基于BIM技術(shù)的綠色建筑設(shè)計優(yōu)化研究

丁陽雪，郭 軒，霍海娥

(四川師范大學(xué)，四川 成都 610100)

0 前 言

目前，我國建筑業(yè)發(fā)展迅猛，其總產(chǎn)值在國民經(jīng)濟物質(zhì)生產(chǎn)部門中占據(jù)第三位，僅次于農(nóng)業(yè)、工業(yè)。2018年上半年完成建筑總產(chǎn)值94 790億元，同比增長10.39%，建筑能耗消費總量為8.99億t標準煤，占全國能耗消費總量的20.62%，我國建筑節(jié)能潛力巨大[1]。近年來，我國頒布了一系列政策引導(dǎo)建筑業(yè)向綠色建筑及建筑節(jié)能方向發(fā)展,2017年住建部發(fā)布《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，旨在建設(shè)節(jié)能低碳、綠色生態(tài)、集約高效的建筑用能體系。因此，綠色建筑是建筑節(jié)能的必要措施，是對我國可持續(xù)發(fā)展的主動響應(yīng)，而只有實現(xiàn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展才能實現(xiàn)整體建筑產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，其核心就是綠色生態(tài)可持續(xù)[2]。據(jù)統(tǒng)計，僅房屋工程所需要的建筑材料就有76大類，2 500多個規(guī)格，1 800多個品種，建筑產(chǎn)品成本的2/3屬于材料費。建筑的不可持續(xù)發(fā)展很大程度上是因為建筑材料在生產(chǎn)和使用過程中的高能耗、嚴重的資源消耗和環(huán)境污染。因此，材料的選用很大程度上決定了建筑能耗的多少。

目前國內(nèi)對于基于BIM(Building Information Modeling)技術(shù)的建筑設(shè)計方面的研究有：曾旭東等[3]在2006年首次提出將BIM技術(shù)與建筑能耗分析相結(jié)合進行節(jié)能建筑設(shè)計的這一新方法。2008年，李玉娟[4]探討了如何在住宅建筑設(shè)計過程中，將BIM技術(shù)和各種技術(shù)結(jié)合起來，更好地實現(xiàn)建筑設(shè)計階段尤其是方案階段的住宅建筑設(shè)計，對住宅建筑進行全生命周期管理。2016年刁麗茹[5]提出運用建筑工程質(zhì)量管理理論對綠色建筑設(shè)計質(zhì)量管理及其設(shè)計質(zhì)量評價進行研究，對運用BIM技術(shù)進行綠色建筑設(shè)計質(zhì)量管理做了初步探討?？梢妵鴥?nèi)的相關(guān)研究大多從BIM技術(shù)的可視化及其信息化兩個角度對建筑進行優(yōu)化設(shè)計，對于建筑材料領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計較少。此外，綠色建筑設(shè)計質(zhì)量的好壞需要通過綠色建筑評價進行驗證，目前國內(nèi)廣泛采用的綠色建筑評價軟件是綠建斯維爾軟件，該軟件是基于CAD開發(fā)的一款綠色建筑評價軟件，可直接判定設(shè)計的建筑是否是綠色建筑，并可以判定其綠色建筑的等級。因此，本文以一棟教學(xué)樓為研究對象，首先用斯維爾綠色建筑評價軟件判斷是否滿足節(jié)能要求，然后基于BIM技術(shù)采用多種節(jié)能材料對其節(jié)能效果進行研究。

1 BIM技術(shù)與斯維爾綠色建筑評價軟件概述

1.1 BIM技術(shù)與綠建斯維爾軟件簡介

BIM是以建筑工程項目各項相關(guān)的信息數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)進行建筑模型建立，并方便全部參與方利用建筑信息來指導(dǎo)決策工程活動的過程[6]。在《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)中評價標準由節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、施工管理、運營管理7 類指標組成。利用BIM技術(shù)建立的建筑模型，含有大量的建筑信息，可在不同軟件進行交互應(yīng)用，減少了在不同分析軟件中建立模型的時間，提高了綠色建筑設(shè)計的效率和質(zhì)量。

Revit軟件中自帶材料族庫，但材料種類較少，不含有大部分新型綠色建筑材料，需要自行創(chuàng)建所需的建筑材料族。本文針對圍護結(jié)構(gòu)的部分綠色建筑材料進行研究，建立材料族如圖1所示。

圖1 本文建立的綠色建筑材料族

建筑節(jié)能是指在保證提高建筑舒適性的條件下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率[7]。針對不同地區(qū)的氣候特點及不同的使用目的，我國出臺了各相關(guān)節(jié)能評價標準，根據(jù)相關(guān)政策，結(jié)合工程實際情況，采用適合的節(jié)能新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料和新產(chǎn)品，提高建筑保溫隔熱性能，才能更好地達到節(jié)能建筑標準的要求[8]。

綠建斯維爾軟件“節(jié)能設(shè)計”板塊以《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB50176-2016)為熱工計算依據(jù)，按照國家、地方相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計技術(shù)標準、規(guī)范、規(guī)程，對建筑物進行規(guī)定性指標、性能權(quán)衡的判定，并可將計算結(jié)果以Word、Excel、Dwg等形式輸出并用于施工圖節(jié)能審查?；谖覈G色建筑評價標準所開發(fā)的綠建斯維爾軟件可根據(jù)建筑模型所在地區(qū)，因地制宜地根據(jù)當?shù)鼐G色建筑評價標準予以評價，彌補了國外能耗分析軟件沒有我國標準規(guī)范這一缺陷。

