基于BIM的建筑性能化分析實(shí)踐
——綠色節(jié)能分析為例

劉曉燕 王 凱

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

基于BIM的建筑性能化分析實(shí)踐
——綠色節(jié)能分析為例

劉曉燕 王 凱

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與建筑性能化是單線結(jié)合的過程，而基于BIM的建筑性能化設(shè)計(jì)是集合協(xié)作的過程。本文以南方某工程水樂園區(qū)域?yàn)槔?，從天窗開啟率和材質(zhì)的界定以及室內(nèi)外溫度場(chǎng)的優(yōu)化等方面介紹了BIM在綠色建筑性能化分析中的作用。理論結(jié)合實(shí)際，突出強(qiáng)調(diào)了BIM在性能化分析中的作用和意義。

BIM 綠色建筑;性能化分析

引言

隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以BIM技術(shù)為核心的多種三維軟件日出完善，在提高質(zhì)量，縮短時(shí)間和節(jié)約成本方面有著2D軟件無法比擬的優(yōu)越性。因此從2D到3D的是未來發(fā)展的趨勢(shì)。BIM的概念最早源于20世紀(jì)70年代，美國喬治亞技術(shù)學(xué)院(Georgia Tech College)建筑與計(jì)算機(jī)專業(yè)查克·伊斯曼 ( Chuck Eastman)博士于20 世紀(jì)80年代提出其定義為“建筑信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)件性能，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)單獨(dú)的建筑模型中，包括施工進(jìn)度、建造過程、維護(hù)管理等的過程信息”[1]。BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，BIM是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)[2]。

工程師在利用BIM 軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)創(chuàng)建的模型已經(jīng)包含了大量的設(shè)計(jì)信息，包括集合信息，材料性能，構(gòu)件屬性等，只需將建筑模型導(dǎo)入到模擬軟件就能得到模擬結(jié)果。建筑模擬是指對(duì)建筑環(huán)境與系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行模擬分析的方法。因此也稱為建筑性能模擬。其主要包括建筑能耗模擬，建筑環(huán)境模擬(氣流模擬、光照模擬、污染物模擬)和建筑系統(tǒng)仿真[3]。在全世界和我國的綠色建筑迅速發(fā)展的形勢(shì)下，建筑模擬已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、分析的必不可少的重要工具之一。

本文以國內(nèi)南方某工程為例，研究了BIM技術(shù)與能耗模擬等建筑性能化分析的結(jié)合方式，以分析結(jié)果為設(shè)計(jì)人員提供參考，展示了BIM軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。

1 研究目的與方法

三維軟件與分析軟件的結(jié)合途徑一直以來是研究熱點(diǎn)，建筑業(yè)界在思考如何結(jié)合才能發(fā)揮BIM軟件的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)階段，BIM軟件建立的模型通常不能直接為模擬軟件使用，仍需要重新在模擬軟件中建立模型，需要做一些修改或者增加的輸入。其中一個(gè)重要的原因在于模擬軟件簡化了模型。在模擬軟件中，軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，使得每個(gè)區(qū)內(nèi)部參數(shù)一致以便于計(jì)算。所有的墻體等維護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件被處理為沒有厚度的表面，而在建筑設(shè)計(jì)中墻體是有厚度的。

為探索BIM技術(shù)與建筑性能化分析的結(jié)合途徑，本工程將遵循BIM全生命周期的含義從工程規(guī)劃開始之初即采用三維設(shè)計(jì)與性能化設(shè)計(jì)同步的方法來試探兩者的銜接。

2 基于BIM的性能化分析

BIM的出現(xiàn)使得整個(gè)建筑和整套設(shè)計(jì)文件保存在一個(gè)集成的數(shù)據(jù)庫。所有內(nèi)容之間是相互關(guān)聯(lián)的。參數(shù)化建模產(chǎn)生協(xié)調(diào)，內(nèi)部一致并且可運(yùn)算的建筑信息，而這個(gè)正是BIM的核心。BIM能夠協(xié)調(diào)圖形和非圖形數(shù)據(jù)，如視圖、圖紙、表格。如果其中任何構(gòu)件進(jìn)行移動(dòng)，其它相連的建筑將進(jìn)行變化。參數(shù)化建模固有的雙向聯(lián)系性，將傳遞變動(dòng)的特性，帶來高質(zhì)、協(xié)調(diào)一致可靠的模型，使得以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和分析過程更加便利[3]。通常建筑工程由設(shè)計(jì)制作施工和運(yùn)營幾個(gè)獨(dú)立部分組成，這種獨(dú)立阻止互動(dòng)。BIM方案服務(wù)于整個(gè)生命周期，通過統(tǒng)一的數(shù)字模型技術(shù)將各個(gè)部分聯(lián)系起來。

