基于BIM技術的公共建筑三維節能仿真研究
——以永安高鐵站房為例

歐陽松，呂小彪

(湖北工業大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068)

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基于BIM技術的公共建筑三維節能仿真研究
——以永安高鐵站房為例

歐陽松，呂小彪

(湖北工業大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430068)

摘要：以永安高鐵站房為例，應用Revit工具建立了項目建筑三維BIM模型。基于BIM模型大數據集成的優勢，將模型輸出并導入到Ecotect等綠色建筑分析工具中進行了建筑節能三維仿真研究。通過考慮太陽輻射和最佳朝向、風環境模擬、光環境模擬等對該建筑物的能耗進行了節能仿真分析，探索了被動式建筑節能設計優化方法，并提出了綜合節能設計方案。

關鍵詞：BIM技術；節能仿真；公共建筑；節能設計

1工程概況

永安南站是新建南平至龍巖鐵路上的新建中間火車站，地處福建三明市永安市。站房形式為線側平式,站房建筑共2層,建筑面積9993.1 m2，建筑高度為21.35 m(建筑室外設計地面至其檐口與屋脊的平均高度)，建筑體積62573.89 m3，建筑外表面積17653.71 m2。站房主體結構為鋼筋混凝土框架結構體系，站房主體屋面為網架結構，辦公部分屋面為鋼筋混凝土結構(圖1)。

圖1　基于BIM技術的節能研究工作流程

建筑結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級為2級，抗震設防烈度6度，建筑耐火等級不低于2級，屋面防水等級為1級，主體屋面采用壓型鋁合金板復合保溫屋面。圍護墻體采用240厚M10水泥混合砂漿砌MU10燒結多孔頁巖磚。建筑外門窗氣密性能分級不低于4級，水密性能分級為3級，傳熱系數K≤2.6；自遮陽系數Sc≤0.24；門窗框料選用斷熱型鋁合金型材。

2基于BIM技術的建筑節能研究現狀與工作流程

2.1BIM技術概述

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)通過三維BIM模型將建筑、結構、給排水、電氣、暖通等各專業設計數據整合進同一個數字化模型，結構與設備、設備與管線間的空間關系可以三維仿真模擬，并進行各種方案比較、優化和設計數據協同更新和共享。最終通過三維BIM模型更新整合成最優化的綜合設計方案，這為優化建筑節能設計提供了革命性的技術手段。

2.2建筑節能研究現狀

當前，國內諸多建筑設計單位的建筑節能研究和節能設計還是圍繞著圍護結構的保溫設計來開展，建筑節能研究和節能設計通常安排在設計的最終階段。建筑節能設計變成了以提高暖通空調系統能源效率為主的設計，建筑設備和系統設計逐漸變成了建筑節能設計的主要內容[1]。這導致當前新建公共建筑的使用能耗增長過快，建筑節能設計亟需優化。

隨著BIM技術在建筑領域的迅速發展，基于BIM技術的建筑設計、建筑能耗模擬分析、舒適度模擬分析、節能設計應用研究成為建筑節能領域的研究熱點。Salman Azhar研究了BIM技術在可持續設計和美國LEED評估中的應用[2]。Eng.Parisa Esmaeili Moakher 研究了 BIM 技術在能耗分析中的應用[3]。曾旭東研究了將BIM應用于建筑節能設計的方法，并創造性的提出了將建筑設計與建筑環境分析相結合的設計方法[4]；邱相武和趙志安則研究了基于BIM技術的建筑節能設計軟件開發,在建筑設計前期階段就利用BIM技術對建筑的熱環境性能和建筑的體型和空間進行分析，提高建筑節能設計和節能分析的質量[5]。

2.3基于BIM技術的建筑節能研究工作流程

建筑節能研究旨在通過優化節能設計和管理，降低建筑使用生命周期的能源消耗。可以通過三維BIM模型獲取建筑空間布置、建筑朝向、建筑構件、建筑材料等信息，進行建筑三維仿真模擬和節能設計，使建筑能耗滿足節能優化指標。若不滿足要求，可根據節能分析計算結果優化建筑設計方案。如此反復，直至獲得最優的建筑節能設計。整個節能分析過程可以由建筑師獨立完成，也可由建筑師和暖通工程師合作完成。由此解決建筑設計和節能設計被割裂、數據丟失等問題，提高工作效率。基于三維BIM模型的節能研究基本工作流程如圖1所示。

