基于BIM技術在建筑節能設計中的應用研究

王昭仙，王健，高連柱，王校，張瑩，邵世軍

（1.中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100；2.安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；3.安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥 230601）

基于BIM技術在建筑節能設計中的應用研究

王昭仙1，王健2，3，高連柱1，王校1，張瑩1，邵世軍1

（1.中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100；2.安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；3.安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥 230601）

近年來隨著我國經濟快速發展，建筑物的數量與規模也在不斷增大，隨之帶來的環境污染問題與能源消耗問題引起了廣泛的關注。伴隨著計算機硬件技術的提高，工程軟件開發也突飛猛進，為工程建設行業添加了新的工具和方法。如何將當前已有的硬件技術和軟件技術進行合理搭配，改變當前建筑行業粗放型的生產管理方式，推動建筑行業的生產力的發展，提升我國建筑設計水平，已成為當前建筑行業亟需解決的問題。BIM平臺給建筑生產和建筑運維帶來了新的工作方式，通過BIM技術結合建筑節能設計方法，對建筑周邊風環境、聲環境、日照采光等進行模擬分析，達到建筑節能的目的，提出優化方案。

BIM；建筑節能；建筑設計

目前我國能源短缺情況嚴峻，推行建筑節能刻不容緩，所以我國建筑設計領域務必實行有效的應對措施。據實際統計，我國現有的建筑中大多數為高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情況。

隨著BIM技術快速發展，其為建筑節能設計提供一個全新的思路。因此，世界各國都致力于分析研究基于BIM技術的性能、基于BIM技術建筑節能設計和整個命周期管理等BIM技術應用[1]。K.Tantisevi等人研究了基于BIM技術的建筑維護結構整體傳熱計算。P.E.Moakher研究了BIM技術在能耗分析中的應用。P.Sanguinetti等人探討了BIM和仿真分析模型之間交互的問題。S.Azhar研究了BIM技術在可持續設計和LEED評價中的應用[2]。BIM技術彌補了在分析和設計效率的傳統建筑節能設計的缺陷。然而當前這種應用還不成熟，未能形成系統的應用標準和理論，有待進一步研究分析[3-6]。

BIM（Building Information Model）最早是美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業博士Chuck Eastman提出的。BIM平臺是將建筑生命周期內與建筑建造和使用維護過程中的信息（主要包括影響施工階段、設計階段、運營維護等階段）整合在一個建筑模型中。BIM的目的是構建一個有助于協作和執行能力的信息交流平臺，幫助項目參與方及時獲取信息和自由添加信息，提高工作效率和工程質量。簡而言之，就是在項目實施之前，預先在電腦上模擬一遍，各專業工程師在BIM平臺下協調優化工程方案。這樣可以預先發現實際施工過程中可能出現的問題，提高對實際工程的進度控制和質量控制。基于BIM平臺創建的建筑信息模型在多個專業學科之間，甚至整個生命周期內都具有協調性。因此，根據文檔保存的需要，BIM平臺中創建的三維模型也可以轉化為傳統的2D施工圖。BIM模型根據不同專業分析的需要，可經簡化后導入到專業分析軟件進行計算分析和造價計算，使得各專業分析人員更加專注于考慮不同的工況設置和設計性能的計算分析，而減少在基礎建模上浪費更多的時間。

基于BIM技術的建筑節能模擬體系是在以BIM模型和相關模擬分析軟件的基礎之上，將氣候環境等相關因素的影響考慮進去，創建一個環境模擬分析的平臺，在該平臺上利用模擬分析的結果調整建筑節能設計階段的成果，優化建筑的空間布局[7-9]。本文選擇REVIT軟件與BIM的環境模擬的分析工具軟件：ECOTECT、Cadna/A、Phoneics相結合，可以得到設計初期基本數據。

Ecotect軟件可以通過多種方式與三維建模軟件進行數據的快速交換。gbXML格式是基于空間之上來建立模型的，它其中的一部分與非建筑圍護結構相關的數據在交換過程中很可能會丟失，dxf和3ds格式是兩種相對較為真實的三維數據模型。如果三維模型中有較為復雜的部分，這時一般會對其進行簡化處理以增強三維數據模型在導出時候的使用性能。在建筑節能設計階段，Revit模型在選取gbXML格式的時候。首先需要定義好房間的屬性。選用dxf格式時，可以用一些簡化的模型進行操作然后使用快捷導入Ecotect中，對模型進行日照采光的模擬分析。而用Sketchup模型則也可通過dxf格式導入到Ecotect中進行模擬分析。Sketchup導入后會顯示三角面，只需在Ecotect中對其執行合并三角的命令即可。