本工程使用參數(shù)化建筑信息模型，比如墻、屋頂、門、窗等。這些信息可以對(duì)性能化分析提供必要的參數(shù)。墻體將根據(jù)實(shí)際構(gòu)造設(shè)置，將準(zhǔn)確的反應(yīng)室內(nèi)外熱流的傳遞，仿真分析將接近于實(shí)際情況。圖1為墻體構(gòu)造表及其傳熱系數(shù)等屬性。

圖1 墻體構(gòu)造表及傳熱系數(shù)等屬性

本工程位于中國南方區(qū)域(圖2)。周圍視野開闊。工程包括室內(nèi)步行商業(yè)街、次主力店、辦公、娛樂樓、室內(nèi)水公園、電影樂園等業(yè)態(tài)。地上建筑分為西、中、東北和東南區(qū)域。西側(cè)布置室內(nèi)水樂園，此區(qū)域?yàn)閱螌哟罂缍瓤臻g(局部有夾層)，為人們營造水上游玩的動(dòng)感空間；建筑中部布置室內(nèi)步行街，；東北區(qū)域布置娛樂樓，底層布置化妝品等大空間商業(yè)。

本工程利用BIM軟件，將水樂園模型信息參數(shù)數(shù)字化，設(shè)計(jì)通過進(jìn)行性能化分析后存在的問題反饋到模型中進(jìn)行修改。

圖2 工程平面圖

3 BIM模型性能分析實(shí)踐

本工程將BIM模型導(dǎo)入分析軟件，對(duì)建筑能耗，采光照度，室內(nèi)溫度場(chǎng)等情況進(jìn)行了模擬分析。

3.1 分析流程規(guī)劃

性能化分析之間相互制約，相互聯(lián)系的關(guān)系正是BIM優(yōu)勢(shì)所在，如圖3。

圖3 性能化分析圖

3.2 數(shù)據(jù)交換邏輯

良好的數(shù)據(jù)互換功能是在選擇軟件時(shí)需要考慮的重要因素。輸入和建模通常很耗時(shí)，因此模擬軟件能夠從外部數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入或者導(dǎo)出數(shù)據(jù)，將很大程度上簡化輸入。BIM設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于所結(jié)合的性能化分析都以BIM的參數(shù)化模型為中心。模型與性能化分析之間的聯(lián)系是不斷往返的。每一次分析后的修改都基于建筑模型。每一種分析都與其他分析相輔相成。BIM綠色設(shè)計(jì)基于對(duì)建筑基地環(huán)境中氣候條件，溫濕度、主導(dǎo)風(fēng)向、自然資源等因素的調(diào)查收集，結(jié)合設(shè)計(jì)理念與手法建立建筑的初步信息模型。然后，從中提取出基本的建筑能耗模型，通過對(duì)該模型的能耗模擬分析與實(shí)時(shí)信息反饋，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)一步修改變更設(shè)計(jì)，使建筑能源的消耗和利用率得到優(yōu)化。鑒于采光是辦公建筑設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)，可以通過光環(huán)境分析模擬軟件對(duì)建筑的光環(huán)境設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬，結(jié)合模擬結(jié)果，對(duì)辦公建筑采光的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。各個(gè)分析之間相互連接相互制約[4]，如圖4所示。

3.3 能耗分析

工程采用水冷冷水機(jī)組加冷卻塔作為空調(diào)冷源，燃?xì)庹婵斟仩t作為空調(diào)及生活熱水的熱源。工程初始階段針對(duì)天窗面積，材質(zhì)和空調(diào)系統(tǒng)的形式，運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行分析。此分析通過基于EnergyPlus 的Design Builder軟件對(duì)不同的天窗材料(見表1)和不同的開窗率(40%，30%，20%)進(jìn)行能耗模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇出不同天窗的傳熱系數(shù)與不同的開窗率對(duì)建筑能耗的影響關(guān)系以及最適合的材料。

在能耗模擬實(shí)驗(yàn)中，熱工參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備性能參數(shù)均按照國家及地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范取值。根據(jù)滿足節(jié)能要求的初始條件進(jìn)行全年耗模擬計(jì)算，得出了數(shù)值。通過設(shè)置不同天窗開啟率的參數(shù)， 得出了不同的建筑全年能耗分析，見表2-4。

從以上采暖能耗表得出：天窗的開啟率對(duì)采暖存在一定的影響?；谏鲜鲩_窗比的條件下，選取開窗比0.2左右為最優(yōu)。基于能耗最小的基礎(chǔ)上以及增加開窗比的情況下，選取天窗材質(zhì)考慮能耗增加較小的材質(zhì)為最優(yōu)，因此在六種材質(zhì)中，宜選傳熱系數(shù)為2.1W/(m2.k)，遮陽系數(shù)為0.164的材質(zhì)。

