基于BIM 技術(shù)的綠色建筑性能分析與優(yōu)化方法

袁 莊

綠色建筑性能分析作為建設(shè)過程中的重要工作之一，直接關(guān)系到整個綠色建筑的建設(shè)效果。綠色建筑規(guī)模較龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，如果只是利用傳統(tǒng)二維圖紙進行分析，不僅無法真正確定綠色建筑性能的具體情況，而且效率低，不利于綠色建筑工程的后續(xù)建設(shè)。因此，現(xiàn)代綠色建筑建設(shè)時，需要利用BIM 技術(shù)開展性能分析，通過觀察與分析建筑的三維模型，更加準確地判斷建筑性能，以促使綠色建筑方案不斷優(yōu)化。

1 工程概況

本文以某綠色建筑工程作研究。工程位于我國長沙市城南區(qū)，總占地面積約為24513 m2，建筑面積約742604 m2，分為地上與地下兩部分。其中地下面積約177553 m2，用于地下停車場、電氣設(shè)備貯藏間等；地上約565051 m2，含3 棟商業(yè)樓、1 棟獨立幼兒園和65 棟住宅樓如表1 所示。在基礎(chǔ)形式方面，用獨立基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)+水泥粉煤灰碎石（Cement Flyash Gravel，CFG）樁復合地基方案，提升建筑的穩(wěn)定性。建設(shè)時，為保證工程建設(shè)質(zhì)量與效率，擬采用BIM 軟件分析工程性能，并適當優(yōu)化建筑方案。

2 基于BIM 技術(shù)的建筑綠色性能數(shù)值模擬分析

2.1 建筑室外風場環(huán)境的數(shù)值模擬

2.1.1 建筑風場環(huán)境分析

綠色建筑性能分析包括很多方面，風場環(huán)境評估是其中較為關(guān)鍵的內(nèi)容之一。通過風場環(huán)境評估，可以準確了解建筑周邊風場的具體情況，判斷風場水平是否符合人們的生活需求，進而以此為基礎(chǔ)，從保溫隔熱性等角度出發(fā)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，以構(gòu)建出功能良好、舒適性更強的綠色建筑。建筑工程設(shè)計與建設(shè)時，根據(jù)現(xiàn)場氣候條件、地質(zhì)特點等因素，合理對風場環(huán)境進行設(shè)計，可促使建筑周邊空氣順暢流通，提升人員在建筑內(nèi)外部活動的舒適性[1]。因此，綠色建筑設(shè)計時，應以BIM 技術(shù)為依托，通過收集施工現(xiàn)場氣象條件數(shù)據(jù)，模擬并分析建筑的風環(huán)境。在BIM 軟件內(nèi)，利用自帶的外部接口，直接導入用于風環(huán)境分析的Ecotect 軟件。同時，以氣象數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Weather Tool 為主要工具，從當?shù)貧庀蟛块T氣候數(shù)據(jù)庫內(nèi)直接提取有關(guān)的氣候數(shù)據(jù)，從而為風場環(huán)境模擬與分析提供支持。

2.1.2 建筑風場環(huán)境分析結(jié)果

通過提取某工程所處地區(qū)的Weather Tool，能夠得到如表2 所示的氣候數(shù)據(jù)。由表2 可知，夏季工程所在地風速在3 m/s以內(nèi)，主要是西北風，風向頻率約為12.87%；過渡季節(jié)工程所在地風速在4 m/s 以內(nèi)，主要是西北風，風向頻率約為24.12%；冬季工程所在地風速在5 m/s 以內(nèi)，主要是北西北風，風向頻率約為24.85%。

表2 某工程所在地氣候數(shù)據(jù)

以流體動力學模擬軟件WinAir4為工具，模擬該項目的建筑風場環(huán)境，在模擬運算分析過程中，將風速設(shè)置成3.0 m/s。由模擬分析可知，距地面1.5 m 時，建筑周邊風速均小于1.5 m/s，均值約為1.0 m/s，風速并不是很大，滿足人們的舒適性要求。

利用上述所示模型分析迎風側(cè)的風壓值，從而得到迎風側(cè)風壓BIM 模型。其中，大于0 為正風壓，小于0為負風壓。由迎風側(cè)風壓BIM 模型可知，處于最不利情況時，大多數(shù)建筑的風壓為-2 ～-1 kPa，占比約為80%，-1 ～2 kPa 的風壓占比約為20%，正負風壓均不是很大，在相關(guān)規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2 建筑室外光照環(huán)境的數(shù)值模擬

