Autodesk BIM课程绿色建筑设计学生手册.docx
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AutodeskBIM课程绿色建筑设计学生手册
AutodeskBIM课程2011
学生用书
第三部分:
绿色建筑设计
概述
主要概念
绿色建筑设计的重点在于建筑的可持续性发展和设计决策对建筑环境的长期影响。
我们在很多方面使用例如“绿色”、“环境友好”等术语。
究竟什么是“绿色”,没有精确定义,有些人也存在很多困惑。
不过,这个词已经发展为含义广泛的策略,其所有的目的都是为了能够改善我们建筑的可持续性。
世界环境与发展委员会在1987年提出的这个定义的指导原则,推动可持续发展的设计,简述为:
可持续发展既满足当代人的需求,又不损害后代人满足其需求的能力。
虽然二十多年过去了,这个定义至今仍适用。
动机
建筑每年消耗大量的燃料与能源,并且排放大量的温室气体。
在美国,建筑物每年消耗39%的能源和68%的电,同时建筑每年排放38%的二氧化碳,49%的二氧化硫和25%的氮氧化物。
此外,建筑物还消耗大量的宝贵水资源。
作为长远的目标,绿色建筑设计的目的在于通过合理利用资源和减少环境影响,建立可持续的、自给自足的建筑。
通过改善目标楼宇的设计,我们可以使整体的资源利用和环境保护得到显著改善。
在建筑的整个生命周期中,减少资源的消耗和废弃物的排放。
绿色设计策略
可以采用多种设计策略,改善建筑设计的可持续性。
虽然没有单一的最佳方法,但是通常的步骤包括:
•考虑被动式建筑设计策略——包括建筑的方位与朝向,建筑组合形式,通过建筑外窗和开口设计,提高建筑的自然采光与自然采暖制冷。
•合理使用建筑材料,设计合适的建筑围护结构,减少能源消耗并且降低建筑的碳足迹。
•提高建筑物的设备系统性能,包括照明、电源、采暖空调、供水和排水设备,尽量减少对外部的资源需求。
•使用创新策略,以尽可能的使用可再生能源与可再生水源,减少对外部资源的依赖。
一些流行的做法包括:
•选择一个可持续的场地
•建立非传统的交通方式
•设计节水的景观
•利用中水
•收集雨水
•使用可再生能源
•使用本地材料
•使用可再利用材料
•使用智能化控制系统(例如,传感器)
•增加通风
•自然采光
虽然效率和可持续性是绿色建筑的主要目标,但建筑设计中人的因素也詪重要。
在建筑设计中,必须在环境保护和舒适性之间找到平衡。
建立绿色设计的目标
由于设计团队选择了非传统的绿色设计策略,树立明确的目标,并且考虑目标的优先顺序都是很重要的。
选择不同的目标,将会产生不同的设计决策。
解决这一挑战的方法之一,是首先决定采用什么措施,并对其成效进行评估:
•经济影响和资金节约的评估
•环境影响和资源节约的评估
•减少场地的碳足迹
•其他
然后,设计团队可以建立减少以上评估内容的目标级别:
•减少低于基准线的消耗目标百分比
•最大程度降低影响或者采取措施抵消影响
•消除所有对外部资源的依赖
和传统设计相比,以上任何级别都可成为可持续设计和改善的例子。
出于这个原因,我们通常以相对项而不是绝对项来评价建筑的可持续性。
LEED
美国绿色建筑委员会(USGBC)建立了一个绿色建筑评价系统,以帮助促进可持续建筑的实践。
该系统被称为LEED,即“能源与环境设计先锋”的缩写。
作为绿色建筑的评价标准,LEED评价系统鼓励建筑师,承建商,业主和产品制造商使用可持续的方法,通过提供出色的工作表现得到认证。
它也提出了良好的绿色设计,这反过来又鼓励所有与会者考虑可持续发展问题,作为设计决策的消费者和公众意识。
通过LEED评价系统,我们可以通过以下几个类别判定建筑的得分情况。
该评价体系在2009年扩大了分类,并重新调整了每个类别的分数。
类别
得分(2009年之前)
得分(2009年之后)
可持续场地
14
26
节水
5
10
能源和大气
17
35
材料与资源
13
14
室内环境质量
15
15
创新与设计
5
6
地域优势
无
4
合计
69
110
下表列出了2009版各类别的分数和各条款的分数:
下表为每个等级的最低分要求:
认证等级
最低分数(2009年之前)
最低分数(2009年之后)
认证级
26-32
40-49
银级
33-38
50-59
金级
39-51
60-79
白金级
52+
80+
为了补充本课程中提供的材料,考虑邀请本地设计专家来到你们的教室,提供研究案例,并分享他们在LEED评价工作中的经验和见解。
例如:
•他们的设计团队在地域性建筑的设计中如何使用基于LEED标准下的设计流程和设计测量。
