基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)初期研究

王旭鳴何昱

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古包頭 014010 2.包頭財(cái)經(jīng)信息職業(yè)學(xué)校 內(nèi)蒙古包頭 014060）

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，需要對(duì)建筑的方案設(shè)計(jì)、建造施工、運(yùn)行管理等的每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行減少建筑能耗或提高能源使用效率的工作；但是當(dāng)今建筑的復(fù)雜程度已經(jīng)大大超過(guò)了僅憑建筑師主觀判斷就可以把握的程度，這就需要借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)模擬，來(lái)進(jìn)行建筑物初步的能耗分析，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。

而整合了大量建筑信息的BIM技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，給設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)良好的輔助設(shè)計(jì)工具。而本文正是基于BIM應(yīng)用軟件，創(chuàng)建簡(jiǎn)單的建筑信息模型，方便隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建筑節(jié)能分析。

1 BIM概述

1.1 BIM定義

BIM全稱為Building Information Modeling，即建筑信息模型，建筑信息模型可以用來(lái)顯示建筑物整個(gè)生命周期的建設(shè)，包括建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程，用數(shù)字化的建筑組件表示建筑物的構(gòu)件，以及建筑構(gòu)件的材料、價(jià)格及項(xiàng)目的建造進(jìn)度等。

1.2 BIM的特點(diǎn)

BIM通過(guò)數(shù)字化技術(shù)使建筑師摒棄傳統(tǒng)的二維圖紙，從2D CAD過(guò)渡到BIM技術(shù)的3DCAD，從而極大地拓展了建筑師對(duì)建筑形態(tài)探索的可實(shí)施性。BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。BIM支持建筑工程的集成化設(shè)計(jì)與管理，大大提高工作效率和減少風(fēng)險(xiǎn)。具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點(diǎn)。

1.3 BIM的應(yīng)用

綠色建筑在全壽命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)一般包括5個(gè)階段：可行性研究階段；方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)階段；建設(shè)實(shí)施階段；運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段；最后為銷毀階段。

在建設(shè)項(xiàng)目的可行性研究階段，BIM為其在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上提供了可行性論證，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

在方案設(shè)計(jì)階段，需要考慮環(huán)境對(duì)建筑的影響，這需要從風(fēng)、光、熱三個(gè)方面對(duì)建筑外部環(huán)境進(jìn)行綜合分析，BIM模型的建立信息更豐富、易于觀察、便于交流，可以導(dǎo)入相關(guān)分析軟件，結(jié)合建筑設(shè)計(jì)理論及方法確定最優(yōu)的建筑方案；在初步設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)建筑選用的構(gòu)造形式進(jìn)行初步確定，例如開窗位置、遮陽(yáng)形式、降噪措施等方面的處理，BIM建模進(jìn)行各專業(yè)間的碰撞檢查，復(fù)合模型、優(yōu)化項(xiàng)目。

在施工過(guò)程中需要對(duì)綠色建筑的能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，量化分析，利用BIM施工建模進(jìn)行施工方案研討、成本預(yù)估、工期控制等分析；BIM模型對(duì)各參與方信息進(jìn)行協(xié)調(diào)整合，加強(qiáng)工程項(xiàng)目在施工過(guò)程中可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)控制和協(xié)調(diào)能力。

在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，BIM建筑信息模型為業(yè)主提供所需的所有系統(tǒng)信息，在施工階段所做的修改將同步更新到BIM模型中，并最終形成BIM竣工模型，作為各種設(shè)備管理的數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)提供基礎(chǔ)。BIM建筑信息模型模擬分析貫穿整個(gè)綠色建筑設(shè)計(jì)工程。

2 基于BIM的建筑節(jié)能分析

2.1 建筑節(jié)能主要影響因素

對(duì)影響建筑節(jié)能的各因素進(jìn)行分析，分為外因和內(nèi)因兩部分，外因是指建筑周邊環(huán)境及氣候因素的外部條件；內(nèi)因是指建筑本身，包括朝向、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、體形系數(shù)等建筑節(jié)能參數(shù)。本文的研究是基于建筑方案設(shè)計(jì)階段的影響因素對(duì)建筑節(jié)能的影響。要降低建筑的能耗，只有定性分析是不夠的，需要定量分析建筑能耗，BIM技術(shù)為建筑性能分析的應(yīng)用提供了可能性。

經(jīng)過(guò)上面的講述，影響建筑節(jié)能的因素很多，但外擾在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期就已經(jīng)確定，內(nèi)擾在項(xiàng)目設(shè)計(jì)后期才能具體確定，本文主要利用BIM技術(shù)分析建筑本體因素對(duì)建筑節(jié)能的影響，包括建筑朝向、建筑體型、建筑日照、建筑通風(fēng)等等。

2.2 BIM建筑節(jié)能分析技術(shù)的方法

設(shè)計(jì)師在建筑前期設(shè)計(jì)階段的節(jié)能分析相比設(shè)計(jì)最終階段的節(jié)能分析，其解決問(wèn)題相對(duì)輕松，耗費(fèi)的人力物力都很少。同時(shí)在設(shè)計(jì)早期得到建筑能量問(wèn)題的反饋，處理這些問(wèn)題也相對(duì)容易。BIM技術(shù)就很好的為我們解決了這個(gè)問(wèn)題。

圖1 BIM建筑節(jié)能分析技術(shù)的方法

3 BIM技術(shù)輔助建筑方案設(shè)計(jì)

3.1 輔助建筑朝向設(shè)計(jì)

