BIM技术应用于建筑室内光环境分析

张金涛,　陈登峰,　肖海燕

(1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司, 云南 昆明　650051;2.西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安　710055)

BIM技术应用于建筑室内光环境分析

张金涛1,陈登峰2,肖海燕2

(1.中国电建集团 昆明勘测设计研究院有限公司, 云南 昆明650051;2.西安建筑科技大学 信息与控制工程学院, 陕西 西安710055)

摘要：以建筑信息模型(BIM)为基础,介绍了建筑室内光环境建模和常见的三种光源,结合工程实际案例,详细地阐述了BIM技术在建筑室内光环境分析中的应用。提出BIM技术应用于建筑室内光环境分析,能直观地反映出建筑室内光环境具体状况,从而准确计算所需参数要求,更有利于智能化控制。

关键词：建筑信息模型; 室内光环境; 光源; 采光分析

0引言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)将真实建筑物的所有信息以数字、信息的形式记录到三维的数字化模型中。随着现代建筑室内光环境数字化控制和分析逐步扩展,BIM技术在建筑室内光环境改造以及优化等方面得到了应用和发展,目前主要采用的分析、模拟软件是Autodesk Revit、Ecotect、DIAlux等。依据GB/T 50033—2013《建筑采光设计标准》,BIM对建筑室内光环境进行分析和模拟,对建筑规划、设计、施工和运维等全生命周期有重要指导和借鉴意义[1-2]。

本文主要以BIM三维数字模型为基础,对建筑室内采光进行分析,更直观地反映建筑室内光环境,准确计算所需参数要求,更有利于智能化控制。

1建筑室内光环境建模

建筑采光主要分为自然采光和人工采光[3]。传统的建筑照明设计主要从满足理论计算要求考虑,光源向周围空间发出的光通量不均匀,大小也不相等,难以保障实际应用需求,尤其是在绿色照明、照明节能以及照明能耗统计与智能控制等方面存在明显不足。

室内空间光环境的设计需要协调各方面的关系,从基本的功能、照度值、照度均匀度到眩光的控制、照度稳定性、色彩与阴影,都对合理、有效地利用自然光与设计照明光环境起到重要作用[4]。

BIM技术在建筑室内采光照明分析一般分为以下步骤:① 搜集相关资料,绘制平面图;② 通过Autodesk Revit软件绘制三维模型,通过对墙体和窗户主要光环境影响要素进行设置,绘制所需模型;③ 将模型导入Ecotect软件,进行不同日照角度和时间的采光分析;④ 根据室内光环境分析所得结果,探索建筑室内采光与照明、室内光的运用与整体光环境的营造方式与特点。

Autodesk Revit三维建模能精确地表示建筑空间几何分布,建模初期要建立各相关专业模板,构建相关族(带有参数属性的块)。以照明灯为例,首先要定义光源,并对光线的形状以及照射范围进行设置,相关设计人员可以根据实际需求调整设计的具体要求。光源定义和实例如图1所示。

图1　光源定义和实例

2常见三种光源

2.1点光源

当光源尺寸与光源到计算点之间的距离相比小得多时,可以将光源视为点光源。

点光源照度示意如图2所示。

图2　点光源照度示意

点光源S在与照射方向垂直的平面N上产生的照度EN为

(1)

式中:Iθ——照射方向的光强;

R——点光源至被照面的距离。

点光源S照射在水平面H上产生的照度为

(2)

2.2线光源

线光源是指宽度较长度小得多的发光体。线光源照度示意如图3所示,可知线光源的横向、纵向光强分布。

图3　线光源照度示意

线光源在θ方向的横向光强为

Iθ=I0f(θ)

(3)

式中:I0——线光源发光面法线方向上的光强。

线光源的纵向光强分布曲线可能不同,但任何线光源在通过光源纵轴各个平面上的光强分布曲线有相似的形状。与通过纵轴的对称平面成θ角,而与垂直于纵轴的对称平面成α角的光强为

Iθ,α=Iθ,0f(α)

(4)

式中:Iθ,0——在θ平面上垂直于光源轴线方向的光强。

2.3面光源

面光源一般分为若干个线光源或点光源,用相应的线光源计算法或点光源照度计算法分别计算后再叠加。矩形等亮度面光源示意如图4所示。

图4中,矩形面光源的长、宽分别为a、b,亮度在各个方向都相同。光源的一个顶角在与光源平行的被照面上的投影为P,则水平面照度EH为

图4　矩形等亮度面光源示意

(5)