•如何为设计项目选择合适的LEED认证等级。
•在LEED评价标准中选择哪些条款作为达标的目标条款,哪些条款是改进设计后能够达标的。
提供真实的地域性建筑的研究案例,将提高学生的兴趣,并极大地提高课程的针对性和影响。
课程梗概
在这本课程中,我们将学习如何设计和评价绿色建筑,探索绿色建筑设计的措施:
被动式设计
•建筑朝向
•建筑体量和造型
•建筑特性——窗口位置、屋顶出挑、遮阳形式
建筑围护结构
•建筑材料的热工性能
•热传递
•热舒适
水资源利用与收集
•用水定额的估算
•给排水管线的优化设计
•使用非传统水源减少水资源消耗
电力的使用和生产
•电力需求的估算
•提高电气设备的效率与智能化监控
•生产可再生能源
•投资回收期分析
自然采光
•分析建筑的自然采光
•实现自然采光的设计策略
软件工具和相关要求
为了完成本课程的练习,你需要下载以下软件,并在你的电脑上安装和注册:
•从欧特克学生设计联盟网站下载AutodeskEcotectAnalysis软件。
•在欧特克学生设计联盟网站注册一个账户,从而使用AutodeskGreenBuildingStudio在线能耗模拟软件。
•从GreenBuildingStudio网站下载AutodeskGreenBuildingStudio客户端。
gbXML:
GreenBuildingXML架构
gbXML文件的作用是将建筑的模型信息在BIM软件之间传递。
该模型信息包括了墙、窗和房间面积等,忽略了家具、楼梯等多余构件。
这一个格式的文件可以将AutodeskRevit的模型信息传递给其他软件。
在本课程中,我们将使revit模型导出gbXML文件(绿色建筑扩展标记语言),导入到EcotectAnalysis和GreenBuildingStudio中。
AutodeskGreenBuildingStudio
GreenBuildingStudio是一款在线的建筑模拟软件,可以分析评价建筑方的环境影响,也可以将不同方案进行比对。
在指定了建筑做出的地理位置后,该在线平台可以得出分析报告,包括能源使用量、环境影响分析与经济性分析。
GreenBuildingStudio可以为你评估一下内容:
•建筑能耗和碳排放
•水资源使用量
•太阳能发电量
•自然采光
•备选方案间的对比
GreenBuildingStudio的经济性分析通常是以造价的形式呈现的,反应了当地的建筑工程的成本。
AutodeskEcotectAnalysis
EcotectAnalysis是一款基于气候和环境因素的建筑物理环境模拟软件。
EcotectAnalysis可以读取gbXML文件,并且可以在载入气候数据的基础上进行各种模拟计算。
EcotectAnalysis可以为你分析一下内容:
•建筑能耗分析
•热工性能
•太阳辐射
•自然采光
•阴影和反射
EcotectAnalysis通常使用可视化的数据,例如网格、阴影模式和色彩方案等形式将分析结果呈现。
其分析结果通常是物理量而不是造价。
推荐资源
气候
全国太阳辐射数据库
rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/tmy2/
气象基地
西方区域气候中心
www.wrcc.dri.edu
太阳能光伏电板
国家再生能源实验室
nrel.gov
太阳能专家
国家再生能源实验室
nrel.gov/rredc/pvwatts/
建筑材料的热工性能
科罗拉多州能源
www.coloradoenergy.org/procorner/stuff/r-values.htm
Sizes
住宅能源
www.house-
能源和电力消耗
美国能源部
www.energysavers.gov/your_home/appliances/index.cfm/mytopic=10040
“能源之星”
www.energystar.gov/index.cfm?
c=products.pr_find_es_products
建筑设计指南
www.wbdg.org/design/minimize_consumption.php
水资源利用
环境保护局
www.epa.gov/watersense/water_efficiency/what_you_can_do.html
地球母亲新闻
uSwitch
LEED评价体系
美国绿色建筑委员会
www.usgbc.org
LEED评价
www.usgbc.org/DisplayPage.aspx?
