基于BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應用研究

王昭仙，王健，高連柱，王校，張瑩，邵世軍

（1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南 250100；2.安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；3.安徽省綠色建筑先進技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601）

基于BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應用研究

王昭仙1，王健2，3，高連柱1，王校1，張瑩1，邵世軍1

（1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟南 250100；2.安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；3.安徽省綠色建筑先進技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601）

近年來隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑物的數(shù)量與規(guī)模也在不斷增大，隨之帶來的環(huán)境污染問題與能源消耗問題引起了廣泛的關(guān)注。伴隨著計算機硬件技術(shù)的提高，工程軟件開發(fā)也突飛猛進，為工程建設(shè)行業(yè)添加了新的工具和方法。如何將當前已有的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)進行合理搭配，改變當前建筑行業(yè)粗放型的生產(chǎn)管理方式，推動建筑行業(yè)的生產(chǎn)力的發(fā)展，提升我國建筑設(shè)計水平，已成為當前建筑行業(yè)亟需解決的問題。BIM平臺給建筑生產(chǎn)和建筑運維帶來了新的工作方式，通過BIM技術(shù)結(jié)合建筑節(jié)能設(shè)計方法，對建筑周邊風環(huán)境、聲環(huán)境、日照采光等進行模擬分析，達到建筑節(jié)能的目的，提出優(yōu)化方案。

BIM；建筑節(jié)能；建筑設(shè)計

目前我國能源短缺情況嚴峻，推行建筑節(jié)能刻不容緩，所以我國建筑設(shè)計領(lǐng)域務必實行有效的應對措施。據(jù)實際統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的建筑中大多數(shù)為高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情況。

隨著BIM技術(shù)快速發(fā)展，其為建筑節(jié)能設(shè)計提供一個全新的思路。因此，世界各國都致力于分析研究基于BIM技術(shù)的性能、基于BIM技術(shù)建筑節(jié)能設(shè)計和整個命周期管理等BIM技術(shù)應用[1]。K.Tantisevi等人研究了基于BIM技術(shù)的建筑維護結(jié)構(gòu)整體傳熱計算。P.E.Moakher研究了BIM技術(shù)在能耗分析中的應用。P.Sanguinetti等人探討了BIM和仿真分析模型之間交互的問題。S.Azhar研究了BIM技術(shù)在可持續(xù)設(shè)計和LEED評價中的應用[2]。BIM技術(shù)彌補了在分析和設(shè)計效率的傳統(tǒng)建筑節(jié)能設(shè)計的缺陷。然而當前這種應用還不成熟，未能形成系統(tǒng)的應用標準和理論，有待進一步研究分析[3-6]。

BIM（Building Information Model）最早是美國喬治亞技術(shù)學院建筑與計算機專業(yè)博士Chuck Eastman提出的。BIM平臺是將建筑生命周期內(nèi)與建筑建造和使用維護過程中的信息（主要包括影響施工階段、設(shè)計階段、運營維護等階段）整合在一個建筑模型中。BIM的目的是構(gòu)建一個有助于協(xié)作和執(zhí)行能力的信息交流平臺，幫助項目參與方及時獲取信息和自由添加信息，提高工作效率和工程質(zhì)量。簡而言之，就是在項目實施之前，預先在電腦上模擬一遍，各專業(yè)工程師在BIM平臺下協(xié)調(diào)優(yōu)化工程方案。這樣可以預先發(fā)現(xiàn)實際施工過程中可能出現(xiàn)的問題，提高對實際工程的進度控制和質(zhì)量控制。基于BIM平臺創(chuàng)建的建筑信息模型在多個專業(yè)學科之間，甚至整個生命周期內(nèi)都具有協(xié)調(diào)性。因此，根據(jù)文檔保存的需要，BIM平臺中創(chuàng)建的三維模型也可以轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的2D施工圖。BIM模型根據(jù)不同專業(yè)分析的需要，可經(jīng)簡化后導入到專業(yè)分析軟件進行計算分析和造價計算，使得各專業(yè)分析人員更加專注于考慮不同的工況設(shè)置和設(shè)計性能的計算分析，而減少在基礎(chǔ)建模上浪費更多的時間。