3工程案例BIM模型的建立與數據導入

3.1構建項目建筑三維BIM模型

根據站房建筑方案設計信息建立BIM信息模型。為了滿足相關節能設計的分析，信息模型應包括建筑構件和管線綜合系統等基本元素的幾何數據、物理特性、施工要求等相關信息。根據建筑設計數據和建筑構造特征使用Revit工具建立站房三維BIM信息模型，如圖2所示。

圖2　永安南站BIM模型

3.2BIM模型數據導入

將站房三維BIM模型導入Ecotect中創立節能分析模型，導入后三維模型和分析模型分別如圖3和圖4所示。在此之前需要對模型進行簡單的處理：關閉與將要分析房間無關的房間、地形、空間體積及面積等數據，相關房間分析需要時，再重新開啟。這樣簡化的目的是減少冗余數據，增加節能計算的準確度。而對BIM模型使用Flow Design工具進行風環境的模擬分析，則直接在Revit中運行，無需另外導出并轉換格式。

將BIM模型導入Ecotect中可以有兩種格式：GBXML和DXF。GBXML格式適用于對光、聲等物理環境的分析，而DXF格式則適用于熱環境分析和可視化分析等。

圖3　BIM模型導入Ecotect中的可視化模型

圖4　BIM模型導入Ecotect中的分析模型

4基于BIM技術的節能研究關鍵技術及實現

4.1太陽輻射分析和最佳朝向

太陽輻射分析主要是根據基地氣候條件、經緯度等對建筑某一段時間的太陽輻射進行對比分析。根據全年過熱期得到的太陽輻射量、過冷期得到的太陽輻射量、全年加權平均太陽輻射量等仿真結果來綜合分析研究，確定建筑的最佳朝向[7]。如圖5所示為永安地區最佳朝向仿真分析結果。圖中紅色箭頭和黃色箭頭分別表示項目建筑BIM模型中節能分析的最差朝向和最佳朝向，角度分別為80°和170°，全年平均輻射量最多的朝向為112.5°，全年輻射量過多的朝向為81.5°，全年輻射量過少的朝向為162.5°。

圖5　最佳朝向仿真分析

如圖6所示為逐月直射太陽輻射量分析。圖中紅色和藍色區域表示項目建筑BIM模型的節能分析中太陽輻射過強和過低的時段，較粗的黃色線條代表的是該方向上直射太陽輻射平均值。本基地緯度較低且建筑南立面使用了較多的玻璃幕墻，建筑BIM模型經Ecotect的初步仿真分析顯示候車廳有太陽輻射量過大的問題，因此在南立面建筑方案設計中適當修改，增加百葉和廊道設計，緩解南向太陽輻射過大的問題，同時兼顧立面外觀改善效果。

4.2風環境模擬分析

將項目建筑BIM模型導入到Flow Design工具中分別設置模擬分辨率(Simulation Resolution)、風速(Wind Speed)和顯示模式(Display Mode)等分析條件。如圖7所示為項目建筑夏季主導風向條件下建筑整體風環境仿真模擬。圖中紅色和黃色區域為風速最大和較大區域，青偏藍色為風速較小甚至為零區域。綜合上面的最佳朝向和太陽輻射分析結果，可以為建筑師選擇建筑最佳建筑能耗朝向和立面方案提供技術依據。

圖6　逐月太陽直射輻射量分析

圖7　項目建筑風環境仿真模擬

4.3建筑光環境分析

光是建筑環境的重要組成部分，良好的采光設計可以有效提高建筑的光環境舒適度，同時有利于減少照明能耗。使用Ecotect針對項目建筑BIM模型的自然光環境進行研究，給出采光系數、照度和亮度等一系列控制參數，仿真模擬上午9：00～17：00的建筑光環境，以30 min為間隔，應用BIM模型仿真數據對項目建筑自然光環境做綜合分析，優化設計建筑空間節能方案。日照與陰影仿真分析如圖8所示，采光與照明仿真分析如圖9所示。從仿真結果可以看出，候車廳的自然采光條件相對較差，可以適當加大南北向采光面積。對建筑空間設計進行修改后，BIM模型相應自動更新空間數據，重新利用BIM模型導入Ecotect仿真分析可以快速重新計算建筑光環境指標，如此反復，直到獲得理想節能效果的建筑空間設計方案。

