基于綠色BIM理念的多層建筑節能設計分析

(北華航天工業學院 建筑工程系,廊坊 065000)

1 引言

近年來興起的BIM技術創造性地在建設項目設計、施工和運維養護中采用了數字化三維模型，實現了全生命周期管理。BIM技術在歐美發達國家中的成功應用使人們逐漸意識到該技術在綠色建筑發展中的巨大潛力[1]。將BIM技術與綠色建筑相融合即產生了綠色BIM理念，即：基于BIM技術在設計階段內的任意時間內可以方便地對設計方案進行調整，準確地獲得大量、直觀的建筑能量性能反饋信息，從而實現可持續性和改善建筑層面上的能效目標。目前，國外建筑業已對較多的高端建筑和標志建筑采用BIM技術進行了綠色節能分析，積累了大量的有益經驗，但是在國內對于此項技術的認識和運用還不成熟，需要對其進行深入的研究和成果推廣。

本文基于綠色BIM理念，以廊坊市某多層建筑為分析實例，詳細介紹了BIM技術在該建筑節能、采光、日照設計中的應用，通過BIM技術全面瀏覽建筑物在綠色節能方面的綜合性、科學性信息，直觀呈現建筑能量性能方面的問題，及時進行相應的修改，并檢驗設計方案是否適宜，本文的研究成果可為本地區的相似方案提供設計依據和參考標準[2-4]。

2 項目概況

本工程為河北省廊坊市某售樓處辦公樓，總建筑面積為1927m2，占地面積為651.83m2，建筑高度為13.5m(室外地坪至女兒墻頂)。本項目設計標高為±0.000m，相當于絕對高程20.182m，室內外高差為0.45m，建筑三維圖如圖1所示。

BIM應用軟件可直接導入圖紙，對其工程信息進行輸入，軟件會根據《建筑設計防火規范》《建筑抗震設計規范》《公共建筑節能設計標準》等相應標準規范設定建筑相關參數，并根據所導入的圖紙計算體積、面積等數據。詳細綠色節能設計參數基本情況如表1所示。

圖1 廊坊市某辦公三維視圖

表1 項目綠色節能設計參數基本情況

一般設計參數耐火設計等級二級屋面防水等級Ⅰ級結構形式鋼筋混凝土框架結構建筑抗震設防烈度七度使用年限50年綠色建筑節能設計參數建筑(節能計算)體積8 669.84m3建筑(節能計算)外表面積2 410.26m2北向角度90°外墻與屋頂太陽輻射吸收系數0.75光氣候分區Ⅲ光氣候系數K1.00表面反射比頂棚0.75、地面0.30、墻面0.60、外表面0.50

3 綠色建筑分析軟件及應用思路

綠色建筑和分析是一種新的設計理念，綠色建筑分析不是追求形式與潮流，它和傳統的設計環節一樣以更加科學的提升建筑物的價值為目的，是傳統建筑設計的完善。綠色建筑分析是一個綜合性的、學科性的、可跨階段的過程，而BIM技術正好滿足了這一需求，實現了所需數據信息集合分析、集中呈現、快速運算的需要。

表2 綠建斯維爾軟件各模塊使用要點與應用原理

軟件模塊適用性使用要點應用原理節能模塊基于AutoCAD平臺,適用于全國民用與公共建筑節能評估;可直接導入三維BIM模型;通過計算建筑的保溫層保溫系數、墻窗的面積比、結構的保溫性能、地面的熱阻、建筑體形系數、光氣候地區等數據輸出結果,跟參考建筑作比較得出結論;采光模塊基于AutoCAD平臺,國內首款采光軟件,可定性與定量分析;可快速對單體或總圖建筑群進行采光計算;輸入建筑類型、建筑地點光氣候區、所采用的的采光標準、門窗的透光系數、室內裝修材料反射比等數據。設置采光分析引擎,分析精度,等需要分析的內容得出采光分析數據;日照模塊基于AutoCAD平臺,為建筑規劃布局提供高效的日照分析工具,也有可視化的日照仿真精確建立所分析建筑周圍的構造物的模型,準確輸入墻窗數據。設置建筑物的地理位置及所要分析的時間段。日照分析模擬建筑與周圍構造物的不同時間段的遮擋關系,計算出陽光射入建筑物的不同時間和量。輸出建筑物的陰影輪廓圖,各窗的陽光射入時間等數據。

