基于BIM技術的綠色建筑設計優化研究

丁陽雪，郭 軒，霍海娥

(四川師范大學，四川 成都 610100)

0 前 言

目前，我國建筑業發展迅猛，其總產值在國民經濟物質生產部門中占據第三位，僅次于農業、工業。2018年上半年完成建筑總產值94 790億元，同比增長10.39%，建筑能耗消費總量為8.99億t標準煤，占全國能耗消費總量的20.62%，我國建筑節能潛力巨大[1]。近年來，我國頒布了一系列政策引導建筑業向綠色建筑及建筑節能方向發展,2017年住建部發布《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》，旨在建設節能低碳、綠色生態、集約高效的建筑用能體系。因此，綠色建筑是建筑節能的必要措施，是對我國可持續發展的主動響應，而只有實現建筑材料的可持續發展才能實現整體建筑產業的綠色可持續發展，其核心就是綠色生態可持續[2]。據統計，僅房屋工程所需要的建筑材料就有76大類，2 500多個規格，1 800多個品種，建筑產品成本的2/3屬于材料費。建筑的不可持續發展很大程度上是因為建筑材料在生產和使用過程中的高能耗、嚴重的資源消耗和環境污染。因此，材料的選用很大程度上決定了建筑能耗的多少。

目前國內對于基于BIM(Building Information Modeling)技術的建筑設計方面的研究有：曾旭東等[3]在2006年首次提出將BIM技術與建筑能耗分析相結合進行節能建筑設計的這一新方法。2008年，李玉娟[4]探討了如何在住宅建筑設計過程中，將BIM技術和各種技術結合起來，更好地實現建筑設計階段尤其是方案階段的住宅建筑設計，對住宅建筑進行全生命周期管理。2016年刁麗茹[5]提出運用建筑工程質量管理理論對綠色建筑設計質量管理及其設計質量評價進行研究，對運用BIM技術進行綠色建筑設計質量管理做了初步探討。可見國內的相關研究大多從BIM技術的可視化及其信息化兩個角度對建筑進行優化設計，對于建筑材料領域的優化設計較少。此外，綠色建筑設計質量的好壞需要通過綠色建筑評價進行驗證，目前國內廣泛采用的綠色建筑評價軟件是綠建斯維爾軟件，該軟件是基于CAD開發的一款綠色建筑評價軟件，可直接判定設計的建筑是否是綠色建筑，并可以判定其綠色建筑的等級。因此，本文以一棟教學樓為研究對象，首先用斯維爾綠色建筑評價軟件判斷是否滿足節能要求，然后基于BIM技術采用多種節能材料對其節能效果進行研究。

1 BIM技術與斯維爾綠色建筑評價軟件概述

1.1 BIM技術與綠建斯維爾軟件簡介

BIM是以建筑工程項目各項相關的信息數據作為模型基礎進行建筑模型建立，并方便全部參與方利用建筑信息來指導決策工程活動的過程[6]。在《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)中評價標準由節地與室外環境、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與材料資源利用、室內環境質量、施工管理、運營管理7 類指標組成。利用BIM技術建立的建筑模型，含有大量的建筑信息，可在不同軟件進行交互應用，減少了在不同分析軟件中建立模型的時間，提高了綠色建筑設計的效率和質量。

Revit軟件中自帶材料族庫，但材料種類較少，不含有大部分新型綠色建筑材料，需要自行創建所需的建筑材料族。本文針對圍護結構的部分綠色建筑材料進行研究，建立材料族如圖1所示。

圖1 本文建立的綠色建筑材料族

建筑節能是指在保證提高建筑舒適性的條件下，合理使用能源，不斷提高能源利用效率[7]。針對不同地區的氣候特點及不同的使用目的，我國出臺了各相關節能評價標準，根據相關政策，結合工程實際情況，采用適合的節能新技術、新工藝、新設備、新材料和新產品，提高建筑保溫隔熱性能，才能更好地達到節能建筑標準的要求[8]。

綠建斯維爾軟件“節能設計”板塊以《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-2016)為熱工計算依據，按照國家、地方相關建筑節能設計技術標準、規范、規程，對建筑物進行規定性指標、性能權衡的判定，并可將計算結果以Word、Excel、Dwg等形式輸出并用于施工圖節能審查。基于我國綠色建筑評價標準所開發的綠建斯維爾軟件可根據建筑模型所在地區，因地制宜地根據當地綠色建筑評價標準予以評價，彌補了國外能耗分析軟件沒有我國標準規范這一缺陷。

