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户外热舒适评估中BIM集成方法与表面温度建模的研究表明，显式表面温度预测可显著改善传统代理模型（如空气温度替代）在长波辐射计算中的误差，使热舒适预算波动达22.5-25.1 W/m2，直接影响设计决策。基于42百万能源数据训练的ESMUST模型与COMFA结合，在校园案例中验证了该方法较传统环境模拟工具快两个数量级，且能更精确反映建筑形态与材料的热力学交互作用。
作者：Wonjae Yoo | Mark J. Clayton
韩国京畿道城南市加川大学智慧城市系，邮编13120
摘要
在设计阶段，室外热舒适度（OTC）的评估常常受到物理模拟计算复杂性的影响。因此，当前基于BIM的工作流程主要依赖于简化后的代理模型，假设表面温度等于空气温度。本研究假设这种简化会在长波辐射计算中引入显著误差，从而扭曲热舒适度评估结果。为了解决这一问题，我们提出了一个计算框架，该框架将基于物理的代理模型（ESMUST）整合到BIM环境中。与传统方法不同，该框架根据热力学原理预测表面温度。在对大学校园进行的比较分析表明，所提出的方法能够捕捉到基于代理模型的方法无法表示的表面温度变化。研究结果表明，显式的表面温度建模使计算出的COMFA热预算改变了22.5-25.1 W/m2，这一幅度足以改变热舒适度分类并影响设计决策。与ENVI-met模拟的比较验证证实了热舒适度的改善趋势，并且所提出的框架的计算速度大约快两个数量级。这项研究证明了在基于BIM的热舒适度评估中采用基于物理的表面温度建模的必要性，并提供了一种计算效率高的早期设计评估方法。
引言
气候变化和快速城市化加剧了对室外热环境的关注，尤其是在人口密集的城市地区。最近的气候数据显示，全球变暖正加速接近临界阈值。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的AR6综合报告指出，全球变暖“极有可能”在短期内（2021-2040年）达到1.5°C，并预计这一温度将在2030年代初至中期持续保持（IPCC 2023年）。这一预测比预期更快地成为现实，2024年成为第一个超过工业化前水平1.5°C的日历年，达到了1.55°C（世界气象组织2025年8月14日）。这种升高的温度加剧了城市空间中的热不适，显著影响了城市生活质量，包括行人的移动性、公共空间的使用，甚至死亡率（Strathearn等人，2022年；Hwang等人，2022年6月）。因此，迫切需要将先进的热舒适度评估方法整合到建筑和城市规划过程中，以创造更具韧性的城市环境。
尽管用于室外热舒适度（OTC）分析的计算工具已经取得了显著进展，但它们在设计实践中的应用仍然具有挑战性。当前的方法通常需要使用与建筑设计工作流程分离的独立应用程序，这些过程耗时较长（Naboni等人，2019年）。此外，大多数现有的OTC分析工具依赖于平均辐射温度（MRT）计算，这需要计算成本较高的模拟（Mackey等人，2017年）。这些限制在热环境研究与建筑实践之间造成了巨大差距，阻碍了OTC考虑因素在迭代设计过程中的整合。
建筑信息建模（BIM）通过在整个设计和施工过程中提供全面的建筑信息数字表示，改变了建筑实践。尽管BIM在建筑、工程和施工（AEC）行业中得到了广泛采用，但其用于室外热环境评估的潜力仍大多未被开发（Keibach和Shayesteh，2022年）。作者之前的研究引入了两项重要进展：（1）ESMUST（基于EnergyPlus的都市表面温度代理模型），利用神经网络实现快速预测都市表面温度（Yoo等人，2023年2月）；（2）一个基于BIM的OTC评估系统，使用COMFA热能预算模型（Yoo等人，2024年）。然而，后一种方法在长波辐射计算中仍然使用空气温度作为表面温度的代理——这种简化对热舒适度评估结果的影响在两项研究中均未得到探讨。
本研究结合了这两种方法，以解决一个前人无法独立解决的问题：当基于物理的表面温度预测取代简化的空气温度代理时，热舒适度评估会有多大差异？这一贡献不仅限于技术整合；通过在相同的分析框架内直接比较这两种方法，本研究首次对BIM基础热舒适度评估中表面温度表示方法引起的差异进行了实证量化。核心假设是，显式的表面温度建模会产生系统性的不同热舒适度评估结果——这些差异足以影响设计决策。
本研究的主要目标是验证一种方法，以弥合快速设计反馈与物理准确性之间的差距。其主要贡献有三个方面：（1）方法论上的进步，通过建立统一的计算框架，在BIM工作流程中用基于物理的代理模型替代简化的温度代理；（2）准确性的提升，通过量化显式表面温度建模对长波辐射计算和整体热舒适度评估的影响，从而揭示现有基于代理方法的方法的系统性局限性；（3）设计优化，通过提供基于证据的评估机制，考虑城市几何形状和材料属性之间的热力学相互作用，促进应对气候变化的设计干预。通过解决现有方法的局限性，本研究推动了城市微气候建模领域的发展，并为在日益严峻的气候挑战下设计热舒适的城市环境提供了实用的方法。
章节片段
室外热舒适度评估
随着城市化和气候变化的加剧，室外热舒适度（OTC）在近几十年受到了广泛关注。与受益于受控条件的室内热舒适度不同，OTC受到太阳辐射、风、湿度、空气温度以及周围物体表面温度等多种环境因素的复杂相互作用的影响（Coccolo等人，2016年）。已经开发了多种指数来量化OTC，其中最广泛使用的是……
计算框架架构
本研究提出了一种将ESMUST与基于BIM的OTC评估系统整合的方法。图1展示了整个系统架构，分为四个层次：（1）输入层，包括BIM数据提取和天气数据获取；（2）核心处理层，包含ESMUST表面温度预测和微气候参数计算；（3）系统集成层，其中COMFA热预算计算整合处理后的数据；
验证范围和比较基准
为了验证基于BIM的OTC评估系统的有效性，我们使用位于美国德克萨斯州College Station的德克萨斯A&M大学校园的一个区域进行了案例研究（纬度30.61°N，经度96.34°W）。选择该地点是因为它具有多样化的城市元素，包括建筑物、铺装和植被，这些是城市环境的典型组成部分。College Station的气候属于湿润亚热带气候（K?ppen气候分类Cfa），夏季炎热……
对城市热环境设计的影响
将ESMUST与基于BIM的OTC分析相结合，展示了改善城市热环境设计的巨大潜力。通过在BIM环境中提供基于物理的表面温度表示和高效的OTC评估，该系统使设计师能够在设计过程的早期阶段解决热问题，此时进行更改最为可行且经济高效。
案例研究的结果显示，所有分析区域……
结论
本研究提出了一个集成框架，将ESMUST表面温度预测与基于BIM的COMFA热预算评估相结合，将经过验证的热舒适度评估方法引入了早期设计工作流程。该整合解决了之前基于BIM的方法的一个具体局限性——即依赖空气温度作为表面温度的代理——通过将基于物理的表面温度预测纳入长波辐射计算中。
CRediT作者贡献声明
Wonjae Yoo：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、正式分析、数据整理。Mark J. Clayton：监督、资源提供、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）和韩国贸易、工业与能源部的支持（RS-2025-02317972）。