為了滿足建筑節能分析需求，現在建筑市場上已推出了多款將建筑能耗模擬與BIM技術相融合的商業軟件，例如國外的EnergyPlus、ESP-r、Autodesk Ecotect Analysis、Transient System Simulation Program和國內的綠建斯維爾、TBEC和PBECA等，這些軟件為設計師們的建筑節能決策起到了重要作用[5-7]。

本文采用綠建斯維爾軟件對廊坊市某辦公樓進行了節能、采光和日照分析。該軟件各模塊適用性與使用要點如表2所示。

4 綠色分析

4.1 節能分析

(1)節能分析

根據《公共建筑節能設計標準》，該建筑位于廊坊，處于寒冷地區，且存在建筑群，在建設中考慮熱島效應，此案例主建筑的北和東兩個方向有遮擋建筑，在建筑的總體規劃和設計要考慮自然通風和冬季日照對建筑節能的影響，充分利用自然條件達到最優節能效果。

綠色建筑設計是一項復雜的工作，需要考慮多方面因素，例如在冬季如何最大限度地利用太陽能獲得更多熱量，如何避開主導風向，減少熱量損失對建筑物節能效果的影響； 在夏季如何最大限度減少獲得的熱量，如何充分發揮建筑物自身條件，利用自然通風降低室內溫度，達到節能效果。建筑形體也會對建筑節能效果產生一定的影響，在建筑設計時應避免過多的凹凸變化，此案例采用傳統標準形體，對此影響因素可忽略不計。

(2)數據計算及總結

應用軟件對建筑圖紙進行讀取，選取適宜的建筑材料，依據《河北公共建筑節能設計標準》進行計算，對屋頂傳熱、外墻傳熱、地面熱阻以及外窗的等幾種直接影響節能效果的條件進行分析，再通過與參考建筑做比較，輸出建筑的耗冷耗熱量的節能數據，檢驗是否符合標準、規范等。

表3 節能計算參數對比

類別計算建筑參考建筑屋頂傳熱系數K [W/(m2·K)]0.830.45外墻傳熱系數K [W/(m2·K)]1.130.60地面熱阻R[(m2·K)/W]0.090.16

表4 節能計算結果對比表

此建筑案例屋面采用的是鋼筋混凝土120mm、擠塑聚苯板(ρ=25-32)20mm，外墻采用的是鋼筋混凝土200mm、擠塑聚苯板(ρ=25-32)20mm，外窗及玻璃幕墻采用6mm空氣中空玻璃塑料窗，其傳熱系數為2.79 K[W/(m2·K)]，遮陽系數為0.9 K[W/(m2·K)]。建筑能耗計算依據《建筑能耗標準》計算結果如表5。

表5 節能計算對比

設計建筑參照建筑耗冷耗熱量(kWh/m2)107.08111.21耗冷量(kWh/m2)36.6441.80耗熱量(kWh/m2)60.4469.41標準依據《河北公共建筑節能設計標準》(DB13(J)81-2009)第4.3.1標準要求設計建筑的能耗不大于參照建筑的能耗結論滿足

圍護結構傳熱系數計算：

圍護結構的傳熱阻：R0=Ri+R+Re

式中，Ri是內表面換熱阻[(m·K)/W](一般取0.11)

Re是外表面換熱阻[(m·K)/W](一般取0.04)

R 是圍護結構熱阻[(m·K)/W]

圍護結構傳熱系數計算：K=1/R0[W/(m·K)]