1.2 BIM技術(shù)與斯維爾綠色建筑評價軟件的聯(lián)系

目前我國綠色建筑處于高速發(fā)展階段，利用CAD繪制二維平面圖的傳統(tǒng)設(shè)計模式，已無法滿足時代要求，今后的綠色建筑設(shè)計將大量采用BIM技術(shù)建模。Revit模型相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出直接以設(shè)計模型為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)信息可信度較高[9]。將Revit軟件中的建筑模型以GBXML文件格式導(dǎo)入綠建斯維爾軟件，但導(dǎo)入的建筑模型的構(gòu)件信息會部分丟失，導(dǎo)致綠建斯維爾軟件無法進行節(jié)能分析?；赗evit軟件與綠建斯維爾軟件數(shù)據(jù)不互通的情況，利用Revit軟件的API接口進行二次開發(fā)，通過插件在建筑模型中提取綠色建筑評價所需數(shù)據(jù)，實現(xiàn)Revit軟件與綠建斯維爾軟件的交互應(yīng)用。

2 基于BIM技術(shù)對綠色建筑設(shè)計優(yōu)化

2.1 BIM模型建立

本文選取四川省宜賓市某多層教學(xué)樓進行綠色建筑設(shè)計優(yōu)化，其總建筑面積為821.15 m2，建筑高度11.25 m，建筑體積3 260 m3。在對建筑進行節(jié)能分析前，采用Revit建立的三維模型如圖2所示。

圖2 教學(xué)樓BIM模型

2.2 建筑數(shù)據(jù)提取

基于本文的研究目的，需從Revit模型中提取出屋頂、外墻所采用的保溫材料及建筑門、窗材料相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)表 單位：[W·(m2·K)-1]

提取到的參數(shù)數(shù)據(jù)無法在Revit軟件與綠建斯維爾軟件之間交互應(yīng)用，因此利用Revit軟件的API接口對軟件進行二次開發(fā)，在BIM模型中提取綠色建筑評價所需數(shù)據(jù)并導(dǎo)入綠建斯維爾軟件，實現(xiàn)Revit軟件和綠建斯維爾軟件的交互。

2.3 建筑熱工分析

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB50176-2016)中建筑熱工設(shè)計原則相關(guān)規(guī)定(4.1.1)可知，宜賓市屬于夏熱冬冷地區(qū)，其設(shè)計原則必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫。同時，根據(jù)此規(guī)范附件A“熱工設(shè)計區(qū)屬及室外氣象參數(shù)”可知宜賓市氣象參數(shù)如表2所示。

表2 宜賓市氣象參數(shù)

由表2可知，宜賓市溫度變化較大，夏熱冬冷，需借助建筑保溫系統(tǒng)的作用才能達到夏季防熱，冬季保溫的效果。

將所提取的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入綠建斯維爾軟件中，可以進行節(jié)能分析。

得到分析結(jié)果如表 3所示。由表3可知：僅靠建筑現(xiàn)有的節(jié)能系統(tǒng)并不能滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)中規(guī)定的要求，達到很好的保溫隔熱效果，因此，對該工程進行節(jié)能優(yōu)化，以設(shè)計出符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2015)的綠色建筑。

2.4 建筑節(jié)能優(yōu)化

通過查閱資料及市場調(diào)研，擬采用以下材料。

幾種節(jié)能材料及其蓄熱系數(shù)見表4。

表3 綠建斯維爾軟件節(jié)能分析結(jié)果

依據(jù)單因素變量原則，采用上述材料可形成4×3×2×4=96種優(yōu)化方案。依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2015)中建筑熱工計算原則及公式計算材料的蓄熱系數(shù)如下式：

式中，S為材料的蓄熱系數(shù)，[W/(m2·K)]，應(yīng)按規(guī)范要求取值；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，[W/(m·K)]；C為材料的比熱容，[KJ/(kg·K)]，應(yīng)按規(guī)范要求取值；ρ為材料的密度，kg/m3；T為溫度波動周期，h，一般取T=24 h；π為圓周率，取π=3.14。

將相關(guān)數(shù)據(jù)及模型導(dǎo)入綠建斯維爾軟件內(nèi)進行節(jié)能分析，結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果判斷：由綠建斯維爾軟件節(jié)能分析檢查結(jié)果(見表3)可知，判斷本建筑是否滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2015)，即比較設(shè)計建筑的綜合權(quán)衡全年供暖和空調(diào)總耗電量Ed是否小于參照建筑的綜合權(quán)衡Er，若Ed小于Er，則滿足綠色建筑節(jié)能設(shè)計標準；反之，則不滿足。

方案選?。簭乃袧M足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB50189-2015)的方案中，選擇設(shè)計建筑綜合權(quán)衡Ed最小的方案，此方案便是最優(yōu)方案。在本工程中，①組合方案43號“無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(屋頂)+無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(外墻)+單層實體木制門(門)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”和②組合方案47號“無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(屋頂)+無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(外墻)+雙層實體木制門(門)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”均是最節(jié)能方案，其綜合權(quán)衡Ed為9.82

圖3 節(jié)能分析結(jié)果

表4 幾種節(jié)能材料及其蓄熱系數(shù) 單位：[W·(m2·K)-1]

3 結(jié) 語

本文綜合應(yīng)用BIM技術(shù)與綠色建筑評價軟件斯維爾對四川省宜賓市某多層教學(xué)樓建筑進行了綠色建筑優(yōu)化設(shè)計。針對5種節(jié)能材料，共96種組合進行了優(yōu)化分析。通過模擬得出：組合方案43號和47號均為最優(yōu)方案，其綜合權(quán)衡Ed都為9.82，滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)。在所選取的材料中，門的材料變化對建筑的保溫效果影響十分微小，而節(jié)能材料中無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)材料節(jié)能效果最佳。本文實現(xiàn)了BIM模型與綠建斯維爾軟件之間的交互，可為綠色建筑的設(shè)計及評價提供參考。

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