基于BIM的綠色建筑性能分析及優(yōu)化設計研究

王宏亮 陳振坤

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430058）

綠色建筑在設計、建造、使用和維護的整個生命周期中可以最大限度減少對環(huán)境的負面影響，同時提高建筑的資源利用效率和室內環(huán)境舒適性[1]。然而，在實踐中，綠色建筑的設計與優(yōu)化過程面臨諸多挑戰(zhàn)，如復雜性、多目標性和跨學科性。針對上述問題，本文基于BIM技術，對綠色建筑性能分析及優(yōu)化設計方法進行了研究。BIM技術不僅能夠實現建筑的三維可視化，還能整合各類建筑信息和性能數據，實現多學科的協同設計與優(yōu)化，為綠色建筑的性能分析和優(yōu)化設計提供全新的途徑和手段。

1 綠色建筑設計指標分析

綠色建筑作為可持續(xù)發(fā)展的重要方向，其設計過程中需考慮一系列的指標，確保建筑在各方面都具有優(yōu)良的性能和環(huán)境友好性。綠色建筑設計指標主要包括建筑的規(guī)劃與布局、節(jié)能模擬與設計、遮陽與輻射分析、自然通風、室外綠化環(huán)境以及聲環(huán)境等方面[2]。在實際設計過程中，應綜合考慮各項指標之間的相互影響，尋找最佳平衡點，實現綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展目標。

1.1 建筑規(guī)劃與布局

合理的規(guī)劃與布局可以最大限度優(yōu)化建筑的能源利用和資源分配。通過BIM技術在建筑模型中創(chuàng)建建筑的三維可視化模型，包括建筑的幾何形狀、結構和空間布局等信息，可以直觀地了解建筑的整體布局和空間組織，根據建筑的功能區(qū)域、空間布局及建筑朝向和形狀，對建筑規(guī)劃與布局進行多方案比較分析，發(fā)現設計上的問題和不足之處，選出最優(yōu)的規(guī)劃方案，實現不同功能區(qū)域的協調和互動，提高室內空間的舒適性，充分利用自然光和熱量?？紤]建筑與周圍環(huán)境的關系，營造良好的景觀和綠色空間，促進生態(tài)平衡。

1.2 節(jié)能模擬與設計

在節(jié)能模擬方面，BIM 技術可以模擬建筑的熱傳導、熱輻射、通風效果等，評估建筑的熱負荷和能耗。通過模擬不同能源系統(tǒng)的運行效果，可以比較不同設計方案的節(jié)能效果，并提出相應的節(jié)能設計策略。這些策略可以包括使用高效的建筑外墻材料和窗戶，采用太陽能光伏板和太陽能熱水器等可再生能源技術，優(yōu)化建筑的空調系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等。同時，要注意節(jié)能設計與建筑其他性能指標之間的平衡，避免單一追求節(jié)能而影響其他方面的性能。

1.3 遮陽與輻射分析

在建筑設計過程中，需要考慮建筑的遮陽效果，減少建筑受到太陽輻射的影響，降低室內溫度?？梢酝ㄟ^合理設置建筑的遮陽設施，如百葉窗、遮陽板等來實現。通過對BIM 建筑模型進行遮陽分析，可以模擬不同時段和季節(jié)下建筑受到的太陽輻射，同時結合建筑材料的熱學特性，預測建筑受熱和散熱情況，模擬建筑模型中的熱傳導和輻射過程，評估建筑的熱負荷和能耗。圖1 和圖2 分別為建筑室內采光分析和建筑的遮陽模擬情況。

圖1 建筑室內采光模擬

圖2 建筑太陽遮擋模擬

1.4 自然通風

在BIM 模型中添加自然通風的屬性，包括建筑的通風口和風口位置、大小和數量等，通過模擬建筑模型中的氣流，預測不同通風設置下的室內氣流速度、溫度分布和濕度變化[3]。在BIM模型中，自然通風屬性與建筑的其他性能指標，如熱力學、遮陽分析等相互關聯，例如，在考慮自然通風的同時，還可以結合建筑的熱負荷進行綜合分析，找到最佳的通風方案，以保持室內溫度的舒適性。在施工過程中，預測施工對通風口和風口的影響，并采取措施進行調整和保護。在運維階段，實時監(jiān)測建筑的通風效果，及時發(fā)現并解決通風問題。