綠色建筑設(shè)計時，還應模擬室外光照環(huán)境，以保證室外光線合理照射到室內(nèi)，既要確保室內(nèi)光線充足，又要避免光照過強影響人們的生活與工作[2]。光照環(huán)境模擬過程中，采用Radiance 和Ecotect 軟件。運算過程中，需要根據(jù)工程具體情況，分別設(shè)置各種計算參數(shù)，如表3 所示。另外，室外自然光設(shè)計照度值為13500 lx，光氣候系數(shù)為1.1，地下空間平均采光系數(shù)不小于0.5。

表3 光照環(huán)境參數(shù)設(shè)置表

以表3 為依據(jù)，選擇SY3 商業(yè)樓為具體分析對象，利用Radiance 和Ecotect 軟件對光照環(huán)境進行模擬分析，從而得到相應結(jié)果。由分析結(jié)果可知，該區(qū)域的采光系數(shù)（Daylight Factor，DF）均值約為3.58%。其中建筑一層整體采光性能良好，商鋪與大廳都符合Ⅲ級采光標準；在其他樓層，由于辦公室有墻體阻隔，加之空間較大，采光效果并不是很好，而其他區(qū)域則具有良好的采光效果，基本符合Ⅲ級采光標準[3]。

3 基于BIM 技術(shù)的綠色建筑性能方案優(yōu)化

3.1 方案設(shè)計

在建筑性能分析的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化設(shè)計方案，以提升建筑的綠色環(huán)保性，使建筑工程在實際中可以體現(xiàn)出更高的環(huán)保價值[4]。為此，本文選擇窗墻比為主要指標，對不同窗墻比時的建筑能耗水平進行模擬分析。針對模擬分析要求，共設(shè)計了5 種窗墻比方案，分別為0.20、0.25、0.30、0.40與0.50。

3.2 結(jié)果分析

通過對5 種方案的模擬分析，可以得到如表4 所示結(jié)果。由表4 可知：第1，隨著建筑窗墻比的提高，建筑內(nèi)部所需的熱量逐漸增加，因此采暖與熱水的能耗量逐漸提升。窗墻比為0.2 時，能耗量僅有154.27 kW·h，而0.50 時能耗量則提升至172.36kW·h，提升率將近12%。第2，窗墻比提高后，空調(diào)系統(tǒng)制冷的能耗量也在逐漸增加。窗墻比為0.2 時，能耗量為1683.66 kW·h，而0.50 時能耗量則提升至1824.06 kW·h，提升率約為8.34%。第3，窗墻比提高后，通風的能耗量顯著提升。窗墻比為0.2 時，能耗量約為1747.89 kW·h，而0.50 時能耗量則提升至1802.16 kW·h，提升率約為3.10%。第4，而在照明能耗方面，則呈逐漸下降的趨勢。窗墻比為0.2時，能耗量為686.66 kW·h，0.50 時能耗量下降至576.95 kW·h，下降率將近16.0%。第5，在辦公設(shè)備能耗方面，各種窗墻比條件下無變化，均保持在712.00 kW·h。從整體角度來說，單位面積能耗量與窗墻比呈正相關(guān)關(guān)系，窗墻比越大，建筑能耗量越高。但需要注意的是，若建筑窗墻比過大，可能影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。由此可知，實際工程中將窗墻比設(shè)置成0.30為最佳。

表4 不同窗墻比條件下建筑能耗水平

3.3 BIM分析與傳統(tǒng)分析方式的對比

相對于傳統(tǒng)綠色建筑分析方法，BIM 分析法具有諸多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下2 個方面：

一方面，分析結(jié)果更加精確。傳統(tǒng)方法對綠色建筑進行分析時，需要由工作人員將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入分析軟件，不僅效率低，而且如果人員錄入信息不準確，還會導致分析結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，不利于綠色建筑的分析與后續(xù)建設(shè)。采用BIM 分析法后，可自動將綠色建筑信息導入BIM 分析軟件，由軟件自動分析，避免因人員錄入錯誤而影響分析結(jié)果的準確性。另一方面，成果可視化。傳統(tǒng)分析方法得到的成果以二維圖紙為主，直觀性差，不利于工作人員的觀察與了解。而BIM 可繪制全面的三維模型，使得分析成果更加直觀，相關(guān)工作人員通過三維模型的觀察即可準確了解綠色建筑的具體情況，為綠色建筑建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本文以BIM 技術(shù)為依托，對綠色建筑性能進行分析，并提出相應的優(yōu)化方案。通過分析可知，某工程原設(shè)計方案良好，風環(huán)境與光環(huán)境均符合要求。為了進一步提升建筑的節(jié)能性，應將建筑窗墻比設(shè)為0.3，確保建筑結(jié)構(gòu)具有較強穩(wěn)定性的同時，降低建筑能耗。