基于BIM模型的小高層辦公樓建筑節能應用研究

管昌生，張海華，華 虹，王曉明

（1.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學，湖北 武漢 430070）

1 引言

近來我國一年建成的房屋建筑面積，比所有發達國家一年建成的房屋建筑面積的總和還要多，既有城鄉建筑中99%為高耗能建筑，新建成的房屋95%以上還是高能耗建筑。由于空調的快速發展，夏季高峰用電問題愈益嚴重。根據清華大學建筑節能研究中心編的《中國建筑節能發展研究報告2011》，我國城鎮建筑冬季采暖是我國建筑能耗的最主要構成部分，也是我國建筑節能工作的重點[1]。

目前建筑節能的推廣還遠遠達不到發展的要求，大多數建筑都是參考已有的生態建筑設計的案例和技術手法，而沒有對它的方案和工程進行分析與計算，以檢驗設計的效果是否節能、是否經濟、是否綠色等。傳統的2D軟件，只能由專業人士通過手工輸入的方式將建筑設計的相關數據輸入到專業軟件中，才能進行能量分析。大量的專業數據、繁瑣的輸入工作使得能量分析與模擬對于建筑師來說是可望而不可及的。能效計算通常安排在設計的最終階段，由專業人士進行操作和分析、模擬，但此時建筑設計方案已經很難改變。隨著數字化、信息化和智能化技術的發展，以BIM技術為核心的多種建筑3DCAD軟件日趨完善和成熟，為綠色建筑設計中能量分析的自動化、智能化提供了基礎和平臺[2，3]。本文以武漢地區一棟典型辦公樓建筑為例，研究了該建筑基于BIM的建筑太陽能利用和空調系統能耗分析。

2 建筑節能研究的背景

隨著經濟的快速發展，能源消耗量與日劇增，全球能源短缺的狀況日益突顯，能源問題已經成為了關乎國家發展戰略的關鍵問題。與此同時，建筑耗能占總能耗的比例不斷增加，建筑節能成為了國家節約能源戰略的重要環節。由于不同建筑的建筑設計方案在能耗方面會有巨大的差別，因此需要在建筑方案階段就對建筑進行能耗模擬，判斷建筑是否滿足節能要求。然而，傳統的能耗分析軟件對建筑進行節能分析并不是容易的事情：傳統能耗分析軟件需要大量的專業數據，輸入繁瑣，專業性強，建筑師很難花大量精力研究能耗模擬軟件并完成每種方案的能耗分析工作。另一方面，在傳統的設計方法中，建筑專業和設備專業是脫節的，設備工程師需要在輸入建筑數據后使用能耗分析軟件進行能耗分析，而分析結果并不能直接反映到建筑模型中，導致能耗分析通常安排在設計的最終階段，不能起到及時為建筑師提供方案設計依據的作用。

隨著數字化、信息化和智能化技術的發展，以BIM技術為核心的多種建筑3D軟件日趨完善和成熟。邱相武等人研究了基于BIM的建筑節能設計軟件開發[4]，曾旭東等對BIM技術在建筑節能中的應用研究[5]，為建筑節能設計的自動化、智能化提供了基礎和平臺，使方案設計階段的建筑節能更快捷方便，準確。

由于建筑朝向、圍護結構性能、自然通風狀況、建筑體形系數、窗墻面積比等都是影響建筑能耗的重要因素。而基于BIM技術的建筑節能設計可以通過建筑師的建筑信息模型來獲取建筑朝向，構件幾何尺寸、建筑材料、功能分區等建筑信息，因此可以用來進行建筑節能分析計算，使建筑全年能耗滿足規定性指標或性能化指標要求。如果建筑不滿足節能標準，可以將對模型的修改建議反饋給建筑師，而建筑師根據反饋意見修改建筑模型，如此反復，直到建筑滿足節能標準要求為止。因此基于BIM技術的建筑節能還可以解決建筑設計和節能設計過程中數據轉換的問題，提高工作效率；對建筑的太陽能利用、舒適度和空調系統的能耗進行分析，為建筑的規劃設計節能設計提供可靠的科學依據。

3 BIM技術節能應用研究

3.1 工程背景

本文是以位于武漢地區的一棟10層的典型辦公樓為背景，總建筑面積12260m2，屋面高度為39.6m，主體結構形式為鋼筋混凝土框架結構。通過建立該辦公樓的BIM模型，并將其導入到綠色節能分析軟件進行模擬分析，研究了該辦公樓的太陽能被動利用，以及其空調系統的能耗情況。

3.2 BIM 建模

依據該樓的建筑圖紙建立BIM信息模型，為了進行綠色設計與節能分析的研究，所建立的BIM模型具有該樓的所有真實信息，不僅包括幾何形狀描述的視覺信息（材質、構造、尺寸等），還包含大量的非幾何信息如材料的強度、性能、傳熱系數、構件的造價、采購信息等，如圖1所示。