1.2 BIM技術與斯維爾綠色建筑評價軟件的聯系

目前我國綠色建筑處于高速發展階段，利用CAD繪制二維平面圖的傳統設計模式，已無法滿足時代要求，今后的綠色建筑設計將大量采用BIM技術建模。Revit模型相關數據的輸出直接以設計模型為基礎，數據信息可信度較高[9]。將Revit軟件中的建筑模型以GBXML文件格式導入綠建斯維爾軟件，但導入的建筑模型的構件信息會部分丟失，導致綠建斯維爾軟件無法進行節能分析。基于Revit軟件與綠建斯維爾軟件數據不互通的情況，利用Revit軟件的API接口進行二次開發，通過插件在建筑模型中提取綠色建筑評價所需數據，實現Revit軟件與綠建斯維爾軟件的交互應用。

2 基于BIM技術對綠色建筑設計優化

2.1 BIM模型建立

本文選取四川省宜賓市某多層教學樓進行綠色建筑設計優化，其總建筑面積為821.15 m2，建筑高度11.25 m，建筑體積3 260 m3。在對建筑進行節能分析前，采用Revit建立的三維模型如圖2所示。

圖2 教學樓BIM模型

2.2 建筑數據提取

基于本文的研究目的，需從Revit模型中提取出屋頂、外墻所采用的保溫材料及建筑門、窗材料相關數據，如表1所示。

表1 圍護結構參數表 單位：[W·(m2·K)-1]

提取到的參數數據無法在Revit軟件與綠建斯維爾軟件之間交互應用，因此利用Revit軟件的API接口對軟件進行二次開發，在BIM模型中提取綠色建筑評價所需數據并導入綠建斯維爾軟件，實現Revit軟件和綠建斯維爾軟件的交互。

2.3 建筑熱工分析

根據《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-2016)中建筑熱工設計原則相關規定(4.1.1)可知，宜賓市屬于夏熱冬冷地區，其設計原則必須滿足夏季防熱要求，適當兼顧冬季保溫。同時，根據此規范附件A“熱工設計區屬及室外氣象參數”可知宜賓市氣象參數如表2所示。

表2 宜賓市氣象參數

由表2可知，宜賓市溫度變化較大，夏熱冬冷，需借助建筑保溫系統的作用才能達到夏季防熱，冬季保溫的效果。

將所提取的模型數據導入綠建斯維爾軟件中，可以進行節能分析。

得到分析結果如表 3所示。由表3可知：僅靠建筑現有的節能系統并不能滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)中規定的要求，達到很好的保溫隔熱效果，因此，對該工程進行節能優化，以設計出符合《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2015)的綠色建筑。

2.4 建筑節能優化

通過查閱資料及市場調研，擬采用以下材料。

幾種節能材料及其蓄熱系數見表4。

表3 綠建斯維爾軟件節能分析結果

依據單因素變量原則，采用上述材料可形成4×3×2×4=96種優化方案。依據《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2015)中建筑熱工計算原則及公式計算材料的蓄熱系數如下式：

式中，S為材料的蓄熱系數，[W/(m2·K)]，應按規范要求取值；λ為材料的導熱系數，[W/(m·K)]；C為材料的比熱容，[KJ/(kg·K)]，應按規范要求取值；ρ為材料的密度，kg/m3；T為溫度波動周期，h，一般取T=24 h；π為圓周率，取π=3.14。

將相關數據及模型導入綠建斯維爾軟件內進行節能分析，結果如圖3所示。

結果判斷：由綠建斯維爾軟件節能分析檢查結果(見表3)可知，判斷本建筑是否滿足《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2015)，即比較設計建筑的綜合權衡全年供暖和空調總耗電量Ed是否小于參照建筑的綜合權衡Er，若Ed小于Er，則滿足綠色建筑節能設計標準；反之，則不滿足。

方案選取：從所有滿足《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2015)的方案中，選擇設計建筑綜合權衡Ed最小的方案，此方案便是最優方案。在本工程中，①組合方案43號“無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(屋頂)+無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(外墻)+單層實體木制門(門)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”和②組合方案47號“無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(屋頂)+無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)(外墻)+雙層實體木制門(門)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”均是最節能方案，其綜合權衡Ed為9.82

圖3 節能分析結果

表4 幾種節能材料及其蓄熱系數 單位：[W·(m2·K)-1]

3 結 語

本文綜合應用BIM技術與綠色建筑評價軟件斯維爾對四川省宜賓市某多層教學樓建筑進行了綠色建筑優化設計。針對5種節能材料，共96種組合進行了優化分析。通過模擬得出：組合方案43號和47號均為最優方案，其綜合權衡Ed都為9.82，滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378-2014)。在所選取的材料中，門的材料變化對建筑的保溫效果影響十分微小，而節能材料中無機輕集料憎水型膨脹巖保溫板(90 mm)材料節能效果最佳。本文實現了BIM模型與綠建斯維爾軟件之間的交互，可為綠色建筑的設計及評價提供參考。

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