式中，R0是圍護結構傳熱阻。

依據《河北公共建筑節能設計標準》，節能計算數據對比表如表3、表4、表5所示。

(3)BIM節能軟件依據《河北公共建筑節能設計標準》對計算結果進行分析，分析結果如表6所示。通過分析得出此建筑的節能數據與參考建筑的節能數據相比此建筑在可見光投射比、可開啟面積、外墻氣密性、外窗氣密性、幕墻氣密性方面是否滿足節能要求。

表6 計算結果

序號檢查項結論說明1可見光透射比滿足本工程綜合判斷滿足《河北公共建筑節能設計標準》(DB13(J)81-2009)規定的要求。2可開啟面積滿足3外窗氣密性滿足4幕墻氣密性滿足5綜合權衡滿足

依據以上數據及分析結果可知，該建筑的各方面設計參數均滿足標準規定和節能設計標準要求，但各圍護結構傳熱系數高于參考標準，須進行權衡判斷。由表3可知該建筑屋頂和外墻傳熱系數分別為0.83和1.13，而參考建筑數據僅為0.45和0.6，明顯看出所分析的建筑數據高出參考數據一倍，在實際建設中外墻可選取保溫效果更好的材料以降低傳熱系數，屋頂可采取種綠植的途徑，不僅美觀綠色，還可以有效降低屋頂傳熱系數，達到綠色節能效果。

4.2 采光分析

(1)采光分析

采光設計應充分發揮建筑物本身所具有的自然條件，自然光是供人類使用的最好光源，充分利用天然采光也可有效達到綠色節能效果，使建筑設計本身更加貼近綠色節能理念。為了更好地適應室內人員需要，當天然采光不能滿足照明要求時，可通過調整窗墻比，擴大房間透光度，或采用透光效果更好的玻璃窗，也可根據工程的地理位置、日照情況進行分析，合理地選擇導光或反光裝置，必要時采用人工照明； 當天然采光過強時，則可對窗子做相應的遮光設施，如：窗簾、百葉、遮陽板等。

此案例窗框和玻璃才分別采用了市面上最常見的單層鋁窗和普通玻璃，拾取圖紙中窗編號和窗的尺寸，輸出窗的可見光透射比和玻璃反射比數據如表7。

表7 采光計算數據

窗編號寬度(mm)高度(mm)窗框類型玻璃類型可見光透射比玻璃反射比C12261 350.003 000.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C12241 200.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C12321 200.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15111 500.001 100.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15141 500.001 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15181 500.001 800.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15241 500.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15321 500.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C18242 100.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21152 100.001 500.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21242 100.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21322 100.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C36323 600.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C45244 500.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08MLC45302 250.003 000.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08

表8 房間采光數據計算結果

(2)采光分析結果

依據《建筑采光設計標準》分析建筑物采光情況，房間采光數據計算結果如表8所示，滿足采光條件的房間有33個，滿足采光要求比例是62.26%，但是從房間的使用功能上來說，儲藏室、會議室、衛生間等人活動不多的房間對采光需求較少，這是采光設計需要考慮的因素。背陰面的房間不可避免的會有采光不足的問題，但是通過擴大窗戶的面積，使用反光裝修材料等手段可以明顯地提高房間的采光率。

4.3 日照分析

(1)日照分析

日照分析中有效日照時間帶是主要分析要素之一，它規定了有效日照時間的范圍，從而可以更好的利用自然條件為建筑進行節能設計。根據《建筑氣候區劃標準》可知河北廊坊屬于一級區劃第Ⅱ類建筑氣候區，春、秋季節短促，夏季日照長，則冬季日照時間短。本案例采用的軟件取用《北京市建筑日照計算標準》，有效時間帶為北京市大寒日和冬至日8:00～16： 00時。分析中分別采用了陰影輪廓分析、等日照分析和窗照分析，對建筑物的陰影輪廓分析在日照分析中至關重要，一個建筑并不會孤立存在，周圍的建筑群對其日照分析產生著直接的影響。