3.3 Revit與Ecotect模型間的數據交換

作為BIM的應用軟件，Ecotect除了能夠對建筑物的熱環境、光環境、聲環境、風環境、日照、經濟性及環境影響等進行模擬；在方案設計階段，在各種數據尚未確定之前，可以利用簡單的塊體對建筑物的多種性能進行大致的預測，對不同樣式的建筑進行對比分析，為建筑師設計提供依據，還集成了氣候分析和轉換軟件Weather Tool，為建筑師被動設計提供可行性信息。

利用Ecotect Analysis對該項目進行建筑節能分析，需要把Revit Architecture建立好的模型導入Ecotect Analysis中。在將建立好的BIM模型導入到Ecotect軟件之前，需要對BIM模型進行相應的處理：

（1）關閉導出的三維視圖中與分析無關的房間、面積和地形等的可見性，這樣可以減少導入到其他應用程序的對象數目和數據量，減少數據丟失。

（2）可以利用剖面框導出模型中的某個特定部分進行分析。

將Revit Architecture建立好的模型分別以DXF格式和gbxml格式導出。由于gbxml格式的文件是以空間為基礎的模型，所以它適合于光環境分析、聲環境、資源消耗與環境影響分析等。而DXF格式的文件是詳細的建筑3D模型，建筑構件都是具有厚度的，因此可以用于熱環境分析、陰影遮擋分析、可視度分析等。在該項目中在被動設計分析時采用的是gbxml格式文件，而在熱環境和能耗分析時采用的是DXF文件[6]，如圖2、圖3所示。

4 建筑節能設計的Ecotect分析

4.1 建筑節能設計內容

建筑節能設計的目的是根據國家現行建筑節能設計標準和要求判斷建筑設計和圍護結構做法是否滿足節能標準要求。目前國內外建筑節能設計方法可分為兩種：規定性指標設計和性能化指標設計。在規定性指標設計方法中只需使建筑體形系數、窗墻面積比、建筑朝向、圍護結構傳熱系數、遮陽系數和設備照明均滿足節能標準相應的指標要求，則可滿足建筑節能標準要求。這種設計方法的優點是不必進行復雜的計算分析，可節省大量的時間和精力。性能化指標設計方法在設計時允許部分指標（如體形系數、窗墻面積比、部分圍護結構熱工指標）超出標準強制性規定的限值，但需要保證設計方案的節能綜合指標小于標準規定的限值或參照建筑的節能綜合指標。

圖2 Ecotect分析模型

圖3 Ecotect可視化模型

作為建筑節能的一項重要內容，被動式太陽能建筑主要通過建筑物的布置、內外造型、構造及材料選擇有效地采集、儲存和分配太陽能，使建筑物具有溫暖、明亮的環境。被動式太陽能建筑與一般建筑沒有絕對界限，只是利用太陽能的多少、節約效益存在高低而已[7]。由于Ecotect Analysis集成了氣候分析和轉換的軟件工具Weather Tool，因此該項目的被動太陽能設計研究主要進行了該建筑的太陽輻射分析、焓濕圖策略分析、建筑的遮擋投影分析以及熱環境分析。

4.2 太陽輻射分析

太陽輻射分析主要是根據武漢地區的氣候條件，以及其經緯度對建筑的各個朝向立面的某一段時間的太陽輻射進行分析對比，根據全年過熱期得到的太陽輻射較少而過冷期內太陽的輻射量較多來權衡折中確定建筑的最佳朝向，達到舒適、節能的效果。

圖4、圖5所示分別為建筑的太陽輻射分析和最佳朝向分析。圖4中淺色和深色區域分別為過冷和過熱區域，淺色線表示平均曝射量。圖4中淺色箭頭和深色箭頭分別表示最佳朝向和最差朝向，圖中標出了最佳朝向165°，最差朝向75°。同時還顯示了全年平均輻射量最多的朝向（110°），過冷期輻射量最多的朝向（162.5°），過熱期內輻射最多的朝向（85°），以及各個朝向的曝射量。

圖4 太陽輻射分析

圖5 最佳朝向分析

4.3 焓濕圖策略分析

通過提供的氣候數據進行焓濕圖策略分析可以減少建筑對周圍的影響，減少空調能耗等，該項目主要是根據建筑所處武漢地區的環境的空氣濕度溫度、流速等來確定一個相對舒適的區域，為建筑的被動設計策略提供依據。

太陽能采暖，太陽能利用是建筑被動設計的一個主要方面。主要是針對某一地區過冷時對太陽能的利用的被動設計。通過設置人的活動量、窗墻的比例，以及太陽能采暖效率，根據氣候數據對模型進行分析。我們通常通過改變窗墻比例和采暖效率來進行被動設計。如圖6和圖7分別為人體活動量為靜坐時，窗墻比例分別為20%和40%的被動太陽能采暖分析。由圖6、7可得，當將窗墻比例提高到40%時，3～5月間的室內熱舒適度都有很大提高。

