随着建筑设计精细化和精确化的发展，越来越多的建筑项目需要借助计算机模拟技术来提升项目的设计、建造和高效运行需求。在建筑设计和运营的全生命周期过程中。

主要涉及的计算机建筑模拟应用主要包括以下几大类：

1）基于典型年气象参数的全年逐时动态模拟；

2）CFD瞬时模拟；

3）照明光环境模拟；

4）电梯运行模拟；

5）噪声预测软件模拟分析等。

现结合具体项目对相关模拟软件逐一对在具体项目中的应用情况进行说明分析。

#1 全年逐时模拟

（1）模拟方法

建筑全年逐时模拟多与建筑负荷与能耗分析相关，它提供了一个综合的建筑物理模拟环境，能够模拟典型气象年建筑物不同区域的复杂热流情况以及空调系统的运行状态，预估在某种人员活动作息和空调系统运行作息下建筑物的各种能耗。

更重要的是，可以比较不同设计方案的负荷或能耗效果从而对设计策略进行优化。广泛应用于建筑方案初期与建筑师配合的被动设计策略优化阶段，以及与机电顾问配合的机电系统方案比选的主动设计优化阶段。

其主要模拟思路和步骤为：

1） 搭建3D模型 ：根据建筑平、立、剖图纸创建3维计算机计算模型，含建筑平面布局，建筑立面及开窗；

2） 导入典型年全年逐时气象参数文件 ；

3） 基准模型建筑参数设置 ：输入不同功能房间的内得热，人员密度，设备负荷和照明功率密度（含数值和逐时使用率）、设计温湿度、和建筑运行时间等。对于新建建筑，可以依据建筑未来用户的使用模式需要，并和业主沟通以便确定合理假设，包括人员逐时在时率，设备运行时间等；在参数未知条件下，多将现行的地方、国家、或国际建筑节能设计标准作为基准建筑参数设置依据，例如中国GB50189; 美国ASHAREA 90.1等；如研究对象为既有建筑，可以根据现场勘探的运行模式及测量数据设置基准建筑设计参数；

4） 基准模型模拟 ：对已完成设置的基准模型进行全年动态模拟，并将此结果作为基准来评估其合理性和下一步优化潜力；

5） 设计模型策略优化 ：调整拟比选的单一设计参数，运行设计模型全年逐时动态模拟。例如，被动设计中的不同围护热工参数、不同遮阳尺寸，不同窗墙比，不同建筑朝向等；主动设计中不同的机电系统参数，例如不同照明功率密度、不同送风量、不同送风温度、不同系统方案等；

6） 结果分析 ：分析基准模型与不同策略下设计模型的建筑室内冷热峰值负荷、全年能耗、室内温室度舒适区占比等，必要时结合简单投资回报期筛选出最优方案。

（2）模拟软件

常用的全年动态模拟软件有 EnergyPlus, DeST, eQuest，IES VE, DesignBuilder，Honeybee 等。

EnergyPlus 是由美国能源部（ Department of Energy，DOE ）和劳伦斯·伯克利国家实验室（ Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL ）共同开发的一款建筑能耗模拟引擎，是一款免费软件。

EQuest 是一款免费软件，常用于一些国际绿色建筑认证体系评估的能耗模拟，例如美国的LEED和英国的BREEAM。其优点是模拟速度快，适合建筑体量大或重复标准层较多的建筑项目。不足是几何模型一旦设置完成，很难修改；软件更新速度慢；输出结果多为报告文字，无法以图形方式分析室内热舒适状态。

IES VE 全名为 Integrated Environmental Solutions , 是由英国公司开发的建筑室内环境动态模拟软件，在国际建筑工程行业中广泛的被机电工程师认可。其最大优势在于整合不同的分析模块，如天然采光、日照分析、自然开窗通风等，可用于分析不同被动设计和主动设计策略的能耗表现。输出结果可视化较好，可以截取全年中不同时段进行模拟，并可将不同策略或不同功能房间的模拟结果整合到一个图标中进行对比分析。不足是体量大的项目模拟用时较长；对于异性建筑需要进行简化处理；需考虑软件购买成本。

Rhino/Grasshopper 最大优势是可以进行参数化建模，适合复杂的异性建筑。拥有较强的插件系统，Honeybee是基于EnergyPlus的可视化图形界面，用来进行模拟能耗；Ladybug 用来分析建筑室外参数，太阳轨迹图和风玫瑰图等；Butterfly用于室外和室内的CFD模拟。

由于目前很多建筑师采用Rhino/Grasshopper进行建模，配合Ladybug、Butterfly和 Honeybee等不同插件，可实现一个模型多种用途的模拟分析，较适合设计方案前期的方案优化。