1.5 室外綠化環(huán)境分析

采用BIM 技術在建筑模型中集成綠化環(huán)境的信息，包括樹木、植物、景觀元素等。通過引入植被的生長模型和氣候數據，預測綠化環(huán)境在不同季節(jié)和氣候條件下的效果，結合建筑的遮陽分析和綠化效果，對綠化環(huán)境進行模擬和優(yōu)化，優(yōu)化綠化布局，減少城市熱島效應，改善室外熱環(huán)境，確保綠化布局的合理性和生態(tài)效益。在施工過程中，可以預測建筑施工對綠化環(huán)境的影響，并采取措施進行保護和恢復。在運維階段，可以實時監(jiān)測綠化環(huán)境的狀況，及時發(fā)現并解決植物生長和養(yǎng)護等問題。

1.6 建筑聲環(huán)境分析

通過在BIM 模型中引入聲學屬性，如材料的吸聲系數、傳聲系數等，并與其他工程屬性如熱力學、照明等相互關聯，形成全面的綜合分析，在設計階段預測和評估在不同條件下建筑的聲環(huán)境。例如，在考慮建筑的室內聲環(huán)境時，結合熱力學分析，避免空調系統(tǒng)噪音對室內環(huán)境的影響。BIM 技術支持多種模擬和可視化工具，使得聲環(huán)境分析結果更加直觀和易于理解，通過BIM模型實時調整設計方案，對比不同方案的聲環(huán)境表現，從而找到最優(yōu)的設計方案。在施工過程中，可以預測建筑施工產生的噪音，并采取措施進行控制，以減少對周邊環(huán)境和居民的干擾。在運維階段，可以實時監(jiān)測建筑的聲環(huán)境，及時發(fā)現并解決潛在的噪音問題。

2 基于BIM技術的綠色建筑設計流程

基于BIM 技術的綠色建筑設計融合了信息建模、多學科協同和可視化仿真等技術手段[4]，其設計流程如圖3所示。

圖3 綠色建筑設計工作流程圖

2.1 BIM模型建立

在設計階段，需要建立BIM 建筑模型，BIM 模型不僅包括建筑的幾何形狀，還包括各個構件和系統(tǒng)的屬性信息，如材料特性、能源消耗數據、室內舒適性參數等。通過BIM模型，可以快速獲取建筑的相關信息，進行多學科協同設計。

2.2 邊界條件界定

在建筑環(huán)境性能分析過程中，需要確定邊界條件，即各項分析的輸入參數。邊界條件的確定需要綜合考慮建筑的位置、氣候條件、建筑功能等因素。BIM 技術可以快速修改模型的屬性信息，幫助團隊靈活調整邊界條件，進行多方案比較。

2.3 建筑環(huán)境性能分析

基于建立的BIM模型，對建筑環(huán)境性能進行分析，包括熱學模擬、日照分析、自然通風模擬、聲環(huán)境分析等，建立不同的設計方案，可以實時觀察建筑在不同條件下的性能變化，如溫度分布、光照強度等，對其進行模擬評估，發(fā)現問題，并提出優(yōu)化措施。

2.4 成果表達

在成果表達過程中，首先需要對綠色建筑環(huán)境模擬數據進行處理，得到建筑在不同條件下的性能指標，如能耗、采光質量、室內溫度等。然后將數據結果進行三維可視化處理，利用動態(tài)模擬方式展示綠色建筑性能的變化過程，觀察建筑在不同時間段和季節(jié)的性能變化，如夏季的能耗情況、冬季的室內溫度分布等。通過數據處理和三維可視化處理，可以更好地理解和評估建筑的性能表現，有助于優(yōu)化設計方案，使建筑更加符合綠色建筑的要求。成果表達的有效性將直接影響到綠色建筑設計的成功與否。

2.5 優(yōu)化設計

基于建筑環(huán)境性能分析的結果和邊界條件的界定，設計團隊可以進行優(yōu)化設計，包括調整建筑的形態(tài)、材料選擇、系統(tǒng)配置等。通過綜合考慮性能分析結果、可持續(xù)發(fā)展目標、業(yè)主需求和成本效益，優(yōu)化設計可以找到最優(yōu)的設計方案，實現建筑的高效、舒適和可持續(xù)發(fā)展目標。BIM技術在優(yōu)化設計中的應用，使得設計團隊可以更全面、高效地進行優(yōu)化設計，為綠色建筑的成功實現提供了有力的支持。