自然通風，通過設置人的活動量和不同用途的建筑物的空氣流動速度，根據氣候數據對模型進行分析。通過改變不同時間空氣的流動速度，達到通風設計的目的。如圖8、圖9所示，當室內風速由1m／s增大至2m／s的效果。

除了對單獨的某種策略進行分析之外，還可以對這些策略進行組合，以找到最佳的節能、舒適的組合方案。如圖10所示，被動太陽能采暖在4月份和10月份的效果最好。圖11中淺色和深色分別表示被動設計前后的舒適度，由此可以看出被動設計可以提高建筑舒適度3～5倍，效果顯著。

圖6 20%窗墻比的被動式太陽能采暖效果

圖7 40%窗墻比的被動式太陽能采暖效果

圖8 1m／s風速時通風的效果

圖9 2m／s風速時通風的效果

4.4 建筑的遮擋投影分析

在當今社會，各種高樓大廈林立。由于建筑布局不當，四周的建筑相互遮擋，使得某些朝向選擇較好的建筑不能獲得較好的日照，采光較差。

圖10 被動式設計的逐月效果

圖11 各種被動策略總的效果

但是日照比不是越多越好，過量的日照，容易使建筑在夏季過熱，對人的學習和生活造成不利影響。因此建筑遮擋分析是很必要的。Ecotect Analysis遮擋分析主要是根據太陽運行軌跡圖，相關的氣候條件，建筑周圍的環境，以三維模型的效果圖來直觀顯示建筑的遮擋及投影情況。該項目中用大小、形狀、高度等相近的塊體來表示小高層辦公樓周圍的建筑，并且與要研究的辦公樓之間的距離是相同的。通過模擬來確定辦公樓的遮擋及投影情況。

4.5 空調系統能耗分析

根據中國建筑節能發展研究報告，空調系統能耗占建筑能耗的40%，因此空調系統的能耗分析對于建筑節能是至關重要的。

本文在Ecotect Analysis進行熱環境分析時，為了分析結果的準確做了一些設置。

（1）模型的設置。在進行熱分析時模型空間必須是封閉的，相鄰空間材質設置不沖突，劃分不同的熱量區域。將BIM模型導入Ecotect中之后，要設置建筑的材料參數，并且將這些參數賦予給相應的部分。

（2）材質的設置。在對材質的熱系數設置幾乎與實際情況相同，除此之外有些物理參數如延遲時間由Ecomat計算得到。

（3）熱環境設置。室內熱環境條件的設置對Ecotect模擬結果將產生巨大影響。進行熱環境屬性設置主要包括系統類型、采暖、通風等。

（4）區域屬性設置。區域屬性包括區域中的系統類型、人數、設備及其運行的時間情況等，在同一建筑里面根據這些將其分成不同的區域。

如圖12所示，根據規范，按照普通辦公樓的人均占有面積、常規的在室率及不同房間電器的功率，對該棟建筑進行的空調系統能耗分析。

由圖12可以知道，該建筑中在1、2、11、12月的制冷所耗的能源最多，在7、8月份空調制冷時的耗電量較大，與實際情況相吻合。

圖12 空調系統能耗分析

5 結語

本文按照小高層辦公樓的建筑圖紙建立BIM模型，然后將建立的模型導入到節能分析軟件中，通過對該建筑的太陽輻射、建筑遮擋和建筑能耗等分析，研究了基于BIM的建筑節能的幾個方面，結果表明建筑的能耗與建筑的朝向、太陽輻射、窗墻比例、室內的人員及機器使用情況等有關，適當地控制這些因素對建筑節能有重要意義。但是由于BIM的軟件在國內引進時間不長，而且并沒有完全在建筑設計、建造以及管理的各個專業中使用，導致綠色建筑信息模型在這一系列環節中傳遞受阻，模型導入時可能會發生數據丟失，無法真正達到建筑全生命周期綠色的效果。很多國內的建筑規范標準沒有進入BIM模型的信息中，使BIM沒有完全發揮出它應有的能力。縱然基于BIM技術的綠色建筑還有這么多的問題，但是BIM技術和綠色建筑都一定是大勢所趨，二者的有機結合也一定會被建筑師很好運用到未來的實踐中去。

[1]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2011[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]Arno Schlueter，Frank Thesseling.Building information model based energy／exergy performance assessment in early design stages[M].Automation in Construction，2008，18（2）：153～163.

[3]Deke Smith，United States Building Information Model Standard[C].US：The 2nd Congress on Digital Collaboration in the Building Industry，2005，11.

[4]邱相武，趙志安，邱勇云.基于BIM的太陽能建筑設計初探[J].建筑科學，2012，6，28（6）：24～40.

[5]曾旭東，趙 昂.基于BIM技術的建筑節能設計應用研究[J].重慶大學學報，2006，28（2）：33～35.

[6]柏 慕.Autodesk Ecotect Analysis 2011綠色建筑分析實例詳解[M].北京：中國建筑工業出版社，2011，3.

[7]王 磊.西藏地區被動太陽能建筑采暖研究[D].成都：西南交通大學，2008，5.