基于BIM 技術(shù)的外保溫體系熱橋熱工性能分析研究

張廣平 任子婷

（吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，吉林 長春 130022）

伴隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，大量建筑譬如住宅、公建、商場等也不斷產(chǎn)生，每年的建筑所消耗的能量折合成電力來算的話，大概有2.3 萬億度電，建筑物的耗能主要來自于北方城市取暖、大型公共建筑、普通住宅與公建的非取暖耗能例如照明、家電等以及農(nóng)村生活耗能等。我國目前的能源較為匱乏，按照經(jīng)濟的發(fā)展速度，建筑的不斷發(fā)展，后期建筑用能會越來越高，所以目前我國應(yīng)該尋找一條適合自己的節(jié)能發(fā)展道路，增強可持續(xù)發(fā)展的能力。而我國目前使用的以石材幕墻為代表的的新型熱橋在熱工性能方面還存在著較大的問題，所以，對于熱橋技術(shù)的創(chuàng)新研究發(fā)展在今天能源大量消耗的情況下就顯得尤為重要。

1 BIM 技術(shù)介紹

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling），又稱建筑信息模擬，其構(gòu)成的建筑工程信息模型支持新產(chǎn)品開發(fā)管理，并且可由計算機應(yīng)用程序直接解釋，即把建筑環(huán)境數(shù)字化，其把建筑設(shè)計與建筑工程匯總的各個專業(yè)組成一個統(tǒng)一的整體。其具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性的特點。對于BIM技術(shù)的應(yīng)用，就是建筑師在一個三維的環(huán)境里建造一個建筑設(shè)計模型，這個模型包含了全面的建筑設(shè)計信息，其可以在里面添加虛擬的參數(shù)設(shè)置，可以自由選擇造價、性能、材質(zhì)、尺寸[1]。其無論是在觀感還是在專業(yè)上來說，都是非常精確的。通過對BIM 的技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計人員以及建筑人員可以很好地理解建筑中的各種工程數(shù)據(jù)，使得各方面協(xié)作更加便利、精確。

2 熱橋熱工性能研究的重要性

2.1 常見熱橋結(jié)構(gòu)的熱工性能影響

當(dāng)今時代人們也已經(jīng)開始注意到建筑的圍護結(jié)構(gòu)影響著能源的消耗問題，一些建筑上面也開始應(yīng)用這方面的設(shè)計，對于建筑熱橋的熱工性能影響非常明顯。常見的熱橋有八大類，分別是墻熱橋、柱熱橋、門熱橋、窗熱橋、樓板熱橋、屋頂熱橋、陽臺熱橋及其它熱橋。各個熱橋的位置詳見圖1.1

圖1.1 熱橋的常見結(jié)構(gòu)

其每個熱橋的形式以及特點如下：

W-P 墻熱橋，其形成的原因是內(nèi)外墻體吸放熱面積不同和材料的不同，其危害是影響墻的保溫性能；W-C 柱熱橋，其形成的原因是鋼筋混凝土柱與外墻或內(nèi)墻相接觸所形成的傳熱性能的不同，其危害是在框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)中熱橋危害更大；W-D 們熱橋，其形成的原因是門材料與墻體材料傳熱特性的不同；W-W 窗熱橋，其形成的原因是，上窗熱橋是由于窗上有過梁，其只在砌體中存在，側(cè)下窗熱橋是由于窗戶型材與主墻體傳熱性能差異，其危害是幕墻熱橋成為窗熱橋的主要形式；W-F 樓板熱橋，其形成的原因主要是樓板與梁、主墻體間相接觸；W-R 屋頂熱橋，其形成的原因是屋頂和房間圈梁相接觸形成傳熱不均的現(xiàn)象，其危害在于女兒墻熱橋也是屋頂熱橋中常見的一種形式；W-B 陽臺熱橋，其形成的原因是，復(fù)合保溫墻體，陽臺處外墻保溫材料被切斷，其危害在于開式陽臺比閉式陽臺熱橋更為明顯；其他熱橋指的是遮陽熱橋、天窗熱橋等[2]。

2.2 以石材幕墻為代表的新型熱橋效果不理想

石材作為一種新型的建筑外墻的一種圍護結(jié)構(gòu)，其具有抗風(fēng)壓、防雨水的功能，并且還有一定的保溫和隔熱的效果，在隔音和透光效果方面也很不錯，其對于整個建筑外墻的熱工性能影響很大，一定地提升了熱工性能，在外保溫體系中非常重要。但是在以往的設(shè)計當(dāng)中，大部分的建筑師沒有利用好石材其保溫和隔熱的效果，國家對于石材的熱工設(shè)計計算也沒有相應(yīng)的規(guī)定，因此，外墻熱工性能系數(shù)的計算只考慮了墻體的傳熱系數(shù)，并沒有考慮石材的影響。而且目前國內(nèi)對于石材幕墻的施工主要是干式的施工方式，這種施工方式將一些保溫的材料采用一些固定、龍骨以及埋件的方式進行連接，這種方式使得建筑更加的安全和牢固，但是通過龍骨保溫層被削弱，產(chǎn)生熱橋，如果選擇了不恰當(dāng)?shù)牟牧匣蛘呤鞘┕げ划?dāng)，可能會導(dǎo)致火災(zāi)。