3 基于BIM技術的綠色建筑優(yōu)化設計方案

本文以某辦公建筑為例，該建筑總面積約50000m2，總高約55m，共計20 層，南北朝向，主立面朝南，窗戶采用玻璃幕墻，取暖采用地源熱泵系統(tǒng)。本次設計在滿足辦公需求的前提下，最大限度提高能源利用效率、降低碳排放、改善室內環(huán)境質量。

3.1 優(yōu)化方案確定

在綠色建筑設計過程中，冬季采暖能耗、自然通風和自然采光三項指標對建筑性能影響較大[5,6]，因此，本文主要從上述三項指標著手，采用BIM 技術對該辦公建筑進行優(yōu)化設計。

（1）采用高效節(jié)能的供暖系統(tǒng)，如地源熱泵系統(tǒng)或太陽能熱水系統(tǒng)，通過BIM技術進行模擬和分析，優(yōu)化供暖系統(tǒng)的布局和參數。采用BIM 模型分析建筑外墻、屋頂和地板的保溫性能，選擇合適的保溫材料和厚度，減少冬季能量的散失，降低采暖能耗。同時，結合建筑的朝向和形態(tài)，優(yōu)化窗戶和門的位置及尺寸，以提高建筑的日照收集效率，最大限度地利用太陽能進行被動采暖。

（2）通過BIM技術進行通風模擬分析，確定最佳的通風口位置和大小，考慮建筑周邊環(huán)境和風向，優(yōu)化通風口的開啟方式和角度，結合建筑的功能區(qū)域，區(qū)分不同區(qū)域的通風需求，采用可調節(jié)的通風系統(tǒng)，以實現不同區(qū)域的個性化通風控制和自然通風效果，提高室內空氣質量。

（3）通過BIM 模型，分析建筑的朝向和立面形態(tài)，確定最佳的窗戶布置和大小，以最大限度地利用自然光，減少人工照明的使用。采用高透光率的材料，如透明玻璃、光導板等，增加自然光的透過率，提高室內采光質量。結合建筑的功能和使用需求，確定不同區(qū)域的采光要求，采用可調節(jié)的遮陽設施，以滿足不同區(qū)域的采光需求。

通過BIM 技術的模擬和分析，可以得到建筑在冬季采暖能耗、自然通風和自然采光等方面的性能表現，并對優(yōu)化結果進行評估和比較，優(yōu)化設計指標計算結果見圖4。

圖4 優(yōu)化指標選取結果

3.2 優(yōu)化結果

采用BIM 模型進行模擬計算，得到不同窗墻比條件下的建筑能耗、自然采光和建筑室內通風的計算結果，如圖5所示。

圖5 建筑性能優(yōu)化結果

由圖5 可知，隨著窗墻比的增大，熱負荷指標逐漸減小，窗墻比為0.3 時，熱負荷指標為17.52W/m2，自然采光系數為5.34%，自然壓帕時數為6681，與窗墻比0.23 相比，建筑能耗降低了24.61%，自然光提高了20.78%，自然壓帕時數提高了11.74%。進一步分析可知，本次建筑能耗優(yōu)化設計結果低于當地居住建筑節(jié)能設計標準值19.6W/m2。表明本次基于BIM的綠色建筑優(yōu)化設計效果較好，優(yōu)化后的建筑性能在建筑能耗、自然采光和建筑室內通風方面取得了顯著改善。

4 結語

綜上所述，本文主要分析了基于BIM 技術的綠色建筑性能分析及優(yōu)化設計方法。首先，通過對綠色建筑設計指標的綜合分析，明確了影響建筑性能的關鍵要素，包括建筑的規(guī)劃與布局、節(jié)能模擬與設計、遮陽與輻射分析、自然通風、室外綠化環(huán)境以及聲環(huán)境等；其次，重點論述了BIM技術在綠色建筑設計中的應用，包括BIM模型的建立、邊界條件的界定、建筑環(huán)境性能分析、成果表達和優(yōu)化設計等步驟，以確保性能分析過程的科學性和高效性；最后，結合具體實例，選取采暖能耗、自然通風和自然采光作為評價指標，并進行對比分析，確定最佳優(yōu)化設計方案，驗證了BIM技術在綠色建筑性能優(yōu)化中的應用效果。