基于BIM模型的公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估仿真

王 蒙,姚彥娜*,張玉芝

(1. 河北工程技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050091;2. 石家莊鐵道大學(xué)安全工程與應(yīng)急管理學(xué)院,河北 石家莊 050043)

1 引言

目前,我國(guó)每年約新增16～20億平方米的建筑物,是世界上發(fā)達(dá)國(guó)家每年新增建筑物面積的總和,而單位面積內(nèi)能源的消耗速度卻是發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍,施工過(guò)程中,能源的利用效率也僅是發(fā)達(dá)國(guó)家的35%左右。從這些數(shù)據(jù)中不難看出,我國(guó)建筑行業(yè)節(jié)能空間是非常巨大的。近幾年,我國(guó)逐漸開(kāi)始研究各種節(jié)能技術(shù)和新型節(jié)能材料[1],同時(shí)也提出了若干條建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但是,這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范僅是給出了一些指標(biāo),內(nèi)容很是廣泛,對(duì)施工過(guò)程中的各類(lèi)材料沒(méi)有明確指出具體的節(jié)能要求,缺少一套綜合性、全方面的評(píng)估方法。

因此,本文提出基于BIM模型的公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估方法。首先,建立公共建筑全壽命節(jié)能綜合評(píng)估指標(biāo),從不同方面分析建筑物的節(jié)能效果;然后,構(gòu)建BIM-FCE節(jié)能評(píng)估模型,計(jì)算得到每個(gè)等級(jí)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[2]和綜合評(píng)分,對(duì)建筑物節(jié)能等級(jí)進(jìn)行具體劃分;最后在仿真實(shí)例分析中,選取某市4組公共建筑,利用本文方法進(jìn)行節(jié)能等級(jí)評(píng)價(jià),取得了精準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果。

2 公共建筑全壽命節(jié)能綜合評(píng)估指標(biāo)

建筑體系中的各類(lèi)建筑產(chǎn)品具有單一性、復(fù)雜性和區(qū)域性特點(diǎn),使其評(píng)價(jià)指標(biāo)總體呈現(xiàn)多種層次。本文利用全壽命周期的理念,來(lái)分析建筑節(jié)能的影響因子:如建筑設(shè)計(jì)施工、建筑設(shè)備類(lèi)型、建筑工地的管理、建筑運(yùn)行管理以及建筑物的舒適性等,根據(jù)這些因子的影響程度大小賦予不同的權(quán)重值,以此實(shí)現(xiàn)建筑能耗多級(jí)綜合評(píng)估體系的構(gòu)建,如表1所示。在該評(píng)估體系中,共包含3級(jí)評(píng)價(jià)、6個(gè)等級(jí)和55個(gè)評(píng)估指標(biāo),從定性和定量?jī)煞矫孢M(jìn)行全方位評(píng)估。

表1 公共建筑全壽命節(jié)能綜合評(píng)估體系

3 基于BIM模型的公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估

3.1 BIM模型在公共建筑節(jié)能評(píng)估中的應(yīng)用

從公共建筑全壽命節(jié)能綜合評(píng)估體系中可以看出,在對(duì)公共建筑進(jìn)行節(jié)能評(píng)估時(shí),所面對(duì)的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類(lèi)型繁多以及來(lái)源廣泛,而文本使用的BIM(BuildingInformationModeling,建筑信息模型)作為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù),可存儲(chǔ)和管理大量的建筑信息數(shù)據(jù),并將信息的屬性完全轉(zhuǎn)換為數(shù)字化,便于后續(xù)分析和計(jì)算。不僅如此,BIM模型還可在一定程度上保證數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息的統(tǒng)一性和可計(jì)算性[3],降低“信息孤島”出現(xiàn)的概率,不管是在空間維度還是時(shí)間維度上,都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)之間的無(wú)縫銜接。

從空間維度角度來(lái)說(shuō),BIM模型具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)共享能力,在多個(gè)模型或者多個(gè)設(shè)備之間均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,起到了提供數(shù)據(jù)支持的作用;從時(shí)間維度角度來(lái)說(shuō),BIM模型在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,獲取公共建筑全壽命節(jié)能信息,對(duì)其進(jìn)行分析和整理,實(shí)現(xiàn)了單個(gè)平臺(tái)難以完成的多工種協(xié)調(diào)[4]和數(shù)據(jù)分析,為建筑節(jié)能評(píng)估提供了基礎(chǔ)保證。

3.2 公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估模型

在復(fù)雜的評(píng)估體系中,需要考慮的因素較多,而且單個(gè)因素之間的層次關(guān)系不盡相同[5]。同時(shí),評(píng)估體系還有明顯的模糊現(xiàn)象,想要利用單級(jí)模糊綜合評(píng)判模型計(jì)算出高精度的評(píng)估結(jié)果是很難實(shí)現(xiàn)的。因此,本文按照屬性的不同將評(píng)判因素[6]進(jìn)行類(lèi)別劃分,先對(duì)其中的一類(lèi)進(jìn)行評(píng)判,最后將所有的評(píng)判結(jié)果再進(jìn)行高層次的評(píng)判,通過(guò)多級(jí)模糊綜合評(píng)判的方式得出精度較高的評(píng)估結(jié)果。

3.2.1 建立多級(jí)評(píng)價(jià)因子集

建立多級(jí)評(píng)價(jià)因子集U

U={U1,U2,…,UN}

(1)

(2)

3.2.2 確定評(píng)判集

評(píng)判集用V={V1,V2,…,Vm}來(lái)表示,其中,Vq=(q=1,2,…,m)與每一級(jí)的實(shí)際數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng),本文取值m=5,每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)模糊子集[7-9]。五個(gè)等級(jí)的評(píng)判結(jié)果依次為“優(yōu)秀”、“很好”、“一般”、“良”、“差”,為每一個(gè)等級(jí)分別賦值100、80、60、40、20,那么得到評(píng)判集為V={V1,V2,V3,V4,V5}={優(yōu)秀,很好,一般,良,差}

