GIS與BIM相結合的校園運維研究及新能源汽車充電樁布設

湯文凱 王思佳 譚木蘭

（西南石油大學土木工程與建筑學院，成都 610500）

迫于人口、工業化、市場等多方壓力，我國的自然環境正在不斷惡化。彌漫各個城市的霧霾，日益干涸的河流，嚴重的水土流失無不在給我們敲響警鐘。

近年來國家開始加強對建筑行業環境影響的重視。綠色建筑理念被大家逐步重視起來，綠色建筑指在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源，包括節能、節地、節水、節材、保護環境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。[1]所以我們將目標轉為如何通過BIM技術對既有建筑進行分析，確定合理的運維方案，對既有建筑進行科學高效的管理，從而達到綠色運營的目的。

本文我們選取西南石油校園作為參考，運用 BIM技術對既有的教學樓-“明志樓”進行能耗、光照、疏散三方面的分析，以分析結果為參照依據進行教學樓運維管理方案設計。并且假設在未來校內新能源汽車趨于飽和時，如何布設充電樁才能在節能的前提下滿足大部分教師的車輛充電需求。

1 工程概況

1.1 項目簡介

圖1 明志樓項目模型渲染

本次研究主要以西南石油大學校園及校園二期工程的5層綜合教學樓-明志樓為主體進行分析。明志樓總建筑面積30 800㎡，地上建筑5層，占地20 690㎡，高22.7m；地下建筑1層，占地4 930㎡。其負1層作為地下停車場使用、1-3層為實驗與教學用地、4-5層為院系教師辦公室與研討室，目前明志樓完全滿足日常教學授課使用與教師辦公的能力。明志樓模型渲染圖如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

本項目作品涉及專業多，需要建筑，結構，機電等各專業協調配合；軟件涉及較多，學習掌握難度大；研究問題新，探索過程需克服問題多。

2 BIM組織與應用環境

2.1 BIM應用目標

通過這次研究我們主要為了達成兩個目標：1）使既有教學樓-明志樓的運維更加高效合理；2）假設在未來校園新能源汽車飽和時，布設的充電樁既能滿足正常需求又盡量節約。

2.2 實施方案及應用措施

1）對于運維研究部分：我們通過對明志樓進行精細化建模，對其進行：能耗、光照、人員疏散三方面分析，對分析結果中的可優化因素進行改進，提出優化方案使教學樓的運維更加高效合理。

2）對于充電樁布設部分：我們通過無人機建立全校GIS模型，對重要的建筑物進行建立BIM模型，在3Ds Max上將兩者整合，配合我們前期調查得到的數據，提出充電樁布置方案。

2.3 人員組織

為達到以上目的我們組成了包含：土木工程、工程管理、測繪工程及建筑能源與環境應用工程四大專業的10人團隊，通過指導老師的統一協調安排，從不同的角度完成分析設計。

2.4 軟件環境

所使用的軟件包括 Revit、Lumion、InfraWorks 360、Autodesk Insight 360、Green Building Studio、Pathfinder、DeST、Ecotect Analysis、DJI GO等軟件。

3 BIM應用

3.1 BIM建模

GIS是一種特定而十分重要的空間信息系統。其主要功能是采集、存貯、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層）與空間分布有關的數據。[2]而BIM技術則是將建筑物可視化，并在將相應的建筑信息關聯到了模型中，相較 GIS信息而言，更注重建筑微觀信息，兩者相結合就構成了建筑的全部信息。首先通過無人機航拍正射影像、傾斜攝影等方式對學校進行近地面遙感數據采集，數據采集完成后，通過軟件生成相應的三維模型；其次校園中的重要建筑，例如：四大明樓、圖書館、學生食堂等我們均使用Revit進行了模型建立。最終將兩部分共同導入3Ds Max完成整合，并將整合好的文件導入Lumion完成最終的校園渲染漫游。如圖2所示：