基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能模擬體系是在以BIM模型和相關(guān)模擬分析軟件的基礎(chǔ)之上，將氣候環(huán)境等相關(guān)因素的影響考慮進去，創(chuàng)建一個環(huán)境模擬分析的平臺，在該平臺上利用模擬分析的結(jié)果調(diào)整建筑節(jié)能設(shè)計階段的成果，優(yōu)化建筑的空間布局[7-9]。本文選擇REVIT軟件與BIM的環(huán)境模擬的分析工具軟件：ECOTECT、Cadna/A、Phoneics相結(jié)合，可以得到設(shè)計初期基本數(shù)據(jù)。

Ecotect軟件可以通過多種方式與三維建模軟件進行數(shù)據(jù)的快速交換。gbXML格式是基于空間之上來建立模型的，它其中的一部分與非建筑圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)在交換過程中很可能會丟失，dxf和3ds格式是兩種相對較為真實的三維數(shù)據(jù)模型。如果三維模型中有較為復雜的部分，這時一般會對其進行簡化處理以增強三維數(shù)據(jù)模型在導出時候的使用性能。在建筑節(jié)能設(shè)計階段，Revit模型在選取gbXML格式的時候。首先需要定義好房間的屬性。選用dxf格式時，可以用一些簡化的模型進行操作然后使用快捷導入Ecotect中，對模型進行日照采光的模擬分析。而用Sketchup模型則也可通過dxf格式導入到Ecotect中進行模擬分析。Sketchup導入后會顯示三角面，只需在Ecotect中對其執(zhí)行合并三角的命令即可。

Ecotect軟件的數(shù)據(jù)并非是相互流通的，它與其他的數(shù)據(jù)是單向的進行交換（見圖1）。因此三維建筑數(shù)據(jù)模型可以導入Ecotect中進行模擬和數(shù)據(jù)分析，但是模擬分析的結(jié)果只能作為一個參照依據(jù)，是無法再將結(jié)果導入到三維建筑數(shù)據(jù)模型中進行深入處理。

圖1 三維建模與模擬分析軟件的交流形式

建設(shè)項目的可日照采光環(huán)境、熱環(huán)境、風環(huán)境、室內(nèi)外聲環(huán)境等指標早就在項目開發(fā)之前就已經(jīng)基本確定下來，可是因為技術(shù)缺陷的原因，普通的建設(shè)項目很難有充足時間和經(jīng)費對以上所述的各個指標進行多方面細致的的模擬分析，而BIM技術(shù)就可能廣泛應用在建筑性能分析中。

提高建筑周圍的舒適度，通過改善建筑方案、調(diào)整居住區(qū)流場分布，減弱渦流和滯風現(xiàn)象，改善居住區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，模擬分析在大風作用下，有哪些區(qū)域可能會因為狹管效應從而帶來安全隱患等。其所涉及到的BIM風熱環(huán)境模擬分析方法的基礎(chǔ)是指將Revit與其CFD流體力學模擬分析插件二者進行結(jié)合分析的方法。這種分析方法在BIM場地模型中可以對周圍的生態(tài)信息進行編輯，在將其與提取相關(guān)的風速、風頻、浪頻等信息進行結(jié)合，從而可以左右BIM分析的參數(shù)設(shè)置條件，再由BIM的代表性軟件如：SIMULATION等對其分析，結(jié)合分析結(jié)果，綜合的考慮建筑整體的環(huán)境效果。

在項目開發(fā)的前期階段，充分考慮項目所在地的氣候、地形條件等，借助風環(huán)境模擬軟件比較分析不同方案，最終選擇合理的規(guī)劃方案達到優(yōu)化氣候環(huán)境，節(jié)約土地的目的。

分析建筑設(shè)計方案的自然采光效果，通過改善建筑造型、布局，建筑材料的使用等，調(diào)整采用自然采光，從而根據(jù)采光效果進行室內(nèi)布局優(yōu)化等。