={100,80,60,40,20}。

3.2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

(3)

式中,r表示隸屬度系數(shù)。

(4)

式中,rij表示wi對(duì)vj的隸屬度。

3.2.4 計(jì)算評(píng)價(jià)因素權(quán)重

3.2.5 合成模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

將權(quán)向量矩陣T與模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行結(jié)合,得到如式(5)所示的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B

=(b1,b2,…,bm)=B

(5)

式(5)中的“·”代表的是算子。

3.2.6 作出決策

將B與評(píng)判集V相結(jié)合,計(jì)算得到各個(gè)等級(jí)的綜合評(píng)分為

Z=BVP

(6)

式中,P表示評(píng)分系數(shù)。

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際應(yīng)用中是否同樣合理有效,以某市為例,進(jìn)行分析驗(yàn)證。選取該市20世紀(jì)80年代、90年代、2007年以及2012年4組公共建筑為研究對(duì)象,4組建筑分別用一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)來(lái)表示,引入本文構(gòu)建的BIM-FCE節(jié)能評(píng)估模型。在評(píng)估過(guò)程中,本文主要對(duì)四號(hào)建筑進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和說(shuō)明,其它3組建筑僅給出最終評(píng)估結(jié)果。四號(hào)建筑的總規(guī)劃用地面積為4.20萬(wàn)m2,地勢(shì)總體呈南低北高的走勢(shì),公共建筑物的占地面積為15.67萬(wàn)m2,高度為32.55m,建筑物密度為68%,容積率為2.3。四號(hào)公共建筑共有8層,地上6層、地下2層,地上占地面積9.57萬(wàn)m2,地下占地面積6.1萬(wàn)m2。

4.1 單因子模糊評(píng)價(jià)

根據(jù)多級(jí)評(píng)價(jià)因子集,單因子經(jīng)過(guò)歸一化處理后,得到公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估結(jié)果如表2所示。其中,節(jié)能因子U1的評(píng)價(jià)矩陣R1為

表2 公共建筑全壽命節(jié)能評(píng)估結(jié)果

(7)

4.2 二級(jí)模糊評(píng)價(jià)

U1的二級(jí)模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為T(mén)1=(0.055 0.055 0.004 0.886),即可得到四號(hào)公共建筑U1因子的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

B1=T1·R1=(0.662 0.240 0.096 0.001 0.000)

(8)

同時(shí),得到U2、U3、U4、U5、U6的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分別為

B2=(0.6620.741 0.125 0.024 0.048 0.061)

B3=(0.688 0.209 0.103 0.000 0.000)

B4=(0.605 0.274 0.108 0.013 0.000)

B5=(0.612 0.358 0.027 0.001 0.002)

B6=(0.571 0.168 0.168 0.093 0.000)

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行整合,構(gòu)成四號(hào)公共建筑全壽命節(jié)能綜合評(píng)價(jià)矩陣

R=(B1,B2,B3,B4,B5,B6)P

(10)

計(jì)算各個(gè)等級(jí)的綜合評(píng)分,得到的結(jié)果分別為:Z1=90.267、Z2=88.737、Z3=91.694、Z4=89.423、Z5=84.291、Z6=90.242。

4.3 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

U1的一級(jí)模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)為T(mén)=(0.250,0.110,0.280,0.180,0.180),即總的節(jié)能因子模糊評(píng)價(jià)結(jié)果為

(11)

綜合評(píng)分為Z四=BVP=90.242,即可判定四號(hào)公共建筑的全壽命節(jié)能等級(jí)為“優(yōu)秀”。

按照上述分析思路,得到一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)公共建筑的綜合評(píng)分分別為74.800,65.400和82.895,評(píng)估等級(jí)分別為一般、良和很好。

將本文方法的評(píng)估結(jié)果與領(lǐng)域?qū)＜以u(píng)估的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,均為一致。這是由于一號(hào)建筑物的施工時(shí)間較早,節(jié)能材料和節(jié)能技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)還不成熟,但是耗能的設(shè)備也要少很多;二號(hào)建筑物施工時(shí)耗能設(shè)備要多一些,但是節(jié)能技術(shù)還是跟不上,導(dǎo)致節(jié)能評(píng)估等級(jí)較低;三號(hào)建筑物施工時(shí)雖然耗能設(shè)備要更多一些,但同時(shí)節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料也有了新的發(fā)展,所以節(jié)能評(píng)估等級(jí)較高;四號(hào)建筑物施工時(shí)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟,節(jié)能材料也很先進(jìn),對(duì)于能源利用效率有所提升,節(jié)能評(píng)估等級(jí)最高,為“優(yōu)秀”。

5 結(jié)論

公共建筑物節(jié)能是一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的工作,不應(yīng)只局限于某一指標(biāo)或者某一時(shí)期,在施工到建成這段期間,都要進(jìn)行嚴(yán)格的把控。在施工之前,不僅需要完善的設(shè)計(jì)方案、建立節(jié)能管理相關(guān)制度,而且在施工過(guò)程中,也要多使用一些新型節(jié)能材料和相關(guān)節(jié)能手段,提高各種能源的利用效率。本文將BIM模型與模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合起來(lái),構(gòu)建BIM--FCE節(jié)能評(píng)估模型,全面、客觀地評(píng)估公共建筑全壽命節(jié)能水平,劃分不同的等級(jí),制定相應(yīng)的節(jié)能方案,為我國(guó)節(jié)約能源、避免陷入能源危機(jī),提供了一種可靠的參考方案。