Ecotect軟件的數據并非是相互流通的，它與其他的數據是單向的進行交換（見圖1）。因此三維建筑數據模型可以導入Ecotect中進行模擬和數據分析，但是模擬分析的結果只能作為一個參照依據，是無法再將結果導入到三維建筑數據模型中進行深入處理。

圖1 三維建模與模擬分析軟件的交流形式

建設項目的可日照采光環境、熱環境、風環境、室內外聲環境等指標早就在項目開發之前就已經基本確定下來，可是因為技術缺陷的原因，普通的建設項目很難有充足時間和經費對以上所述的各個指標進行多方面細致的的模擬分析，而BIM技術就可能廣泛應用在建筑性能分析中。

提高建筑周圍的舒適度，通過改善建筑方案、調整居住區流場分布，減弱渦流和滯風現象，改善居住區的環境質量，模擬分析在大風作用下，有哪些區域可能會因為狹管效應從而帶來安全隱患等。其所涉及到的BIM風熱環境模擬分析方法的基礎是指將Revit與其CFD流體力學模擬分析插件二者進行結合分析的方法。這種分析方法在BIM場地模型中可以對周圍的生態信息進行編輯，在將其與提取相關的風速、風頻、浪頻等信息進行結合，從而可以左右BIM分析的參數設置條件，再由BIM的代表性軟件如：SIMULATION等對其分析，結合分析結果，綜合的考慮建筑整體的環境效果。

在項目開發的前期階段，充分考慮項目所在地的氣候、地形條件等，借助風環境模擬軟件比較分析不同方案，最終選擇合理的規劃方案達到優化氣候環境，節約土地的目的。

分析建筑設計方案的自然采光效果，通過改善建筑造型、布局，建筑材料的使用等，調整采用自然采光，從而根據采光效果進行室內布局優化等。

分析建筑設計方案，采用改善通風口位置、尺寸等改善室內流場分布，并且引導室內氣流組織高效的流動，提高室內舒適度。

對熱島效應進行模擬分析，采用最合理的建筑單體設計、整體布局和改善周邊綠化環境等方式消弱熱島效應。

用噪聲模擬軟件構建建筑物的數據模型，通過對建筑物周邊的聲環境進行模擬分析，通過對建筑物的用材、建筑內部的布局變化的手段來預測和評價建筑聲學質量，提出合理的建筑聲學優化方案。

本文選擇合肥市第七十中學建筑為例分析其建筑節能應用。項目地塊位于勝利路，臨泉路北側，紅星家園小區的東側，場地基本平整。校區規劃紅線面積為8748.27m2，總建筑面積為4718.14m2，其中已建建筑面積為2192m2，新規劃建筑面積為2726.14m2，容積率0.54，建筑密度15.3%，建筑高度19.6m，框架結構形式，使用年限為50年，地上5層，抗震等級7度，建筑耐火等級二級（見圖2～4）。

本項目為擴建項目，在原有建筑基礎上在規劃區內新增加1座教學綜合樓以及報告廳，擴建后教室增加到25個，標準物理、化學、小學實驗室各1個，計算機室1個，并增加相應的辦公場所。新建建筑的三維圖見圖5。

項目強調全區建設的整體性，將建筑的功能布局、道路系統、綠化系統與基礎設施等，進行統一規劃形成統一整體。在整體布局的基礎上結合建設要求，強化規劃的相對獨立性盡量構筑人車分流交通系統，減少車輛通行對校區的干擾。建筑分布遵循地貌、景觀位置以及朝向的改變，在局部區域內具有雅致悠然的空間形態，為學生提供一個舒適的學習環境。

圖2 項目總平面圖

圖3 規劃結構圖

圖4 功能分析圖

圖5 項目Revit三維模型圖

本項目為中學校園，初中階段是學生世界觀形成的重要階段，校園作為初中生接受教育的重要場所，創造符合初中生學習要求的綠色校園是本項目設計的首要任務，節約整潔的教學樓、寬闊的運動場營造出積極向上的校園氛圍。