分析建筑設(shè)計方案，采用改善通風口位置、尺寸等改善室內(nèi)流場分布，并且引導室內(nèi)氣流組織高效的流動，提高室內(nèi)舒適度。

對熱島效應進行模擬分析，采用最合理的建筑單體設(shè)計、整體布局和改善周邊綠化環(huán)境等方式消弱熱島效應。

用噪聲模擬軟件構(gòu)建建筑物的數(shù)據(jù)模型，通過對建筑物周邊的聲環(huán)境進行模擬分析，通過對建筑物的用材、建筑內(nèi)部的布局變化的手段來預測和評價建筑聲學質(zhì)量，提出合理的建筑聲學優(yōu)化方案。

本文選擇合肥市第七十中學建筑為例分析其建筑節(jié)能應用。項目地塊位于勝利路，臨泉路北側(cè)，紅星家園小區(qū)的東側(cè)，場地基本平整。校區(qū)規(guī)劃紅線面積為8748.27m2，總建筑面積為4718.14m2，其中已建建筑面積為2192m2，新規(guī)劃建筑面積為2726.14m2，容積率0.54，建筑密度15.3%，建筑高度19.6m，框架結(jié)構(gòu)形式，使用年限為50年，地上5層，抗震等級7度，建筑耐火等級二級（見圖2～4）。

本項目為擴建項目，在原有建筑基礎(chǔ)上在規(guī)劃區(qū)內(nèi)新增加1座教學綜合樓以及報告廳，擴建后教室增加到25個，標準物理、化學、小學實驗室各1個，計算機室1個，并增加相應的辦公場所。新建建筑的三維圖見圖5。

項目強調(diào)全區(qū)建設(shè)的整體性，將建筑的功能布局、道路系統(tǒng)、綠化系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施等，進行統(tǒng)一規(guī)劃形成統(tǒng)一整體。在整體布局的基礎(chǔ)上結(jié)合建設(shè)要求，強化規(guī)劃的相對獨立性盡量構(gòu)筑人車分流交通系統(tǒng)，減少車輛通行對校區(qū)的干擾。建筑分布遵循地貌、景觀位置以及朝向的改變，在局部區(qū)域內(nèi)具有雅致悠然的空間形態(tài)，為學生提供一個舒適的學習環(huán)境。

圖2 項目總平面圖

圖3 規(guī)劃結(jié)構(gòu)圖

圖4 功能分析圖

圖5 項目Revit三維模型圖

本項目為中學校園，初中階段是學生世界觀形成的重要階段，校園作為初中生接受教育的重要場所，創(chuàng)造符合初中生學習要求的綠色校園是本項目設(shè)計的首要任務，節(jié)約整潔的教學樓、寬闊的運動場營造出積極向上的校園氛圍。

5.2.1 和諧原則

建筑是由人類行為影響而產(chǎn)生的結(jié)果，因為建筑的設(shè)計、施工和運維的各個階段都有損耗，其他因素干擾建筑的實際作用，所以本項目要強調(diào)建筑要擁有和諧的體系、系統(tǒng)、關(guān)系的重要原則。

本項目在設(shè)計中充分考慮與場地和周邊建筑的關(guān)系，在保證優(yōu)質(zhì)校園環(huán)境的前提下，充分利用場地進行最大化的開發(fā)應用，在滿足建筑基本功能的基礎(chǔ)上，建立與周邊建筑良好的對話關(guān)系，使之融為一體，并在功能空間上相互補充相互影響，為人們提供更為合理的功能空間。

5.2.2 適地原則

所有城市的建設(shè)、規(guī)劃、或者單位工程項目，都必須對指定地方的周圍環(huán)境等條件進行評價分析，其中涵蓋了當?shù)氐臍夂蛱卣?、地方的文化習俗、地理因素、能源分布、建筑機理特征等條件，如地方建筑材料利用的強度與持久性和當?shù)貙ㄖ南拗片F(xiàn)狀等。因此，必須結(jié)合合肥地區(qū)當?shù)刈匀弧⑷宋沫h(huán)境設(shè)計。

本項目在原有場地建筑的基礎(chǔ)上進行規(guī)劃設(shè)計。建筑南北向布置，充分增加了建筑的采光和通風，并與原有建筑保持一定距離，減少對已有建筑通風采光以及噪聲的影響。建筑造型簡單，與原有建筑相輔相成，盡可能的融入到場地中，做到適地而建。