圖4 數(shù)據(jù)交換邏輯

表1 天窗材質(zhì)匯總表

天窗傳熱系數(shù)遮陽系數(shù)1DblRefA-HTINI6mm+3mmAri+6mm2.40.1822DblElecAbsBleached6mm+3mmAri+6mm2.40.733Projectroofglazing2.10.734DblRefC-LClr6mm+3mmAri+6mm2.10.1645DblElecABSBleached6mm+3mmAri+6mm1.7720.7396DblLoe(e2=1)TINI6mm+3mmAri+6mm1.7720.369

表2 采暖能耗匯總

表3 空調(diào)能耗匯總

表4 全年總能耗匯總

*單位面積級(jí)耗針對(duì)建筑面積計(jì)算，即能耗/總建筑面積。

根據(jù)以上結(jié)論，設(shè)計(jì)師調(diào)整了設(shè)計(jì)天窗開啟率。在建筑模型中調(diào)整了天窗的大小后，返回到設(shè)計(jì)模型中進(jìn)行采光以及舒適性的分析。是在基于DXF數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)Revit Architecture與能耗模擬之間的數(shù)據(jù)共享。

3.4 室內(nèi)外氣流組織分析

良好的自然通風(fēng)條件可以有效地減少建筑能耗。在本工程的溫度場(chǎng)分析中，主要根據(jù)設(shè)計(jì)師的理念在建筑的西側(cè)和南側(cè)開啟一定面積的窗戶，進(jìn)行建筑外部以及內(nèi)部的氣流組織模擬。確定窗戶的開啟位置以及大小。采用計(jì)算軟件Ansys14.5對(duì)水樂園區(qū)域進(jìn)行模擬。具體室外工況根據(jù)民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)定。

圖5為通過Revit導(dǎo)出，通過DWG格式導(dǎo)入模擬軟件的模型。

圖5 導(dǎo)入模擬軟件的模型

為了探討在何種氣象條件下自然通風(fēng)可以有效緩解室內(nèi)濕度以及溫度，選取兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，如圖6水樂園主題大廳的溫度分布，并在建筑的高度方向上分別做不同的剖面。圖6分別列出人體腰部和頭部位置的溫度分布。

圖6 溫度分布圖

通過以上模擬分析得出，當(dāng)溫度為28℃的情況下，可以采取自然通風(fēng)。

由于本模擬主要針對(duì)水樂園，因此散濕量對(duì)人體舒適存在影響，必須使得自然通風(fēng)量大于散濕所需要的通風(fēng)量。根據(jù)池水表面以及人體散濕量的公式計(jì)算出需求通風(fēng)量，與模擬中的通風(fēng)量進(jìn)行了對(duì)比。

通過以上的模擬得出窗戶的通風(fēng)量數(shù)值為604kg/s。當(dāng)水溫為28℃，飽和水蒸氣分壓力為3782pa；室內(nèi)溫度為36℃情況下，空氣的飽和水蒸氣分壓力為5946pa，根據(jù)相關(guān)公式，得出水面散濕和人體散濕需要的除濕通風(fēng)量為714 736.5 m3/h，模擬的通風(fēng)量為1 763 265m3/h，能夠滿足除濕量的要求。綜合分析，自然通風(fēng)的情況下，在室外溫度為28℃時(shí)，自然通風(fēng)可以滿足人體舒適性要求。

根據(jù)上述的模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)師對(duì)窗戶位置的設(shè)置以及大小進(jìn)行了調(diào)整，有效地改善了室內(nèi)氣流組織的效果，也為建筑的節(jié)能提供了參考。

3.5 采光分析

公用建筑對(duì)于光照的要求在相關(guān)規(guī)范中有明確要求。建筑設(shè)計(jì)師要求全自然采光為250lux?！叭匀徊晒獗取睘榻ㄖ心骋稽c(diǎn)在全年工作時(shí)間中單獨(dú)依靠全自然采光能達(dá)到最小照度要求的時(shí)間百分比。為了驗(yàn)證采光時(shí)間以及照度符合要求，使用ECOTECT軟件對(duì)工程進(jìn)行光照初步分析。

按照GB/T50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)視覺作業(yè)場(chǎng)所工作面和展廳的采光系數(shù)要求進(jìn)行分析計(jì)算(全陰天狀態(tài))。

圖7為通過Revit導(dǎo)出GBXML格式導(dǎo)入ECOTECT進(jìn)行建筑采光分析模型圖。

圖7 建設(shè)筑采光分析模型圖

本次采光分析的天氣狀況采取了Uniform sky的條件。由于采光分析的計(jì)算結(jié)果與建筑所處的緯度有關(guān)，軟件根據(jù)計(jì)算的采光系數(shù)與Tregenza公式確定的每個(gè)緯度的設(shè)計(jì)天空照度，來計(jì)算全年時(shí)間室內(nèi)自然采光的照度，通過概率統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算出最終的結(jié)果。圖8、9分別為為總體采光系數(shù)與采光百分比圖。

