢量图和风速云图来看，夏季的主导风西南风迎建筑西南面吹来，此时建筑下部窗户和ETFE膜同时开启，引导空气穿越为室内导风，很好地加强了室内自然通风效果；建筑外部椭球形表面使得室外风自然分流，绕建筑表面两侧前行，并在椭球中后部出现边界层分离，两股气流交汇前行。整个建筑外部区域没有出现大的旋涡和气流死角，这样很好地避免了热量在此堆积，及时将建筑外部余热带走，避免产生局部热堆积效应；同时也避免了旋涡区域空气停留聚集，加强了建筑外部通风换气，为建筑营造一个良好的室外通风环境。4.室内平面通风与空气调节4.1室内平面通风在夏季和过度季节，采用可开启ETFE膜进行自然通风，同时顶部适当遮荫，满足夏季植物区降温要求；在建筑下、中部设置可开启侧窗引风，顶部天窗排风，开窗面积为建筑面积14%，利用室外风力所造成的风压以及室内外温度差所造成的热压来实现自然通风换气，这一过程不仅引入了大量室外新风提高了室内舒适程度，同时使室外风通过温室植物区，带走温室热量，达到自然通风降温的目的，大大降低了建筑空调能耗。图4黑瞎子植物园室内自然通风平面图从室内Z=1.5米标高平面自然通风矢量图来看，室外风通过外窗和可开启ETFE膜进入室内，外窗和可开启ETFE膜起到很好地导风作用，促使室外自然风进入室内各植物区，为植物呼吸带来新鲜空气的同时，带走了室内的热量，使得植物处于一个适宜的热湿风环境下，保证植物的健康成长；同时，室内各区域自然风在各植物区域流动畅通，没有出现大的旋涡和气流死角，这样很好地避免了污浊空气和粉尘在房间内聚集，及时将其排出室外，保证了植物区和人员活动区域的空气品质。4.2室内空气调节图5夏季热带植物区1.5米标高平面温度分布展览温室是以热带、亚热带及其他具有特殊气候或地域的植物种类为主要对象，根据植物生长需求，夏季植物区温度保持35℃以下便可不影响其生长，所以从节约能源出发，并征询有关植物学专家意见，温室内空调仅对人行道进行局部区域空调，保证游人区域适当的舒适性。如图5中，热带植物区区域的人行道地面布置了空调送风口。人行道空调送风采用全新风机器露点送风，夏季新风处理到温度20℃。1.5米高度是人体活动的重要范围，其范围内的温湿度直接关系到人体舒适，为此，此区域的风速和温度需要我们重点考虑。图中给出了1.5米标高处室内温度分布云图，从图中温度分布来看，人体主要活动的道路范围内，温度基本维持在23-26度左右，这一范围正好能满足人体的舒适性需求；而道路两侧的温度相对较高一些，平均约为28-30度左右，这一温度范围也是植物生产需求的合适温度区域。从温度分布云图可以看出，路面下送风形式仅仅对温室内人体活动的小部分范围(道路)进行局部空气调节，保证人体舒适性，同时也达到满足植物生产的合适温度需求。这样设计的路面送风“置换式(通风)”形式不仅达到了设计得目的，而且起到了很好的节能效果。5.剖面风与热环境新鲜空气从开启的门窗进入，利用热压通风和风压通风实现自然通风，排出的空气在中庭上空汇合，从顶部可开启天窗拔出。中庭天窗出口空气在太阳直接辐射作用下温度进一步升高，同时反作用于出口处，加强了天窗拔风效果。图6室内剖面风速矢量图图7室内剖面温度分布从剖面温度分布来看，路面下送风置换式通风形式取得的效果更为直观、更明显。室内出现了明显的温度分层，梯度十分明显。下部1-2米范围内为人体活动区域，其温度控制在23-26度范围内；这一范围内空气在吸收室内余热余后温度升高、密度将小，热空气慢慢上浮，与室外风一起汇合从屋顶天窗导出。室内人体活动的范围形成了一个相对的“低温空气湖”，不仅很好地满足了人体的舒适性需求，同时达到了明显的节能效果。6.总结随着BIM技术的逐步发展，其在一些复杂造型复杂、超高层建筑等的应用中越来越受到重视。黑瞎子植物园在建筑设计初期就成功地引入了BIM技术。如今，CFD技术广泛运用于建筑群体风环境、室内自然通风、室内空调温度场以及热舒适性计算，这在很大程度上可以指导建筑总体布局、建筑朝向以及室内通风、空调系统设计等。在BIM技术日益推广和应用下，本文介绍了在BIM技术下，CFD技术的成功切入和应用。并对植物园室外风环境、室内自然通风、空调流场及热舒适性等进行了模拟计算。根据模拟的建筑室外风环境结果动态地调整和优化建筑布局和朝向，使建筑摆放充分迎合夏季主导风向，强化室内自然通风。同时，在暖通设计时，充分考虑到园区植物的生长条件和游人的舒适性