（3）应用案例

某商业综合体商业建筑面积126912平方米，空调面积100482平方米。业态包括商铺、主力店、儿童游乐、餐饮等，其中餐饮业态占可出租商业面积的33.4%。

本项目采用DeST软件进行负荷模拟分析。通过描述建筑物的热工特性、几何形状、使用功能等，在DeST界面内按照建筑的尺寸和形状输入外墙、内墙，添加门窗，描述出建筑的拓扑结，进行逐时负荷模拟计算。

根据冷负荷全年逐时模拟数据，结合冷水机组的技术特点，对比运行能耗费分析等综合因素进行比选，确定建筑空调冷源选型方案。

 

 

 

#2 CFD模拟

（1）模拟方法

建筑CFD (Computational Fluid Dynamics) 是伴随着计算流体力学的发展而逐步流行起来的一种新技术，它通过建立建筑的相关计算模型，给定必要的边界条件，来计算和预测建筑内外的温度场、风速场、空气龄等参数，如避免形成涡流或风速过快，利用这些计算结果来判断建筑设计是否合理，能否满足人们的舒适性要求或者是工艺性要求，从而提高建筑设计的准确性和合理性。

在我国，建筑CFD的发展十分迅速，尤其是近几年，随着人们对环保、节能等概念日益接受和重视，越来越多的项目开始使用CFD方式来辅助设计，尤其是一些国内外的一些绿色建筑标准，如LEED、BREEAM、中国绿色建筑三星标准等，都直接要求使用CFD来验证设计结果，这就为建筑CFD的未来发展提供了一个良好的契机。

其主要模拟步骤为：

1） 利用Rhino搭建几何模型 ；

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，网格节点即为微分方程求解点，并形成连续流场云图区域上的离散控制点，如温度场和风速场；

3） 确定最不利工况 ：对于室外模拟，可以由当地的气候参数决定；对室内高大空间模拟，可以通过全年的室内热环境分析，来确认最不利工况；

4） 边界条件设置 ，含送风量、送风温度、开窗面积和位置等；

5） 基准模拟计算 ：当叠加计算结果收敛到一定的合理范围内时，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模拟验证，为自然通风策略或空调风口的布置和设置提供建议。

（2）模拟软件

ANSYS 拥有建筑工程业内被广泛认可的FLUENT和CFX两个知名有限元工程分析软件。优点是可接受Rhino模拟导入或在ANSYS平台内建模，生成多种形式的有限元网格，灵活处理异性建筑形体的网格生成；输出结果表达形式丰富，可以同时表达对比不同的界面，便于结果分析。不足是对模拟计算用时长，对计算机的硬件系统配置要求高。STAR CCM+晚于ANSYS，支持多余6边形的网格。

PHEONICS 由CHAM公司开发，接受.stl 或.3ds 格式的模型导入。建模软件常见有：SketchUp; AutoCAD; Rhino; Revit。其优点是设置较ANSYS简单，较适合气流组织分析；缺点是网格划分相对简单，较难处理曲面细部弯曲段的网格。输出结果可视化较ANSYS的选择性稍弱。

（3）应用案例

案例一：室内气流组织模拟

北京某大型商业建筑采用CFD室内环境模拟，对空调系统的风口位置布置合理性、送风参数设定合理性以及室内气流组织均匀程度进行分析，为后期物业运行维护提供参考，并给出各区域的送风参数推荐值等。

对建筑各部分夏季的室温进行模拟计算，发现较低楼层温度分布正常，较高楼层的部分区域出现温度过高的问题，温度过高区域普遍温度为35-40℃。

对计算结果进行分析，发现若回风口对称设置，易产生送风不均匀，中庭位置过热的现象，因此在调整模型建立过程中，将回风管位置、风口调整为不对称布置，以到达较好的室内温度效果。在后期施工过程中，在建筑内增加了风口，优化风口设置，使室内环境更好的满足要求。

 

 

案例二：风环境模拟

如果风环境不合理，将会带来再生风和环境二次风环境问题，导致行人举步维艰或强风卷刮物体撞碎玻璃等等问题。

对于民用建筑，主要研究对象是建筑周边风环境，分析其是否能够满足“ 建筑物周围人行区风速低于5m/s，不影响室外活动的舒适性和建筑通风 ”和“ 建筑总面平设计有利于冬季日照并避开冬季主导风向，夏季则利于自然通风 ”的要求。

将目标建筑及周边建筑模型导入CFD计算软件PHOENICS进行三维流动数值模拟从而得到建筑周边的流场和建筑表面的压力分布。

模型如下图所示：

 