圖2 校園模型渲染

3.2 BIM應用情況

3.2.1 運維管理

（1）能耗分析

通過使用 Autodesk Insight 360、Green Building Studio等能耗分析軟件，我們得到了明志樓的全年能耗情況為：

表1 明志樓全年能耗成本比例

通過系統能耗分析得出，能耗成本中電量占比91%，燃料占比9%；年耗電量中HVAC占比78%，照明占比12%，其他設備占比10%。

從表 1中可以發現明志樓的最主要能耗為空調系統的消耗，所以我們從該方面入手，通過正向設計為明志樓建立了更高效綠色的空調系統。

（2）光照分析

明志樓照明系統耗電量主要包括：教室照明、實驗室照明、辦公照明耗電量。其中教室照明耗電量較大，教學樓單位面積平均照明功率為11.0 W/m2。一間典型教室有功率為40 W的粗管日光燈共12盞,總功率為480 W,平均每天開燈時間為9 h。整間教室白天開燈時間過長,造成較大的電能浪費。

因此，我們以Ecotect軟件為基礎對明志樓光照條件進行分析，將分析結果作為依據驗證自動控制照明系統的可行性。如圖3所示。

圖3 Ecotect中光照分析圖

（3）疏散分析

對該教學樓按照Pathfinder的要求建模，導入軟件發現擁堵點，與實際情況進行對比驗證軟件的精確度。再對各個造成擁堵的原因進行分析，改變這些條件并重復建模、驗證的過程，最后得到一個相對最為合理的人員疏散方案及路線，最大程度上保證在疏散時，人員撤離最快、最安全。

3.3.2 新能源汽車充電樁布置方面

通過現有的全校園模型我們找到其中具備布設充電樁條件的區域共13個。以大量的問卷及市場調查為依據我們得到了車位與充電樁的兩種布設比例，并將這兩種布設方式進行比選，得出最終方案。如圖 5所示（布設圖太大，截取一部分圖）。

圖5 明志樓充電樁布設圖

4 應用效果

4.1 空調系統的正向設計

在暖通空調專業中，運用BIM技術設計，并進行管線碰撞分析，能很好地提高暖通空調設計工作完成度，減少施工工作量，提高效率，減少返工，節約成本。空調通風、排水設計局部如圖6、圖7所示：

圖6 空調通風設計局部圖

圖7 空調排水設計局部圖

BIM的可視化功能集成多維信息，精確地儲存了暖通空調工程中的設備及管線的屬性及空間信息，進行模擬施工組織方案，為后期施工安全管理提供了有力的技術支持。

表2 空調系統設計參數

在圍護構造以及其他建筑圖元性能參數不變的情況下，采用不同的HVAV系統對明志樓進行能耗模擬分析比較。以12 SEER/7.7 HSPF 分體式/整體式熱泵為基準，分別比較二管制風機盤管系統，冷水機組 5.96 COP，鍋爐效率 84.5；中央 VAV，電阻加熱，冷水機組 5.96 COP；中央 VAV，HW 加熱，冷水機組 5.96 COP，鍋爐效率 84.5（默認值），將結果從碳排放量、耗電成本進行對比分析，得出12 SEER/7.7 HSPF 分體式/整體式熱泵最適合目前的教學樓。結果對比如圖8、圖9所示。

圖9 系統分析對比結果圖

安裝光敏電阻控制自動開關燈后會減少明志樓照明年耗電量32 919.18kW·h，費用17 667.9元。

4.2 自動控制照明系統可行性

我們將得到的數據匯總統計并作出相應的表格，根據學校的作息時間8：00-22：00，計算明志樓2017年月平均照明系統耗電量。照明分析流程如圖10所示。

根據現在市面上常見的光敏電阻控制自動開關燈系統耗平均耗電量計算得：明志樓年平均照明耗電量為：54 759.06kW·h，費用為29 372.7元。

圖10 照明分析流程圖

圖8 年能耗成本對比圖

4.3 減少疏散時間的方案設計

通過疏散模擬我們得知，明志樓現有狀況疏散時間為160s。明志樓作為綜合型教學樓分為A、B兩個區域，除了最基本的教室外還有實驗室、會議室、教師及行政辦公室。基本教室集中在三樓，決定了三樓人流量最多，而A、B區的連接部分樓梯離兩邊最近，所以平時使用人數最多，同時與該樓梯旁的A311教室容納人數較多，所以此處的樓梯是一個擁堵點。A301教室容納人數較多，且與 B301、B302、B303教室相近，同時該教室旁的樓梯離 B區大門最近但相對較窄，這也是一個擁堵點。在明志樓結構無法改變的情況下我們想要減少疏散時間只能通過優化排課完成。