5.2.3 節(jié)約原則

重點突出“節(jié)能省地”原則。節(jié)省土地首先從規(guī)劃階段開始，通過詳細分析建筑用地的比例關(guān)系，合理進行分配，提升土地利用率。節(jié)能技術(shù)主要依據(jù)蓄熱方式來降低能量消耗的原理來提高能源的使用效率，并且對例如風能、太陽能、海洋能、生物能、水利能等可再生的自然資源進行充分的利用，降低對不可再生資源的使用。還可以結(jié)合當?shù)氐臍夂蛱攸c，在建筑設(shè)計時考慮當?shù)氐奶柤帮L的運行規(guī)律，把通風及太陽光等可利用的節(jié)能措施加入進去以降低能耗。

本設(shè)計充分利用場地，最大化的規(guī)劃設(shè)計。建筑造型簡單無多余的構(gòu)架，節(jié)約材料。建筑外立面顏色為淺色暖色調(diào)，不僅符合學校建筑的特點，而且還能有效降低太陽輻射，降低環(huán)境溫度，提高舒適度。建筑北側(cè)外立面增加了立體綠化，改善了場地的微環(huán)境，同時也為已建建筑增加了一抹綠色，增進了新老建筑的對話，豐富了課余生活。

5.2.4 舒適原則

舒適要求與資源占用及能量消耗在建筑建造、使用維護管理中一直是一個矛盾體。在綠色建筑中強調(diào)舒適原則并不是以放棄建筑的舒適度為前提，而是以滿足人們的居住的舒適度為標準，應用材料的保溫性能，提高維護結(jié)構(gòu)的保溫性和隔熱性，利用太陽能冬季取暖夏季降溫的特性，用遮陽設(shè)備來降溫，預防夏季溫度過高，從而使室內(nèi)環(huán)境更加舒適?？紤]到本項目使用者主要為中學師生，為向中學師生提供一個安靜的學習環(huán)境，建筑及周邊的聲環(huán)境良好是本項目必須體現(xiàn)的舒適原則。

本項目主要功能房間布置在南側(cè)，增加了南側(cè)的采光，通風，擁有開闊的視野，有助于學生眼睛的保護。建筑功能合理，動靜分區(qū)，在滿足基本空間的前提下盡量減少輔助空間，增加建筑空間的利用率。建筑入口設(shè)有無障礙通道及無障礙衛(wèi)生間，滿足不同人群的需求。

根據(jù)合肥市《關(guān)于加強新建民用建筑設(shè)計方案建筑節(jié)能和綠色建筑管理工作的通知》（合規(guī)[2014]129號）等有關(guān)規(guī)定、本項目綜合規(guī)劃及業(yè)主要求，本項目應滿足《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）綠色公共建筑一星級設(shè)計要求。

5.3.1 日照模擬分析

日照方面，項目南側(cè)為學校廣場和運動場地，對教學樓和報告廳無遮擋，保障了教學樓的主要功能房間在冬至日平均達到4h左右的日照。同時，結(jié)合《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）第4.1.4的要求，本項目的新建建筑未降低周邊建筑的日照標準，使項目北側(cè)已建建筑的主要功能房間在冬至日平均達到2h左右的日照（見圖6）。

圖6 學校日照模擬分析圖

5.3.2 室外風環(huán)境模擬分析

為了讓模擬分析的結(jié)果更加真實，采用對建筑所在的實際地理位置的風速與風向進行分析。利用風玫瑰圖，利用給出的頻率最多的風速風向情況，確定當?shù)仄骄L速作為模擬區(qū)域的輸入條件（見圖7和表1）。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》可知合肥地區(qū)的冬季、夏季以及過渡季節(jié)在最多風向條件下的風速情況。

圖7 項目及周邊建筑模型

項目所在地氣象參數(shù)表 表1

5.3.2.1 冬季典型風速和風向條件

圖8 風速云圖（1.5m高度處）

圖9 風速放大系數(shù)圖（1.5m高度處）

圖10 迎風面風壓圖

圖11 背風面風壓圖

項目冬季典型風速和風向情況見圖8～11，由上述圖形模擬結(jié)果分析得出，在冬季室外最多風向平均風速為3.5m/s的NNE風場下，建筑室外人行高度1.5m處的最大風速不超過3m/s，風速放大系數(shù)最大值小于1.5，教學樓和報告廳的迎風面與背風面表面風壓差整體上在3.5Pa左右。