從圖中可以看在照度限值為250lux時(shí)，當(dāng)水樂園大廳窗戶開啟率滿足一定要求后，水樂園主題大廳90%以上的全自然采光時(shí)間都能夠滿足最低要求250lux的照度。

根據(jù)以上全自然采光的要求不斷調(diào)節(jié)BIM模型，重新導(dǎo)出GBXML 格式并通過ECOTECT2010進(jìn)行分析。這樣不斷修改與循環(huán)的過程改善了建筑模型與實(shí)體建筑的切合度。

圖8 總體采光系數(shù)圖

圖9 采交百分比計(jì)算圖

3.6 設(shè)計(jì)的優(yōu)化

通過以上的一系列模擬，建筑設(shè)計(jì)選取了最優(yōu)化天窗開啟率；根據(jù)自然通風(fēng)的模擬結(jié)果，確定了空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間，根據(jù)進(jìn)風(fēng)量的大小確定了窗戶面積的大小；驗(yàn)證了天窗大小能夠滿足照度的要求。以上性能化模擬的互換格式為GBXML、DWG、DXF三種格式，格式的互換有效地減少了重復(fù)建立模型的繁瑣，信息之間的互換能夠有效利用。由此可以看出BIM建筑模型的信息以及格式的轉(zhuǎn)換能夠有效地提高建筑的利用率。

4 BIM與性能化分析結(jié)合的實(shí)踐總結(jié)

BIM全過程起始于信息模型的建立，建筑模型的參數(shù)是性能化分析的核心。整個(gè)工程的進(jìn)行中，三維設(shè)計(jì)為主導(dǎo)線索，模擬分析與BIM設(shè)計(jì)同步，通過不斷模擬優(yōu)化BIM設(shè)計(jì)參數(shù)。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是單獨(dú)的設(shè)計(jì)過程，缺少了各專業(yè)以及各周期之間的互動(dòng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)要求頗高，即便是這樣，在建筑實(shí)體完成后進(jìn)行驗(yàn)證，也會(huì)造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和施工進(jìn)度的拖延。傳統(tǒng)的綠色設(shè)計(jì)師將軟件建立的建筑模型導(dǎo)入軟件給予不同的分析，其屬于單一分析且只能針對(duì)某一建筑性能進(jìn)行分析，如采光或者能耗；綠色BIM設(shè)計(jì)卻將建筑進(jìn)行集成化整體分析并進(jìn)行優(yōu)化。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷，將整個(gè)過程融合到一起?；贐IM的綠色設(shè)計(jì)卻將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)理以及抽象的效果更加直觀表達(dá)出來，更加注重前期的預(yù)測(cè)，能夠有效控制最后的建筑實(shí)體以及建筑成本。

[1]Edward Goldberg H．The Building Information Model：Is BIM the future for AEC design CADalyst，2004(21): 56-58.

[2]National BIM Standard-United States. http://www.buildingsmartalliance.org/index.php/nbims/faq/ (accessed: 2 March 2012).

[3]潘毅群. 實(shí)用建筑能耗模擬手冊(cè).中國建筑工業(yè)出版社.2013.9.ISBN 978-7-112-15510-1.

[4]任娟，劉煜等.基于BIM平臺(tái)的綠色辦公建筑早期設(shè)計(jì)決策觀念模型.建筑實(shí)踐, 2012(12):45-48.

Practice of BIM Integrated Building Performance Analysis——Aspect of Green Energy Saving

Liu Xiaoyan，Wang Kai

(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.,Shanghai200041，China)

It is a singlet combination process of traditional design and building performance,but BIM-based design is the process of building performance with collaboration. This article analyzes a water park project which shows the role of BIM in green building performance analysis design including opening rate and material of skylights and majorization about indoor-outdoor temperature. The article emphasizes the significance of BIM in performance analysis with theory and practice.

Building Information Modeling; Green Building; Performance Analysis

劉曉燕(1985-)，女，碩士，工程師,數(shù)字化技術(shù)咨詢部BIM工程師。 主要研究方向：建筑模擬性能化分析、綠色建筑;王凱(1982-)，男，碩士，建筑師，數(shù)字化技術(shù)研究咨詢部技術(shù)負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目經(jīng)理。主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)及理論、可持續(xù)生態(tài)；建筑設(shè)計(jì)、城市設(shè)計(jì)與再生。

TU201·5

A

1674-7461(2015)01-0014-06