5.2.1 和諧原則

建筑是由人類行為影響而產生的結果，因為建筑的設計、施工和運維的各個階段都有損耗，其他因素干擾建筑的實際作用，所以本項目要強調建筑要擁有和諧的體系、系統、關系的重要原則。

本項目在設計中充分考慮與場地和周邊建筑的關系，在保證優質校園環境的前提下，充分利用場地進行最大化的開發應用，在滿足建筑基本功能的基礎上，建立與周邊建筑良好的對話關系，使之融為一體，并在功能空間上相互補充相互影響，為人們提供更為合理的功能空間。

5.2.2 適地原則

所有城市的建設、規劃、或者單位工程項目，都必須對指定地方的周圍環境等條件進行評價分析，其中涵蓋了當地的氣候特征、地方的文化習俗、地理因素、能源分布、建筑機理特征等條件，如地方建筑材料利用的強度與持久性和當地對建筑的限制現狀等。因此，必須結合合肥地區當地自然、人文環境設計。

本項目在原有場地建筑的基礎上進行規劃設計。建筑南北向布置，充分增加了建筑的采光和通風，并與原有建筑保持一定距離，減少對已有建筑通風采光以及噪聲的影響。建筑造型簡單，與原有建筑相輔相成，盡可能的融入到場地中，做到適地而建。

5.2.3 節約原則

重點突出“節能省地”原則。節省土地首先從規劃階段開始，通過詳細分析建筑用地的比例關系，合理進行分配，提升土地利用率。節能技術主要依據蓄熱方式來降低能量消耗的原理來提高能源的使用效率，并且對例如風能、太陽能、海洋能、生物能、水利能等可再生的自然資源進行充分的利用，降低對不可再生資源的使用。還可以結合當地的氣候特點，在建筑設計時考慮當地的太陽及風的運行規律，把通風及太陽光等可利用的節能措施加入進去以降低能耗。

本設計充分利用場地，最大化的規劃設計。建筑造型簡單無多余的構架，節約材料。建筑外立面顏色為淺色暖色調，不僅符合學校建筑的特點，而且還能有效降低太陽輻射，降低環境溫度，提高舒適度。建筑北側外立面增加了立體綠化，改善了場地的微環境，同時也為已建建筑增加了一抹綠色，增進了新老建筑的對話，豐富了課余生活。

5.2.4 舒適原則

舒適要求與資源占用及能量消耗在建筑建造、使用維護管理中一直是一個矛盾體。在綠色建筑中強調舒適原則并不是以放棄建筑的舒適度為前提，而是以滿足人們的居住的舒適度為標準，應用材料的保溫性能，提高維護結構的保溫性和隔熱性，利用太陽能冬季取暖夏季降溫的特性，用遮陽設備來降溫，預防夏季溫度過高，從而使室內環境更加舒適。考慮到本項目使用者主要為中學師生，為向中學師生提供一個安靜的學習環境，建筑及周邊的聲環境良好是本項目必須體現的舒適原則。

本項目主要功能房間布置在南側，增加了南側的采光，通風，擁有開闊的視野，有助于學生眼睛的保護。建筑功能合理，動靜分區，在滿足基本空間的前提下盡量減少輔助空間，增加建筑空間的利用率。建筑入口設有無障礙通道及無障礙衛生間，滿足不同人群的需求。

根據合肥市《關于加強新建民用建筑設計方案建筑節能和綠色建筑管理工作的通知》（合規[2014]129號）等有關規定、本項目綜合規劃及業主要求，本項目應滿足《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）綠色公共建筑一星級設計要求。

5.3.1 日照模擬分析

日照方面，項目南側為學校廣場和運動場地，對教學樓和報告廳無遮擋，保障了教學樓的主要功能房間在冬至日平均達到4h左右的日照。同時，結合《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）第4.1.4的要求，本項目的新建建筑未降低周邊建筑的日照標準，使項目北側已建建筑的主要功能房間在冬至日平均達到2h左右的日照（見圖6）。

圖6 學校日照模擬分析圖

5.3.2 室外風環境模擬分析

為了讓模擬分析的結果更加真實，采用對建筑所在的實際地理位置的風速與風向進行分析。利用風玫瑰圖，利用給出的頻率最多的風速風向情況，確定當地平均風速作為模擬區域的輸入條件（見圖7和表1）。根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》可知合肥地區的冬季、夏季以及過渡季節在最多風向條件下的風速情況。