CategoryID=19
电力记分卡
www.powerscorecard.org/reduce_energy.cfm
AutodeskRevitArchitecture
AutodeskRevitArchitecture2011用户帮助
AutodeskRevitArchitecture服务支持中心
AutodeskRevitArchitecture2011教程
BIM课程教材与支持
AutodeskBIM建筑、机械、工程管理2011教程
BIM课程支持与讨论
第一讲被动式设计
概述
被动式建筑设计是任何绿色建筑设计的基础,同时也是好的起点:
•在场地设计中建筑的规划布局与朝向
•建筑的体量与造型
•建筑特性——窗口位置、屋顶出挑、遮阳形式
以上这些被动式设计的特征的内涵就是建筑设计、材料选择与建筑构造设计。
当这些被动式设计在确定以后,包括采暖空提系统、电气设备和给排水系统在内的主动式系统也会根据人们的需求而设置。
被动式建筑设计的指导原则应该是因地制宜,并且能够最大化地利用太阳辐射带来的好处(例如被动式太阳能采暖和自然采光),同时尽量减少太阳辐射潜在的负面影响(例如增加空提系统的制冷负荷)。
对于有一些被动式设计,应该考虑以下因素:
•建筑规划布局。
在建筑规划中哪些是最可取的,为什么?
哪些是不应该这样设计的?
•基于日照的建筑朝向。
在全年中,随着太阳路径的变换,窗户位置的设计会很大程度上影响建筑的冷热负荷。
•相邻或周围建筑的位置。
场地中哪些建筑会对其他建筑有遮挡,使之产生不利的影响?
•场地道路系统。
考虑场地中道路和建筑出入口对于用户的影响。
•地形地貌。
场地内坡度是否设计均匀,有没有大起大落?
是否有些树木、植被或者其他自然景观需要被保留?
•意见与建议。
建筑的用户是否对该设计有特别的意见与建议?
建筑朝向
由于全年中太阳位置的变化,建筑朝向对建筑能耗与室内热舒适性有很大的影响。
如同很多设计决策,建筑最佳朝向的选择也涉及到权衡问题。
如果建筑朝向东向,可以最大限度地利用太阳光,进而改善室内采光,减少照明能耗;但是这样会大大增加太阳辐射进入室内。
在冬季,这些太阳辐射对于建筑被动式采暖是有益的;但是在夏季,这些太阳辐射会增加建筑的冷负荷,增加制冷的能耗。
既然一年中太阳在空中的位置是不断变化的,所谓最佳的朝向不是一个简单的问题。
我们可以通过一年中各个时间点太阳辐射对建筑朝向影响来分析找到一个最佳朝向。
这个最佳的朝向就是权衡了太阳辐射正面与负面的影响后,得到的折中选择。
建筑体量与造型
建筑物的体量与造型对建筑能耗有显著地影响。
当我们考虑一个给定面积或体积的建筑的各种可能行的时候,建筑的长、宽、高之间的关系就确定了建筑围护结构的尺寸与造型。
例如:
•一字型的建筑由于可以有较多开窗面积,建筑的自然采光会得到改善、人工照明会明显减少。
但是由于表面积较大,外墙或窗更容易受到外部环境的影响,从而增加采暖空调系统的能耗。
•细长的建筑也有较大的外表面积,虽然自然采光效果好,但同样也会有较大的采暖空调能耗。
•造型紧凑的建筑(长宽高尺寸类似的),其体型系数较小,因此这类建筑的采暖空调能耗相对会小一些,但有些空间自然采光受局限,必须提供人工照明。
开窗、挑檐与遮阳
窗户的优化设计,是优秀被动式设计的基础。
要使开窗的位置合适,最大限度的利用自然光(这有助于减少照明能耗),并且要有利于太阳辐射进入室内(这有助于在冬季减少采暖能耗)。
但是一定要注意权衡,要充分考虑因为开窗设计而增加的夏季制冷能耗。
为了最大限度的提高开窗的益处,减少负面影响,遮阳是必不可少的设计,例如,屋檐出挑,使用百叶窗、外遮阳板或者遮阳帘。
当太阳辐射是有益的时候,遮阳构件可以允许阳光进入;当不需要强烈的阳光时,遮阳构件将遮挡阳光。
学习目标
完成这节课后,你将能够:
•作为绿色建筑设计过程的第一步,了解使用被动式设计策略的重要性。
•探讨结合气候和太阳辐射的建筑节能设计。
•评价不同建筑体量和造型对建筑能耗的影响。
•了解建筑屋檐出挑和遮阳构件的设计与效果模拟的原则
练习建议