4.4被動式節能優化分析

通過CSWD提供的當地氣象數據進行焓濕圖分析，對項目建筑被動式節能設計進行優化分析。被動式太陽能采暖關鍵取決于室外的溫度和太陽輻射量。溫度過低或輻射量太小，被動式太陽能采暖都不能夠實現。項目建筑首先仿真分析單一被動式太陽能采暖節能方案，通過設置人的活動量、太陽能采暖效率、建筑方案窗墻比，根據當地氣象數據對建筑BIM模型進行仿真分析。項目建筑設計有兩種方案，窗墻比設置分別為40 %和58 %，導入焓濕圖分析，分析結果如圖10和圖11所示。對比可知，窗墻比設置58 %的建筑設計方案，1～3月室內熱舒適度有明顯提高。

圖8　項目建筑陰影遮擋分析

圖9　項目建筑采光與照明分析

圖10　40 %窗墻比建筑方案焓濕圖分析

除了對建筑設計中某種被動式節能策略進行分析之外，還可進一步進行復合被動式節能策略的組合對比分析，以期得到最佳的能耗和熱舒適度的組合策略。如圖12為采用被動式太陽能采暖、自然通風及直接蒸發降溫3種復合策略后的項目建筑熱舒適仿真分析圖。圖中淺色和深色分別代表采用單一被動式節能策略和復合被動式節能設計策略前后的熱舒適度仿真數據。如圖12所示，采用復合被動式節能策略后，項目建筑室內熱舒適度有了很大提高。

圖11　58 %窗墻比建筑方案焓濕圖分析

5結語

通過對福建永安高鐵站房進行基于BIM技術的三維節能分析與優化，探索了基于BIM技術的建筑節能分析與優化的經驗和方法。在三維BIM模型的基礎上進行建筑能耗仿真分析與數據驗證，提高了分析的準確性和節能優化效率。由于三維BIM模型可視性強、數據提取迅速、模擬效果好，無論是用于節能仿真研究還是節能優化設計，較傳統節能設計模式具有革命性進步。在建筑BIM技術日益發展的今天，建筑節能分析與節能設計要從建筑方案設計階段就考慮優化節能設計，在整個建筑設計過程中要進行精細化的節能設計。

目前，針對BIM技術進行建筑節能分析和節能設計，實現建筑三維低碳設計與建造的方法和理論還處于起步和加速發展階段。BIM技術使得建筑能耗數據測量、建筑節能方案動態仿真模擬、節能減排數據與三維建筑空間信息整合成為可能。雖然目前國內建筑節能研究與BIM技術的結合方面仍處于起步和探索階段，隨著BIM技術和建筑節能設計的不斷發展，兩者的一體化設計必將為我國建筑節能設計的主要發展趨勢。

圖12多重復合被動式技術的組合對比分析

參考文獻：

[1]楊仕超.建筑節能必須回歸節能的本質[J].工程建設標準化，2015(9)：13～14.

[2]AZHAR S, CARLTON W A, OLSEN D.Irtishad Ahmad：Building Information Modeling for Sustainable Design and LEED Rating Analysis[J].Automation in Construction，2011(20)：217～224.

[3]MOAKHER P E, PIMPLIKAR S S. Building Information Modeling (BIM) and Sustainability-Using Design Technology in Energy Efficient Modeling [J].IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSRJMCE),2012(1):10～21.

[4]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(2).

[5]邱相武,趙志安,邱勇云.基于 BIM 技術的建筑節能設計軟件開發研究[J].建筑科學，2012(6).

[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.

[7]中國建筑科學研究院.公共建筑節能設計標準：GB50189-2005[S].北京：中國建筑工業出版社，2005.

Study on Three Dimensional Energy Saving Simulation of Public Buildings Based on BIM Technology——Taking Yongan High-speed Rail Stationas an Example

Ou yang Song，Lü Xiaobiao

(SchoolofCivilEngineering&Architecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Abstract:Taking Yongan high-speed rail station as an example, this paper built project of building 3D-BIM model using Revit tools.Based on the advantages of large data integration and association of BIM model, the BIM model has been put output and import to the Ecotect and other green building analysis tools for three-dimensional simulation of building energy efficiency.The energy consumption of the building was simulated and analyzed by considering the solar radiation and the best orientation, the wind environment simulation, the light environment simulation and so on. The passive building design optimization and comprehensive energy saving design alternative were explored based on the psychrometric chart analysis and thermal comfort analysis.

Key words:BIM; energy saving simulation; energy saving Analysis; energy-saving design

收稿日期：2016-03-08

基金項目：湖北省大學生創新訓練項目(編號：201510500025)

作者簡介：歐陽松(1993— )，男，湖北工業大學土木建筑學院建筑系大學生。

通訊作者：呂小彪(1979— )，男，講師，主要從事綠色建筑與建筑節能教學與研究工作。

中圖分類號：TU242

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0191-05