本项目位于北京市区，依据统计，北京地区冬季主导风向为西北风，平均风速4.3m/s，次主导风向为东北风，平均风速2.3m/s。

来流风因为地面的影响，是按无限大平板的边界层规律分布的，即呈梯度风，其沿高度方向的速度分布满足：

其中Zg和Ug分别表示典型高度和对应的速度。

梯度风示意图如下所示。

 

从冬季主导风向工况的计算结果（下图3~4），可以看出：

1）由于项目西北侧地块建筑密度较低，很难有效的对本地块冬季来流风起到阻挡作用，故本项目受到较严重的西北来流风冲刷作用。在建筑的周边区域出现了风速约6.5m/s的风速。大于了5m/s，会造成行人不舒适。

2）项目西南侧及东北侧转角处风速放大系数最大，约为2.3，此处环境较恶劣。

3）本项目西北侧受来流风影响，建筑表面风压较大，最底部达到了10Pa，并随着建筑高度增加而逐渐增大，对于此侧外门风压大，常规设置外门冬季不能有效阻挡冷风入侵，建议增设门斗措施。

 

 

#3 照明及光环境模拟

（1）模拟方法

光是建筑环境的重要组成部分，优秀的采光设计可以提高建筑的使用舒适度，减少照明和空调能耗。

并且，对于建筑而言，光照的场景复杂，太阳在天空中的位置随时刻和日期不断变化，大气中的云量也会对建筑光环境造成影响。

利用光环境模拟软件，可以针对各种自然采光和人工照明环境做精确地分析和评估，同时给出包括采光系数、照度和亮度在内的一系列标准控制指标参数。

其主要的模拟思路和步骤为：

1） 创建实体模型 ：建立或导入需要分析的系统的几何模型；

2） 定义和应用属性 ：模型中的材料特征和表面属性，例如反射、折射、吸收和辐射等，可以采用软件内定义好的属性，也可以自定义新的属性，将属性应用到模型内的物件和表面上；

3） 追迹光线 ：通过实体进行光线追迹，需要先定义光线起始点，有如下几种定义方式：栅格光源、表面光源和导入已有光源。引入光源到模型，并调用追迹参数。

4） 分析 ：可以分析方位、区域和光线追迹后的光能量分布，可导出辉度图、照度图、坎德拉图和通量图，以及详细的光线历史信息进行分析。

（2）模拟软件

DAYSIM 是一款经过验证的、基于RADIANCE的采光分析软件，可对建筑物内和周围的日光量进行模拟。

DAYSIM允许用户模拟动态外墙系统，从标准百叶窗到最先进的光重定向元件，可切换的玻璃窗及其组合。

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，占用传感器和光电管控制的调光。

模拟输出范围从基于气候的采光指标，如日光自治和有用的日光照度，到年度眩光和电照明能源使用。

DAYSIM还可以按小时计划占用，电气照明负载和遮阳设备状态，可直接与EnergyPlus，eQuest和TRNSYS等热模拟引擎相连。

TracePro 是一个实体模型的光学分析软件，用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许将光线引入到一个模型，并且在物件和表面相交处并没有引起额外的损失。

在每个交点处，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和辐射定律。

AGi32 是一款专业的照明设计软件，由美国Lighting analysts公司研发，同时具备照明建模、计算和渲染三大功能，能够计算在任何情况下的照度，帮助用户设计灯具位置，并验证照明标准，该软件拥有两种计算模式，一种是正常直接计算模式，只进行直射光的计算，速度快；另一种完全计算模式采用光能传递技术进行反射光计算，可以非常精确地计算出照度数据并渲染出亮度分布情况。

德国DIAL公司基于多年在照明技术与市场研究的观察，发现世界各国的照明计算软件多局限于单一厂牌的运算，而所有的照明设计案却大多为采用多家厂商的照明灯具之综合应用，并不符合实际的操作需求。

因此，邀集了世界著名厂商如Philips, BEGA, THORN, ERCO, OSRAM, BJB, Meyer, Louis Poulsen等公司，共同投资于具有“统合应用性”的新照明软件之开发，并于1992年成功地推出了 DIALux 照明软件，首次现身于汉诺威展览中，即得到各界的认可，并逐渐成为欧洲照明软件的顶级品牌。

由于DIALux 可以统合各种照明灯具，做精准的照明计算，且还具有虚拟实境的功能，让整个空间设计案，不管是室内、室外、建筑、展场的“照明设计规划”，都能以3D 立体图的方式在电脑中完美地呈现，而所有的照明数据，也都以图表化的方式清楚地详列出来，加上操作介面相当简易、人性化，因此一推出便立即在欧洲各国引起热烈的回响，也为业界建立起一个公认的照明“标准”依据。