练习3.1.1:
寻找最佳建筑朝向
在本练习中,你将学习如何:
•准备建筑能耗模拟的BIM模型。
•利用gbXML文件导出几何模型
•向模拟软件中导入gbXML文件,例如AutodeskEcotectAnalysis和GreenBuildingStudio。
•使用EcotectAnalysis的WeatherTool,找到基于太阳辐射的建筑最佳朝向。
•使用GreenBuildingStudio的方案对比功能,从建筑能耗角度确定建筑的最佳朝向。
视频教程
Unit3_Lesson1_Tutorial1.mp4
图3.1.1WeatherTool计算出的建筑最佳朝向
学生练习
Unit3_Lesson1_Exercise1_Start.rvt
•我们利用AutodeskEcotectAnalysis的Weathertool,为一间典型教室的BIM模型寻找最佳朝向。
为了便于分析,我们假定这所学校位于密歇根州的底特律。
•利用用GreenBuildingStudio,以尽量减少建筑每年总能耗为衡量标准,来确定同一间教室的朝向。
以15度为增量旋转BIM模型,创建多个设计方案,进而模拟分析出最佳的朝向。
•
假定该教室位于亚利桑那州的凤凰城,再利用者两个分析工具,重复以上两项模拟分析,寻找建筑的最佳朝向。
图3.1.2利用GreenBuildingStudio分析出不同方案的年能耗总费用
练习3.1.2体量和造型的方案对比
在这个练习中,你将学到如何:
•使用简单的BIM模型,对不同体量和造型的建筑方案的能耗进行模拟分析。
•使用GreenBuildingStudio对每个方案的全年总能耗进行模拟分析
•探索不同建筑体量在使用化石燃料和电能所产生的不同环境影响。
视频教程
Unit3_Lesson1_Tutorial2.mp4
图3.1.3比较面积相同但造型不同的两个BIM模型
学生练习
Unit3_Lesson1_Exercise2_Start.rvt
•使用GreenBuildingStudio分析体量和造型不同的第三个方案,该方案为面积和教室数量与前两个方案一样,但是为二层建筑。
分别从化石燃料与电力使用方面,对比这三个方案全年能耗花费。
为了便于分析,假定学校将在位于密歇根州的底特律。
•
假设该方案位于亚利桑那州的凤凰城,再。
分别从化石燃料与电力使用方面,分析一遍这三个方案全年能耗花费。
图3.1.4不同造型的两个方案在GreenBuildingStudio中分析出的能耗与花费
练习3.1.3:
建筑遮阳设计
在这个练习中,你将学到如何:
•使用AutodeskRevit软件在建筑设计中分析阳光与遮阳的影响。
•从全年的尺度,设计和分析最优化的遮阳构件。
•使用GreenBuildingStudio估算遮阳构件的节能潜力。
视频教程
Unit3_Lesson1_Tutorial3.mp4
图3.1.5使用阴影分析功能来评估建筑遮阳设计
学生练习
Unit3_Lesson1_Exercise3_Start.rvt
•对于一个典型的教室设计BIM模型,探索最佳的屋顶挑檐和遮阳设计,该设计能够让阳光在冬季进入室内,起到采暖的作用;夏季能够遮挡阳光。
为了便于分析,假定该教室位于密歇根州的底特律。
•把你设计的那个第三个方案导出gbXML文件,在GreenBuildingStudio中分析。
分析比较这三个方案(练习3.1.1中的方案)的能耗。
图3.1.6典型教室的太阳轨迹图分析和阴影显示
讨论
建筑朝向
•EcotectAnalysis评估哪些方面来确定建筑的最佳朝向?
•GreenBuildingStudio是从这些方面来考虑最佳朝向的吗?
•为什么建筑的最佳朝向基于项目的建设地点和气象条件?
建筑体量与造型
•通过改变建筑的体量与造型如何来评价总能耗?
如何在化石燃料和电力使用上取舍?
•改变项目建设地点其最近造型会改变吗?
开窗、屋顶挑檐与遮阳构件
•你通过什么策略来确定窗户的位置?
如何设计建筑的遮阳构件来适应当地的气候条件?
•什么样的遮阳构件可以用来控制阳光进入室内?