建筑朝向是指建筑物多數(shù)采光窗的朝向。建筑物主體的平面形式為矩形時(shí)，其短軸方向?yàn)榇我?，長(zhǎng)軸方向?yàn)橹饕?。朝向?qū)ㄖ?jié)能的影響主要體現(xiàn)在兩方面：①不同朝向的建筑物獲得的太陽(yáng)輻射熱的差異；②由建筑朝向所決定的建筑本身的通風(fēng)狀況。由于我國(guó)大部分地區(qū)處于北溫帶，建筑“坐北朝南”是比較好的朝向，建筑朝向受很多條件的制約，建筑不可能都在最佳朝向上，這時(shí)候就應(yīng)該結(jié)合場(chǎng)地條件，因地制宜、靈活地來(lái)確定合理的朝向范圍，同時(shí)利用BIM能耗分析技術(shù)，進(jìn)行多方案的能耗比較，來(lái)指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)出更合理的節(jié)能建筑。

3.2 輔助建筑體型設(shè)計(jì)

我們都知道在熱工性能方面具有相對(duì)優(yōu)異的表現(xiàn)是體形系數(shù)較小的建筑，而其他風(fēng)、光等氣候因素又對(duì)建筑形體產(chǎn)生制約，與建筑的熱工性能發(fā)生矛盾，在方案形體研究階段，用BIM技術(shù)對(duì)影響建筑形體的各氣候因素進(jìn)行分析，使建筑設(shè)計(jì)人員在確定建筑形體時(shí)就把建筑節(jié)能考慮在內(nèi)，使建筑能耗降低，達(dá)到節(jié)能效果。

不同建筑形體會(huì)對(duì)其周圍的風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生不同的影響，在哪個(gè)位置產(chǎn)生風(fēng)影區(qū)，很大程度取決于建筑的形體。風(fēng)影區(qū)的大小與建筑的長(zhǎng)度、高度、進(jìn)深有很大關(guān)系?；谙嗤慕ㄖ叨群瓦M(jìn)深，越長(zhǎng)的建筑其風(fēng)影區(qū)越大；基于相同的建筑長(zhǎng)度和進(jìn)深，越高的建筑其風(fēng)影區(qū)越大；基于相同的建筑長(zhǎng)度和高度，越大的進(jìn)深其風(fēng)影區(qū)越小。用Ecotect建筑生態(tài)大師進(jìn)行風(fēng)影區(qū)的通風(fēng)分析。

3.3 輔助建筑日照分析

生態(tài)大師Ecotect中的“陰影范圍”功能可以用于研究特定時(shí)間段內(nèi)建筑的陰影分區(qū)特點(diǎn)及變化規(guī)律，作為分析建筑日照間距的有力工具，陰影范圍是以指定時(shí)間間隔顯示當(dāng)前日期下某一特定時(shí)間段的陰影變化范圍，通過(guò)改變時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)陰影范圍的自動(dòng)更新。

3.4 輔助建筑通風(fēng)分析

建筑物通風(fēng)環(huán)境的影響因素主要是周邊建筑物的阻擋作用。由于前面建筑寬度、高度、深度的不同，對(duì)建筑背風(fēng)面的漩渦范圍產(chǎn)生影響，結(jié)果導(dǎo)致要達(dá)到理想的通風(fēng)效果，建筑的通風(fēng)間距各不相同。

圖2 建筑高度、面寬、進(jìn)深對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

垂直于建筑物正面的風(fēng)，如果建筑間的間距大于4～5H時(shí)，才能使后排建筑物的迎風(fēng)面保持正壓，同時(shí)需要加大建筑物間距才能保持原來(lái)的氣流狀態(tài)。根據(jù)英國(guó)學(xué)者的研究，建筑物的間距D為前排建筑高度H的6倍時(shí)才能避免發(fā)生“風(fēng)影”效應(yīng)。通常而言，日照間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通風(fēng)間距，導(dǎo)致用地浪費(fèi)和不利于節(jié)約成本，在實(shí)際項(xiàng)目中，很少采用。

若要實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，以下幾點(diǎn)值得參考：

（1）建筑布局應(yīng)適當(dāng)疏松，前后間距合理；

（2）以夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)榻ㄖ闹饕?，或在允許范圍之內(nèi)控制其夾角；

（3）確定建筑間合理的位置關(guān)系和角度關(guān)系，達(dá)到空氣流動(dòng)順暢的效果。

4 結(jié)論與展望

本文基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能分析在建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用為研究方向，從建筑設(shè)計(jì)出發(fā)，以建筑節(jié)能分析為研究理論基礎(chǔ)，結(jié)合場(chǎng)地氣候、地形特征，建筑本身的設(shè)計(jì)，探討B(tài)IM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中適宜、科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。

①論文介紹了BIM技術(shù)的概念、特點(diǎn)及其在建筑節(jié)能中的應(yīng)用；②結(jié)合BIM技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用，總結(jié)出BIM技術(shù)分析在建筑方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究的優(yōu)勢(shì)；③通過(guò)對(duì)建筑朝向、形體、日照、通風(fēng)等方面的分析，討論了BIM技術(shù)在建筑方案輔助節(jié)能設(shè)計(jì)中的策略研究，從真正意義上構(gòu)建節(jié)能建筑。

[1]王君峰，謬小烽.Revit Architecture 2010建筑設(shè)計(jì)火星課堂.人民郵電出版社，2010.

[2]陳繼良，張東升.BIM相關(guān)技術(shù)在上海中心大廈的應(yīng)用建筑技藝.建筑技藝，2011.

[3]梁波.基于BIM技術(shù)的建筑能耗分析在設(shè)計(jì)初期的應(yīng)用研究，2014.

[4]苗欣.綠色建筑與BIM技術(shù)的應(yīng)用.浙江房地產(chǎn)，2012.

[5]任佳.BIM帶來(lái)建筑產(chǎn)業(yè)革命.中國(guó)建筑報(bào)，2013.