通過日照分析軟件，模擬建筑物陰影，并形成不同時刻的陰影輪廓，從而觀察某一時刻或全天在某個特定平面和立面上的陰影，如圖2所示，從而更加科學的判斷建筑物是否符合綠色節能標準。

在一個建筑物的周圍必定會有或高或矮的建筑群存在，這些建筑對主建筑的影響也是不容忽視的，在此案例中對周圍可能存在的建筑進行了簡單的模擬，主要研究周圍建筑對主建筑的遮陽影響。建筑物遮擋關系如圖3所示。

針對建筑物被遮擋情況還可以做詳細的分析——光線分析，計算通過某個位置點的光線和產生該光線的時刻如圖4所示，也可根據顏色簡單看出日照強弱分布。

圖2 陰影輪廓圖

圖3 建筑物遮擋關系示圖

圖4 等日照線圖

(2)窗照分析

此分析方法充分體現了日照有效時間帶對建筑物的影響。軟件拾取功能可對圖紙中的窗進行拾取，并對每層窗戶進行編號，方便對建筑物每一扇窗進行具體的把握，計算高度從建筑外地坪1.35m處算起，若首層沒有日照要求，其計算高度從窗臺算起。本案例建筑物前無遮擋建筑，且首層沒有特殊日照要求，所以從窗臺高度1.35m處計算，對窗戶的日照情況進行計算分析，并給出詳細報表如表9所示，可以清晰地看出一層9號和二層14號兩個位于北面的窗戶無日照，二層2號和三層1號兩側的窗戶日照時長明顯短于其它窗戶。

表9 計算條件

窗日照分析表層號窗位窗臺高(m)日照時間日照時間總有效日照11～51.3508: 00～16:0008:0061.3508: 29～16:0007:3171.3508: 56～16:0007:0481.3509: 40～16:0006:2091.3510: 48～11:0200:0021～25.8508: 00～16:0008:0025.8512: 58～16:0003:023～105.8508: 00～16:0008:00115.8508: 29～16:0007:31125.8508: 58～16:0007:02135.8509: 40～16:0006:20145.8510: 48～11:0200:003110.3512: 58～16:0003:022～710.3508: 00～16:0008:00810.3508: 29～16:0007:31910.3508: 58～16:0007:02分析標準冬至3h; 地區:北京; 時間1月5日(小寒)08:00～16: 00; 計算間隔: 1分鐘

(3)日照分析結果

通過對建筑陰影輪廓分析、等日照分析和窗照分析可知，此建筑所處建筑群無正面遮擋建筑，朝陽面在有效日照時間內均有日照。日照對建筑的節能和采光有著顯著的影響，對于建筑背陽面的空間應更加注重采光和節能的設計。

5 結論與展望

本文運用斯維爾BIM綠色建筑軟件對廊坊市某辦公樓的節能、日照、采光三個方面進行分析，把結果以數據和影像的形式展現出來，使人更加具體直觀地看到此建筑的分析結果。根據節能數據和結果，可對建筑進行更加合理的采暖通風空調設計等； 根據采光和日照數據，有利于合理使用房間，或對其有特殊要求的房間進行適當的調整，如：儲藏室和衛生間可放在北面房間，或通過調整門窗大小、增設窗簾、百葉進行遮擋等方法，使其滿足房間使用要求，并做到更優的綠色節能，為人們創造更為舒適的生活工作環境。

隨著我國居民生活水平的不斷提高，過程復雜、誤差較大的傳統綠色建筑設計方法，將不再適用于現在的大規模、精細化的綠色建筑計算要求，人們更加看到BIM技術在建筑行業項目實施中對比傳統技術有很大的便利性和準確、全面的特點。BIM技術把綠色建筑分析所需要的信息集中處理。本文所采用的方法簡單、高效，為今后本地區的廠房、醫院、樓盤等綠色建筑設計提供了有利依據和參考標準。