关键术语
本讲主要使用了一下关键术语:
关键术语
定义
被动式设计
通过建筑选址、朝向和体量的设计,利用阳光与气候提供自然采光、采暖制冷的建筑技术
建筑最佳朝向
最佳朝向:
•在EcotectAnalysis中,所谓的最佳朝向,就是在冬季利用太阳辐射和夏季避免太阳辐射增加制冷负荷两个方面权衡后得到的折中朝向。
•在GreenBuildingStudio中,最佳朝向被定义为全年采暖空调能源成本最小的朝向(分别考虑了化石燃料和能力的价格)。
建筑体量
建筑物的整体造型,考虑建筑的长宽高。
这些因素决定了空间的体积和围护结构的表面积。
遮阳构件
结合建筑设计的、被动式的、或者天然形成的建筑构件,用来遮挡直射阳光
第二讲建筑材料的性能对能耗的影响
概述
在本讲中,我们将讨论建筑材料性能对建筑能耗的影响。
如何选择材料,最大限度地减少能源消耗,是绿色建筑设计中重要的一步。
你将了解到建筑材料两项重要的性能指标——R值和U值。
并探讨如何选择外墙、屋顶和窗等建筑围护结构的这两项指标,它们影响了建筑运行阶段全年的能耗。
建筑材料的热工指标
R值即建筑材料的热阻,表征阻止热量传递的能力的物理量。
高R值的材料或者构造说明其绝缘性能更好,并且有助于降低外界温度变化对室内的影响。
R值的由温度差与通过建筑材料的热流率的比值计算得到的。
典型建筑材料的R值可以在很多书籍和网上找到。
R值与建筑材料的厚度有关。
因此,如果某种材料每英寸(25毫米)的R值为1.0,某墙体仅由这一种材料构成,其厚度为5英寸(0.13米),则该墙体的R值为5.0(1.0×5英寸)。
更多的时候,R值被定义为整面墙体构造的热阻。
U值即传热系数,是一个表征建筑材料导热性能的物理量。
通常一些导热强而热阻差的建筑材料(比如窗户和天窗)用这个值来描述其热工性能。
R值表示了材料阻止热流传递的能力,而U值则相反——用来表示材料的导热能力(U值=1/R值)。
U值较高的材料是更好的导体。
当比较不同窗户或者墙体的U值是,比较低的值表示其单位厚度绝热能力能力更好。
热传递
我们可以通过以下部分估算建筑物内部和外部之间的热量传递:
•建筑每一个表面或组成建筑围护结构的构建的热特性。
•全年每天不同时刻建筑内部和外部的温度差。
•建筑使用者认为室内舒适的温度范围。
利用这些估算条件,我们可以计算出建筑采暖和制冷的能耗及其能源花费。
热舒适
虽然建筑节能是绿色建筑设计的重要目标,但是它也需要和建筑用户的舒适性之间取得平衡。
如果建筑用户感觉太热或者太冷,他们会不高兴,并设计感到不满意。
热舒适的问题十分复杂,取决于多项影响因素和用户的主观看法。
由于各自的喜好不同,没有两个人的热感觉是一致的。
影响热舒适的因素包括:
•环境因素——如空气温度、辐射温度、风速和湿度。
•主观因素——如衣着量和人体新陈代谢。
许多分析软件,如AutodeskEcotectAnalysis的Weathertool,提供了给定设计方案和地点的环境因素影响程度的计算,探讨了这些因素变化后产生的效果。
但是,这些软件工具无法考虑主观因素。
有很多不同的指标来描述热舒适,使用者的热感觉,并将其转换成数字来表述。
EcotectAnalysis可以分析的指标包括:
•预测评价投票(PMV)——通过大量实验人员投票而产生的平均热感觉所对应的单一数字。
它的范围从+3(热)0(舒适)到-3(冷)。
•预测不满意百分比(PPD)——预测人们对热舒适不满意的百分比。
不论PMV增加或者减少(标志着大多数人感觉太热或太冷)PPD都会增加。
与PMV表示群体性的平均热感觉不同,PPD描述的是个人的热舒适范围。
利用PMV和PPD,我们可以快速评价设计决策对热舒适的影响,将许多不同的影响因素归结为简单的指标。
虽然这些指标有利于评价一个空间的整体舒适度,但是影响人们舒适的其它局部性因素也会被考虑,包括了:
•辐射温度和垂直的空气温度差异
•地板表面温度
•温度的循环变化
•通风
通过窗户产生的热冷辐射或者阳光直射的热辐射等因素都可以使室内不舒适甚至严重到不可接受的程度。
学习目标
完成本讲后,你将能够:
•了解绿色建筑设计过程中考虑材料性能的重要性。
•描述了如何量化建筑材料和构造的热工性能。
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