《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）中4.2.6條要求“在冬季典型風速和風向的條件下，建筑物周圍人行區(qū)風速小于5m/s，且室外風速放大系數(shù)小于2；除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa”。因此，在冬季典型風速和風向條件下，項目符合規(guī)范對場地內(nèi)風環(huán)境的要求。

5.3.2.2 夏季典型風速和風向條件

項目夏季典型風速和風向情況如圖12～15所示。

圖12 風速云圖（1.5m高度處）

圖13 風速矢量圖（1.5m高度處）

圖14 迎風面風壓圖

圖15 背風面風壓

5.3.2.3 過渡季典型風速和風向條件

項目過渡季典型風速和風向情況如圖16～19所示。

圖16 風速云圖（1.5m高度處）

圖17 風速矢量圖（1.5m高度處）

圖18 迎風面風壓圖

圖19 背風面風壓圖

從上述圖形模擬結(jié)果分析得出，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，教學樓和報告廳周邊活動區(qū)域未出現(xiàn)渦旋，大部分區(qū)域風環(huán)境情況良好。

《綠色建筑評價標準》（GB50378-2014）中4.2.6條要求“在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，場地內(nèi)人活動區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)，50%以上可開啟外窗室內(nèi)外表面的風壓差大于0.5Pa”。因此，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，項目符合規(guī)范對場地內(nèi)風環(huán)境的要求。

5.3.3 室外聲環(huán)境模擬分析

本報告分析模型主要包括合肥市七十中學的教學樓、報告廳、校園內(nèi)已建建筑、周邊建筑物及道路等影響因素，分析模型見圖20。

圖20 項目環(huán)境噪聲模擬分析模型

該項目周圍道路分別為臨泉路、桃溪路和昌盛路。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ37-2012）的要求，在城市主干路設(shè)計速度取60km/h，城市次干路設(shè)計速度為30km/h。晝間模擬結(jié)果見圖21～24。

圖21 整體平面噪聲分布圖

圖22 教學樓及報告廳噪聲分布

圖23 西北側(cè)立面噪聲分布圖

圖24 東南側(cè)立面噪聲分布圖

根據(jù)以上聲環(huán)境模擬分析可以看出，本項目場地內(nèi)噪聲主要由周邊道路的車輛噪聲產(chǎn)生，從以上分析結(jié)果可以看出，本項目場地內(nèi)晝間噪聲最大值為48dB，夜間最大值為38dB，噪聲環(huán)境良好，滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3096-2008）的相關(guān)要求，即滿足晝間噪聲不大于55dB、夜間不大于45dB，符合《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）第4.2.5條款要求：場地內(nèi)環(huán)境噪聲符合現(xiàn)行國家標準《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3096-2008）的有關(guān)規(guī)定。

本文介紹了我國建筑節(jié)能現(xiàn)狀，探討了在建筑節(jié)能設(shè)計中BIM數(shù)據(jù)的交換方式，分析了在建筑節(jié)能中基于BIM的建筑性能化分析，通過BIM軟件對建筑周邊的日照環(huán)境、風環(huán)境、聲環(huán)境的模擬分析提出優(yōu)化方案。研究通過分析合肥市第七十中學的項目，針對學校的日照采光、室內(nèi)外風環(huán)境、聲環(huán)境模擬，結(jié)合建筑節(jié)能規(guī)范和綠色建筑規(guī)范，做出節(jié)能評估進行改進。

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綜上所述，要實現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的砂加氣塊非承重墻體自保溫，并能滿足國家、地方建筑節(jié)能設(shè)計標準，就必須要對保溫砌體結(jié)構(gòu)、建筑墻體熱橋部位的附加保溫、墻體抗裂處理、細部防水節(jié)點等，進行精心設(shè)計、精心施工。只有這樣圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能與建筑同壽命的質(zhì)量和安全才能保證。

TU201.5

A

1007-7359（2016）05-0037-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.009

王昭仙（1979-），男，山東濟南人，畢業(yè)于山東建筑大學，學士，國家注冊一級建造師。