式中:L——面光源的亮度;

fH——立体角投影率(形状因数)。

同理,垂直面照度EV[5]为

(6)

式中:fV——立体角投影率(形状因数)。

3应用工程案例

某科研楼总建筑面积为6 368.7 m2,建筑高度为15.95 m,地下室埋置深度为-5.1 m,-1F为设备用房,1F～3F为食堂、实物标本库、展览室、机房、学术交流中心,位于主楼一侧的附体楼为实物标本库和展览室。本文主要以Autodesk Revit、Ecotect、Radiance软件进行模型构建和分析。

通过计算设定光源的参数要求,对光源族库进行完善,并进行相关模型搭建。模型完成后导入Ecotect,进行采光模拟运算分析。BIM分析模型如图5所示。

BIM不仅能展现出建筑生命周期,还能体现建筑的各部分以及各系统,可以进行室内外光环境模拟,具有可视化、综合性优的特点。

展览室白天尽可能使用自然采光,但夏季应尽量避免阳光的直接入射,以减少太阳辐射热,因此顶端外窗使用遮阳板。在Ecotect软件中可以设定日照轨迹,对太阳投影进行设定,调节投射时间、范围等相关参数。由于当地气候四季较分明,本文主要以冬至和夏至两个具有代表性的日期为例进行日光照分析。

建筑室内采光照明的照度水平是动态和随时间连续变化的[6]。所以,为了更好地描述和分析室内照明的情况,通常用采光系数表示[7]。

图5　BIM分析模型

一方面,通过更新至最新气象数据,依据地域性的光气候数据,能够使建筑采光分析更接近真实状况;另一方面,更强调对建筑采光的全年及瞬时的动态分析,弥补了以采光系数作为主要评价指标(建筑采光静态分析)的不足[8-15]。

采用相同数量、布置方式的36 W不同光源(满足照明功率密度值,色温4 000 K,光效>75 lm/W,显色指数Ra≥80)进行建筑室内光环境计算。

光源配光曲线及不同光源照度曲线如图6所示。

不同光源照度计算对比如表1所示。

根据GB/T 50033—2013,在满足房间功能的照度要求下,线光源更有利于利用光源,达到更好的照度要求,对照明节能有很好的指导意义。

在不同光源环境下,96个点的照度值如图7所示。由图7可见,在满足照度要求(500 lx)的情况下(也满足照明功率密度值),点光源的点数占42.7%,面光源的占91.67%,线光源的占96.88%。因此,在相同房间、光源数条件下,线光源更容易达到照度要求。

图6　光源配光曲线及不同光源照度曲线

光源类型平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度点光源7691128580.1450.130线光源6691317570.1950.173面光源5851136610.1930.170

图7　不同光源环境下96个点的照度值

相比于照明灯具发出的光,自然光主要由太阳直射光和天空散射光两部分组成。室内的自然光分布受诸多因素的影响,比较复杂,这给利用自然光照明带来了不便。在建筑室内采光的同时,自然采光也可以通过对窗帘的控制来实现室内光环境的改善和优化[16-19]。

4结语

本文主要以BIM三维数字模型为基础对建筑采光进行分析,可以更直观地表示建筑室内光环境,从而准确计算所需参数要求,更有利于智能化控制。良好的照明采光可以减少视觉疲劳,保证视觉和身心健康,提高劳动效率,降低能耗。

BIM技术创建的模型包含了丰富的几何和参数等属性信息,这些信息不仅可以用于电气的电力分析、照明分析等,还可用于日照、能耗等相关分析计算,以及互联网与建筑信息化共享与管理,将成为建筑行业新的研究领域和未来发展趋势。

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Application of BIM Technology for Analysis of Building Indoor Light Environment

ZHANG Jintao1,CHEN Dengfeng2,XIAO Haiyan2

(1.Kun Ming Engineering Co., Ltd., Power China, Kunming 650051, China; 2.School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract：Based on building information modeling(BIM)technology,this paper introduced the modeling of indoor lighting environment in building and common three light source.Combining by a actural example,BIM technology used in analysis of indoor lighting environment was elaborated.It is pointed out that the analysis of BIM technology can intuitively reflect the situation of indoor lighting environment,so the requirement of parameters are acurately calculated which is better for intelligent control.

Key words:building information modeling(BIM); indoor lighting environment; light source; daylight analysis

中图分类号：TU 855

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0044-05

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.012

收稿日期：2016-04-27

陈登峰(1976—),男,副教授,研究方向为建筑电气、建筑环境监测。

肖海燕(1975—),女,工程师,研究方向为建筑电气。