3 用BIM 方法研究石材幕墻熱橋傳熱

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增多。從1965 年開始設(shè)計師們就開始了對建筑環(huán)境以及控制系統(tǒng)進行動態(tài)模擬研究。初期主要產(chǎn)生了一些簡單的動態(tài)傳熱算法，例如度日法、bin 法等。在七十年代以后，計算機的高速發(fā)展更是推動了模擬技術(shù)以及計算機軟件的發(fā)展，先后出現(xiàn)了BLAST 以及DOE-2 這兩款軟件。再后來的發(fā)展中，又接著出現(xiàn)了TRNSYS 和HVACSIM+這兩款軟件。這些模擬軟件，均用的是一維或者二維處理，過于簡單，在處理熱橋傳熱的時候會帶來較大的誤差。現(xiàn)在大多數(shù)的設(shè)計師用的是CAD 技術(shù)來解決一些三維的問題，用多個二維來表達建筑整體，雖然具有一定的效果，但是經(jīng)常不準確的設(shè)計修改耗費了大量的時間和人工，我國目前很多都是采用CAD 加3Dmax 一起來進行操作，但是仍然存在著上述問題，既花費了大量的時間，圖紙也不甚精確[3]。新形式的熱橋，在實際的測試中很容易出現(xiàn)誤差，其迫切需要一種新的軟件進行模擬。進入到新世紀后，BIM 的誕生，為熱橋傳熱的測試以及模擬帶來了很大的影響。相對于現(xiàn)大多數(shù)用的CAD，其具有的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性使熱橋傳熱的模擬變得更加的準確。

4 熱橋傳熱實測研究

4.1 能耗模擬軟件介紹

本文將選用ANSYS 軟件進行模擬，其是由美國的John Swanson 博士發(fā)明的軟件，因為其自帶建模與分析系統(tǒng)，是一種應(yīng)用BIM 技術(shù)進行建筑分析的先進軟件。

4.2 測試熱橋傳熱系數(shù)方法

目前我國現(xiàn)場測試熱橋傳熱系數(shù)中多采用以下三種方法：熱箱法、熱流計法、紅外熱成像檢測法。

4.3 測試對象描述以及測試方法介紹

本次測試選取了某小區(qū)商業(yè)區(qū)的一角進行，測試時間共48 小時，本次實驗主要測量該建筑物的室內(nèi)和室外的溫度、石材表面的溫度、石材幕墻連接件溫度、測試墻體內(nèi)外表面溫度以及熱橋和非熱橋部位的熱流強度。室外溫度測量時，要在百葉箱內(nèi)放置溫度計，室內(nèi)溫度測量時，在房間中央1.5m處進行測量。在熱橋與非熱橋部分分別設(shè)置測試點，以此來對比石材幕墻熱橋部位與非熱橋部位的熱流強度。第一測試點測試熱橋部位，第二測試點測試非熱橋部分。并且，在石材幕墻的內(nèi)外以及內(nèi)部的熱橋和非熱橋的部位設(shè)置6 個溫度測試點。

4.4 測試結(jié)果分析

經(jīng)過測試，我們得出了以下結(jié)果。

四個測點的溫度與空氣的溫度基本一致，說明了熱橋外表面溫度與普通的保溫層外表面溫度以及石材內(nèi)表面溫度很接近。

測溫點5 的溫度比測溫點6 的溫度要低，說明在測溫點5 的部位受到石材幕墻熱橋影響較大，流出了較多的溫度，測溫點6 溫度與室內(nèi)溫度更加接近，說明其保溫做得比較好。

測溫點1 的熱流量最大，可達到平均31.132W/m2，測溫點2 的熱流密度小很多，平均為21.347W/m2，說明熱橋?qū)τ谕鈬鷤鳠岬挠绊懞艽蟆Ｍㄟ^石材幕墻熱橋，室內(nèi)溫度大量流入室外，對于建筑節(jié)能造成了很大的影響。

5 傳熱模擬石材幕墻熱橋

5.1 石材幕墻熱橋節(jié)點建筑模型的搭建

干掛石材幕墻一般是由埋板、鐵質(zhì)龍骨、連接件、掛件和石材組成。此次模擬選用石材幕墻尺寸為12000*9000，分格尺寸為600*1000。

在ANSYS 中建立石材幕墻熱橋模型，BIM 技術(shù)的應(yīng)用基于對信息化模型的深度利用，將模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，建立熱橋節(jié)點模型，其由外部環(huán)境溫度、石材、石材與墻體間中間層、貫穿式連接件、埋板、建筑物墻體以及室內(nèi)環(huán)境溫度幾方面組成。

干掛石材幕墻熱橋的模型可分為4 層，由內(nèi)到外分別是墻體、巖棉保溫層、空氣層、石材層。

石材幕墻邊界條件設(shè)定，如表5.1

表5.1

5.2 石材幕墻模型分析

本次模擬室外溫度為-5℃，室內(nèi)溫度為18℃，空氣層密閉，在該計算參數(shù)下，我們得到了以下的結(jié)果。

石材層的溫度分布為-4.475℃～-2.434℃，在熱橋部位的溫度比其他部位高，說明熱橋傳遞的熱量在石材層表面導(dǎo)出。并且熱橋部位的熱流強度很大，說明了石材層散熱明顯。空氣層在熱橋影響下，熱量損耗較大。巖棉層與墻體：墻體溫度以及熱流的分布于巖棉層類似，接近熱橋的部分溫度會偏低，熱流強度大。這種模擬的結(jié)果證明了石材幕墻熱橋會對墻體的保溫帶來不利的影響。

6 結(jié)論

隨著人們對于建筑能耗的關(guān)注，人們對于建筑的保溫性能看得越來越重，計算機技術(shù)的飛快發(fā)展，為設(shè)計師們帶來了諸多的模擬分析方法，基于BIM 技術(shù)的三維建筑模擬軟件的使用，提高了對于熱橋熱工性能分析的效率。本文通過對BIM 系統(tǒng)模擬熱橋傳遞問題的研究，通過分析以往的研究手段，采用了實地探究加上計算機軟件模擬的方法，印證了利用BIM 技術(shù)對外圍護結(jié)構(gòu)傳熱問題的解決的方法。