圖7 項目及周邊建筑模型

項目所在地氣象參數表 表1

5.3.2.1 冬季典型風速和風向條件

圖8 風速云圖（1.5m高度處）

圖9 風速放大系數圖（1.5m高度處）

圖10 迎風面風壓圖

圖11 背風面風壓圖

項目冬季典型風速和風向情況見圖8～11，由上述圖形模擬結果分析得出，在冬季室外最多風向平均風速為3.5m/s的NNE風場下，建筑室外人行高度1.5m處的最大風速不超過3m/s，風速放大系數最大值小于1.5，教學樓和報告廳的迎風面與背風面表面風壓差整體上在3.5Pa左右。

《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）中4.2.6條要求“在冬季典型風速和風向的條件下，建筑物周圍人行區風速小于5m/s，且室外風速放大系數小于2；除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa”。因此，在冬季典型風速和風向條件下，項目符合規范對場地內風環境的要求。

5.3.2.2 夏季典型風速和風向條件

項目夏季典型風速和風向情況如圖12～15所示。

圖12 風速云圖（1.5m高度處）

圖13 風速矢量圖（1.5m高度處）

圖14 迎風面風壓圖

圖15 背風面風壓

5.3.2.3 過渡季典型風速和風向條件

項目過渡季典型風速和風向情況如圖16～19所示。

圖16 風速云圖（1.5m高度處）

圖17 風速矢量圖（1.5m高度處）

圖18 迎風面風壓圖

圖19 背風面風壓圖

從上述圖形模擬結果分析得出，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，教學樓和報告廳周邊活動區域未出現渦旋，大部分區域風環境情況良好。

《綠色建筑評價標準》（GB50378-2014）中4.2.6條要求“在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，場地內人活動區不出現渦旋或無風區，50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓差大于0.5Pa”。因此，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，項目符合規范對場地內風環境的要求。

5.3.3 室外聲環境模擬分析

本報告分析模型主要包括合肥市七十中學的教學樓、報告廳、校園內已建建筑、周邊建筑物及道路等影響因素，分析模型見圖20。

圖20 項目環境噪聲模擬分析模型

該項目周圍道路分別為臨泉路、桃溪路和昌盛路。根據《城市道路工程設計規范》（CJJ37-2012）的要求，在城市主干路設計速度取60km/h，城市次干路設計速度為30km/h。晝間模擬結果見圖21～24。

圖21 整體平面噪聲分布圖

圖22 教學樓及報告廳噪聲分布

圖23 西北側立面噪聲分布圖

圖24 東南側立面噪聲分布圖

根據以上聲環境模擬分析可以看出，本項目場地內噪聲主要由周邊道路的車輛噪聲產生，從以上分析結果可以看出，本項目場地內晝間噪聲最大值為48dB，夜間最大值為38dB，噪聲環境良好，滿足《聲環境質量標準》（GB3096-2008）的相關要求，即滿足晝間噪聲不大于55dB、夜間不大于45dB，符合《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）第4.2.5條款要求：場地內環境噪聲符合現行國家標準《聲環境質量標準》（GB3096-2008）的有關規定。

本文介紹了我國建筑節能現狀，探討了在建筑節能設計中BIM數據的交換方式，分析了在建筑節能中基于BIM的建筑性能化分析，通過BIM軟件對建筑周邊的日照環境、風環境、聲環境的模擬分析提出優化方案。研究通過分析合肥市第七十中學的項目，針對學校的日照采光、室內外風環境、聲環境模擬，結合建筑節能規范和綠色建筑規范，做出節能評估進行改進。

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綜上所述，要實現圍護結構的砂加氣塊非承重墻體自保溫，并能滿足國家、地方建筑節能設計標準，就必須要對保溫砌體結構、建筑墻體熱橋部位的附加保溫、墻體抗裂處理、細部防水節點等，進行精心設計、精心施工。只有這樣圍護結構節能與建筑同壽命的質量和安全才能保證。

TU201.5

A

1007-7359（2016）05-0037-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.009

王昭仙（1979-），男，山東濟南人，畢業于山東建筑大學，學士，國家注冊一級建造師。