被动式环境调控建筑并行设计平台构建方法研究

摘要

传统的建筑设计属于一个串行的线性终端式过程，不同专业相互之间没有太多的交叉设计，室内环境调控主要是通过暖通工程师后期的设备系统设计来完成，这样的设计方法不仅在建造阶段和运行阶段造成大量的资源和能源消耗，而且还会对环境造成污染破坏。针对这一现象，在设计过程中应该充分挖掘建筑自身的调节潜力，通过被动式环境调控技术及可再生能源利用实现以尽可能低的资源和能源消耗最大限度地改善建筑整体热性能。被动式环境调控建筑的设计需要重新审视传统的线性终端式设计流程，暖通工程师有必要全程参与到建筑设计过程中辅助建筑师完成建筑热设计的优化，以进一步完善设计方案，在建筑设计初始阶段最大化地实现建筑节能。本文通过对被动式环境调控建筑和设计策略和技术应用进行研究分析，构建基于BIM方法的建筑师与工程师并行设计平台，对设计过程中建筑设计方案的性能评价的一些关键应用基础问题进行研究，探索被动式环境调控建筑的设计及评价方法。本论文通过理论和实验研究、工程案例设计实践，重点探讨了以下问题:
　　首先，选用并行设计方法作为被动式环境调控建筑设计的基础方法，建立了并行设计过程中建筑性能评价体系，该建筑性能评价模型能够贯穿整个建筑设计建造过程，即概念设计分析建筑微气候，初步设计阶段评价建筑光环境和热环境，当建筑施工完成后利用温度场可视化对建筑热性能进行评价。并行设计方法和评价体系的建立为构建被动式环境调控建筑并行设计平台提供了理论基础。
　　其次，针对被动式环境调控建筑设计策略和技术应用进行了研究。对于被动式环境调控建筑设计策略和技术的应用遵循金字塔法则，应用设计策略和技术以改变建筑形式、围护结构来减少建筑能源需求和利用被动式技术应用可再生能源为主要目标，尽量避免使用辅助设备;研究了建筑组群、建筑单体和建筑构件三个尺度上自然采光、采暖、降温和通风四个方面可利用的被动式环境调控建筑设计策略，并通过案例分析着重研究了应用被动式采暖技术对建筑能耗的影响，分析结果表明对于案例建筑在北京地区使用附加阳光间和太阳能空气集热器技术可以降低能耗38.7％，研究被动式设计策略的适用性得出北京、兰州、西安、沈阳四个城市中，北京和兰州适合使用附加阳光间技术，四个城市太阳能空气集热器的供暖保证率由高到低依次为北京38％、兰州35％、沈阳31％和西安27％。
　　第三，基于BIM方法对建筑设计不同阶段设计方案的性能评价进行了应用研究。在建筑规划布局阶段，利用Weather Tool确定建筑的最佳朝向以及利用焓湿图分析被动式策略对建筑热舒适范围的影响;建筑初步设计阶段，利用Autodesk Ecotect Analysis对建筑自然采光和热环境两个方面进行分析来评价建筑师的设计方案，以便帮助建筑师完成热优化设计，进一步完善设计方案;建筑施工完成后，通过实验研究利用SwemaReview对室内温度场可视化来评价已有建筑的热性能，同时可以作为专家信息库加入并行设计平台，辅助建筑师进行方案决策。
　　最后，提出了被动式环境调控建筑并行设计平台构建方法，即以建筑师和暖通工程师构成设计团队，基于能够整合建筑信息的BIM平台作为并行设计平台，建筑师和暖通工程师从概念设计到建筑信息模型的建立再到初步设计与备选设计方案的优化，相互交叉配合完成并行设计实现建筑热设计优化，采用熵权多目标决策法综合建筑能耗、被动式技术供热量、平均自然采光系数、全年不舒适度、经济性指标等评价指标选出最优的设计方案，并通过案例设计，探讨基于并行设计平台进行被动式环境调控建筑设计的具体应用方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．2．1 被动式环境调控技术

1．2．2 建筑热设计优化及性能评价

1．2．3 并行设计平台及BIM方法

1．2．4 目前研究所存在的问题

1．3 本文的研究内容

2 建筑系统设计理论基础

2．1 相关概念

2．2 并行设计方法

2．3 建筑性能评价体系

2．4 本章小结

3 被动式环境调控技术集成应用策略研究

3．1 设计策略与技术集成应用

3．2 设计策略

3．2．1 被动式环境调控策略

3．2．2 被动式环境调控策略的作用

3．3 技术集成应用案例分析

3．3．1 对象描述

3．3．2 设计策略对能耗的影响

3．3．3 地区适用性

3．4 本章小结

4 基于BIM方法的建筑环境性能评价信息模式研究

4．1 气候特征分析

4．1．1 建筑最佳朝向

4．1．2 被动式策略分析

4．2 自然采光评价

4．2．1 自然采光系数

4．2．2 照明能耗

4．3 热环境评价

4．3．1 模拟计算方法

4．3．2 能耗和不舒适度分析

4．4 太阳能空气采暖系统运行效果可视化研究

4．4．1 实验概要

4．4．2 实验数据的可视化方法

4．4．3 可视化描述方法

4．5 本章小结

5 并行设计平台构建框架体系研究

5．1 被动式环境调控建筑设计团队

5．1．1 设计团队的构成和特点

5．1．2 设计团队的分工与合作

5．2 被动式环境调控建筑设计平台

5．3 被动式环境调控建筑设计流程

5．3．1 概念设计

5．3．2 建筑信息模型的建立

5．3．3 初步设计与备选设计方案的优化集成

5．4 被动式环境调控建筑设计方案的评价方法

5．4．1 评价体系研究

5．4．2 评价方法——熵权多目标决策法

5．5 本章小结

6 基于并行设计平台的工程设计案例应用

6．1 规划设计

6．2 方案初步设计

6．3 方案完善设计

6．4 最优方案的选择

6．5 本章小结

结论

创新点

参考文献

附录A 设计案例围护结构构造及做法

附录B 被动式采暖技术性能评价指标计算方法

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

攻读硕士学位期间参与的科研项目

攻读硕士学位期间申请专利

致谢