（3）案例分享

体育场馆照明要保证各类比赛的正常进行，有的还要满足电视转播的需要。

体育场馆的照明设计需要确定 ：场馆使用级别、照度水平、灯具配光、眩光控制、照度均匀度、光的方向性、光的利用以及光色、显色性、系统总荷载等。

某篮球馆篮球馆场地长36米，宽20米，高8米，

反射系数：顶棚0.7;墙壁0.57；窗户0.2；门0.55；地面0.3；

布灯形式：5行 9列 共45只，满天星式。

特点是照度均匀，眩光小，耗电量少。

比赛时全部开启，训练时隔灯开启，共22只。

比赛时用电量：11.25KW，平均15.6W/m2，训练时用电量：5.5KW，平均7.6W/m2。

从计算结果来看，平均照度、照度均匀度、眩光指数等各项指标，均满足设计要求。

#4 电梯模拟

民用建筑的电梯和自动扶梯装置，作为建筑物的垂直交通工具，是面对用户/客户的重要窗口，其品质性能，包括平均侯悌时间、运载能力、舒适度、乘梯体验等，是衡量楼宇品质、客户体验的重要因素。

建筑物的电梯配置对建筑方案将产生重大影响，尤其对于高层建筑的核心筒布局、商业建筑平面规划等。此外，作为建筑物内不间断运行的机械装置，其运行能耗亦十分可观，民用建筑的电梯/自动扶梯的能耗是仅次于空调、照明的第三大能耗系统。

（1）软件介绍

Elevate垂直交通分析与模拟软件，由英国Peters Research公司的Richard Peters博士研究开发，是目前全球范围内最权威的建筑设计选择电梯数量、规格、速度的设计软件。Elevate软件自90年代面世以来，日前已更新迭代至Elevate 9.0版。

该软件采用Microsoft Visual C++编译，基于Windows平台，可模拟电梯实际运行，分析电梯性能，适用于办公楼、酒店、医院、购物中心、住宅、停车场、机场、学校等公共建筑或多业态综合体建筑。

这套软件可提供界面友好的Windows驱动的多窗口分析和模拟功能，也可以非常简单地直接用来预订建筑和电梯系统的上行高峰、加强型上行高峰、双向交通分析，也可以对电梯交通分析进行全面模拟，以全方位分析平均间隔时间、平均侯悌时间、平均乘梯时间、5分钟载客率、轿厢载客率等运输能力指标，以及分析各种电梯群控组合的能耗状况。

Elevate 8.0以上版本，更可分析近年来出现的双轿厢电梯、双子电梯、目的楼层控制系统等。

（2）案例分享

以办公建筑为例，通过从上行高峰全程时间的计算到全动态仿真技术模拟电梯在早高峰时段的运行状况。

1）结合图像显示的动态仿真 （这可提供给客户一个有说服力的可视演示）；

2）方便使用的Windows界面（输入基础信息可迅速分析并得到详细的运行数据）；

3）动态计算的应用适用于给出准确的电梯速度方案全面的在线技术支持。

4）利用Elevate Developer界面可以演示所设计的系统 （这一功能对于测试和发展派梯函数非常有用）

通过计算电梯运输能力指标，结合建筑方案，进而确定电梯的配置方案，包括电梯数量、载重、梯速、分区设置、转换/穿梭方案、梯控系统方案等。

#5 噪声预测软件模拟分析

（1）软件简介

德国DataKustic公司编制的 Cadna/A 计算软件，该软件是国际上应用最广泛的环境噪声预测软件之一，计算精度经德国环保局检测得到认可，在德国环保部门应用得到好评。

Cadna/A软件的计算原理基于国际标准化组织规定的ISO9613-2:1996《声学 户外声传播的衰减 第2部分：一般计算方法》标准，与我国公布的GB/T17247.2-1998标准等效。

（2）主要思路及步骤

1）建模：建模时输入由总平面图及现场勘察所了解的建筑及场地布局、建筑高度、噪声源位置、周边环境情况等模型数据，进行三维建模。

2）设置噪声源：以目前获得数据和图纸分布作为建模依据。声源的位置、尺寸均以常规轨道交通声源为准，以反映真实的情况。

3）进行实际测试噪声，根据实测数据进行调整模型。

（3）案例分享

某项目经模拟计算，居民楼在22.5米高度时噪声值最大，下图分别为1.5米、22.5米、91.5米噪声水平分布图。

 

 

通过以上噪声图和预测值表分析可知，居民楼预测点噪声值在56.9~67.3dB(A)之间，目前超标严重；预测分析均未叠加背景噪声。

 

 

由上图可知，经降噪治理后，居民楼各楼层窗户外1米均低于50dB(A),满足降噪要求