具體方案如下：錯開A301教室與B301、B302的時間，減輕A301教室旁樓梯的壓力。A311教室有課時就避免該教室兩側的 A303、A305的使用。在優化了排課后我們最終得到的疏散時間為 120s，比原方案減少了40s。

4.4 新能源汽車充電樁布置

校園內的車輛絕大部分來源于教師，所以我們對教師進行問卷調查，得到教師更換新能源汽車意愿、每周開車到校的平均次數等數據。如表3、表4、圖11、圖12所示。

表3 教師每周平均開車至學校的次數分布

表4 教師每天開車上班的距離概率分布

圖11 油/電量低于多少時選擇加油/充電比例

圖12 未來選擇何種電動車比例

在此基礎上我們對市面上現有的新能源汽車續航里程進行調查，計算得知目前市面上新能源汽車平均續航里程為257.8km。通過上述數據得出每周行駛消耗的理想電量 K=每周開車到校次數×平均行駛距離/257.8；則理想狀態下，計算得出理想剩余電量。在對教師進行的問卷調查中我們發現當電量低于 35%時選擇充電的人數高達86%，所以我們選取35%電量作為充電的臨界電量。最后我們通過統計得到：全校現階段車輛數2 460輛，校方給出車位數約3 000個。則計劃一周需充電的汽車數量 B=需充電車數量百分比（k3+k4）×2460×67.1%= 802.22；充電樁比例=B/3000=0.267。詳細數據如表5所示。

以得到的比例為基礎我們設計了如下兩種充電樁布置方案：1.13個區域均按照基本比例布設。2.將 13個區域的停車狀況細分，在車位集中并便于充電樁布設的位置加大布設比例進行充電樁布設。得到如下兩種方案：

將充電樁布置到校園模型后對比發現：方案二的布設方式更方便汽車充電，同時充電樁更加集中便于線路的敷設，所以我們決定將方案二作為最終方案。

表5 考察數據結果

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圖13 四大明樓區域布局圖

圖14 地下車庫充電樁布置圖

5 總結

5.1 創新點

（1）多專業參與

團隊成員來自工程管理、土木工程、建筑環境與能源應用、測繪工程四個專業從多角度運用BIM技術。

（2）綠色建筑

本次作品我們綜合使用多種軟件，力求貼近綠色建筑理念，使教學樓乃至學校運行更加高效合理。

（3）GIS+BIM交互

本次作品我們對GIS+BIM技術進行探索，利用兩個軟件的交互使用綜合地理及建筑信息為智慧校園打下基礎。

（4）正向設計

在空調系統的設計中我們采用了正向設計的理念，直接在建筑模型中完成空調系統的搭建。

5.2 結語

本次研究中我們著重通過運維階段的管理對建筑物的進行節能減排設計，希望能通過科學的方法降低建筑物的運維能耗，使其的運行更為高效合理。以此作為推廣，進行既有建筑綠色改造，能在很大程度上降低建筑物對環境的影響。當然，新建建筑在此基礎上同時也要在設計及施工中貫徹綠色建筑理念。研究中我們對GIS+BIM系統做出了初步的探索，為日后的智慧校園打下了基礎。我們認為綠色建筑不應僅僅是作為建筑本身來談，而應該和其他方面的節能減排相結合，所以進行了充電樁的分布設計。希望在綠色建筑的基礎上為其他方面的節能減排提供便利，實現更大層面上的綠色與可持續發展。