基于BIM 技術的全生命周期綠色建筑評價研究

孫德熙，王聰聰，杜培群，藺漢清，于慧俐

青島理工大學，山東 青島 266033

我國建筑行業發展迅速，市場龐大，而建筑能耗也更加受到人們的關注。運用BIM 技術，對建筑環境（建筑負荷，建筑采光，建筑日照，建筑風環境）進行模擬分析，采集綠色建筑的全生命周期數據，大大提高了綠色建筑節能設計的可靠性。

1 BIM 用于綠色建筑分析的優勢

BIM 技術即建筑信息模型技術，本質上是一種基于數據庫的建筑工程信息化解決方案，而不僅僅是三維建筑模型。綠色建筑要求建筑從規劃、設計、施工、運維到廢棄等各個階段，都實現節約資源與能源、減少污染排放。根據這些定義，可以進一步分析出BIM 技術在綠色建筑應用中的優勢。

1.1 覆蓋建筑的全生命周期

由上文所述，綠色建筑對全生命周期中的每個階段都提出了較高要求。在規劃時，要考慮建筑的選址、地勢、周邊能源條件，以及建筑群的室外風環境、日照情況等。在設計階段，需要明確圍護結構的熱工特性，以及空調系統設計方案等。在運行維護階段，建筑內部的照明、設備、人員變化，以及外部的氣候變化都會對能耗帶來影響。在建筑拆除階段，需要統計建筑廢物的材料、種類和數量。以上種種信息，都是綠色建筑應用過程中對能耗和污染排量產生主導影響的參數［1］。而BIM 技術恰巧具有強大的建筑相關數據統計和處理功能，可實現數據的精細化儲存和實時化修正，也可將建筑模型中的每個圖元進行數字化導入導出，便于互聯其他軟件，進行綠建指標的模擬計算。

1.2 各專業協同工作

傳統建筑設計模式下，建筑、結構、暖通、機電等各專業需按照一定的先后順序依次開展工作，專業之間的不了解會帶來不可避免的誤會與矛盾，往往需要大量地修改返工。同時，設計、施工和運行階段也相互割裂，信息共享不順暢、不精準。BIM 技術則可以通過數據網絡的互通共享改善這些問題。各專業可在同一模型內同時進行設計，并實時提出修改意見，縮短設計周期。在設計階段可以通過模擬施工、模擬計算等手段尋找謬誤、迅速改正，減少施工返工帶來的額外工作量。在運行階段也可參考設計與施工參數，因地制宜地確定運行方案。

1.3 可視化

BIM 技術在3D 建模方面有突出的優勢，可在平、立、剖面圖的基礎上形成精細的立體模型，還可對各構件、機電設備管件進行空間位置的碰撞檢查，并導出三維漫游視圖，有利于施工人員更加形象地了解設計方案，進行準確施工。綠建分析軟件的基礎往往都是建筑的三維模型，只要通過一定的模式將BIM 模型導出為軟件可以識別的格式，就可直接進行分析，避免二次建模的麻煩。

2 BIM 綠色建筑信息模型數據標準

主流的BIM 綠建信息標準有IFC 與gbXML。IFC 標準存在一定的問題，包括無法精準定義某些建筑實體、模型與分析軟件之間互通性較差等，因此不能很好地滿足協同工作、數據共享的要求。為此，gbXML 標準應運而生，該格式可將BIM 建筑模型的綠建信息完整導出，直接應用于其他綠建分析軟件。現在最新的gbXML 版本為2017 年1 月發布的6.01，其包含的主要節點元素如表1 所示［2］。

3 BIM 技術在綠色建筑的工程實例

表1 gbXML 主要節點元素介紹

3.1 工程概況

以某3 層辦公樓作為應用對象，設計地點為青島市，建筑面積約2057m2。建筑BIM 模型如下圖所示，使用的綠建分析軟件有鴻業全年負荷計算及能耗分析軟件、鴻業CFD 風環境模擬軟件、鴻業日照分析軟件［3］。

圖1 建筑BIM 模型示意圖

3.2 建筑負荷與能耗分析

通過對全年逐時負荷的模擬計算，得到了冷、熱負荷的設計值與最大值，如表2 所示。

表2 負荷結果統計

將該建筑的制冷季設定為5 月1 日至9 月30 日，采暖季設定為11 月15 日至3 月15 日，其余時間為過渡季。排除過渡季之后，全年逐時負荷的分布情況如下圖所示。

圖2 全年逐時負荷

可以看出，建筑的熱負荷與常規建筑相比較大，冷熱負荷比有些偏低，冬季保溫措施需要加強，比如采用外墻復合保溫材料、空氣滲透量小的門窗等。

對建筑空調系統進行能耗模擬。冷熱源采用空氣源熱泵系統，末端采用風機盤管+獨立新風系統。同時，根據相關規范的要求選定一參考系統，冷熱源采用電制冷機、熱水鍋爐，與設計系統進行對比。系統能耗結果如下表所示。

表3 能耗對比結果

結果顯示該建筑空氣源熱泵系統節能幅度達到46.92%，有很好的實際應用價值。

3.3 風環境分析

本部分的主要目的是模擬建筑周邊室外風環境以評價是否滿足綠色建筑評價標準的要求。

夏季工況下，1.5m 人行高度主要活動區域通風流暢，周圍沒有形成較大的渦流區域。風速基本都處于合理的范圍之內，風速分布在0～4.6m/s 之間，弱風區較少，非常適合人們在室外進行活動。風速放大系數在0～1.5 之間，均小于2，滿足要求。迎風側高層建筑前后表面靜壓差均在5Pa 以上，有利于夏季室內自然通風。

圖3 夏季1.5m 高度風速云圖

冬季工況下，人行高度通風流暢，冬季風環境較好，局部風速分布在5m/s 以上，不滿足標準要求。風速放大系數在0～1.6 之間，均小于2，滿足要求。冬季風最多風向情況下最高層門窗內外壓差均在5Pa 以上。綜上所述，該建筑在冬季需要采取一定的防風措施。

圖4 冬季1.5m 高度風速云圖

3.4 日照分析

太陽輻射對建筑負荷以及室內采光都有重要影響，需要考慮建筑之間的遮擋、朝向等因素對日照的作用。對該建筑及周邊建筑群進行日照分析，得到日照等時線。分析結果顯示，該建筑南向和西向的周邊地面日照時數在2-4h 之間，最低層也能獲得良好的日照；北向由于建筑自身的遮擋，日照時數為0，無法獲得有效日照；紅線范圍內的大多數其他建筑在北向之外均能獲得良好的日照。

進一步對主建筑室內房間進行窗日照時間分析，統計結果如下表所示。結果表明，各窗位最不利條件下總有效日照時間基本在2h 以上，或接近2h，可以較好地滿足室內采光需求。

表4 窗日照時間分析

4 結語

本文對BIM 技術在綠色建筑領域的優勢進行了論述，簡單介紹了BIM 技術在綠色建筑信息方面的數據標準，并且以實際建筑為例對BIM 綠建設計分析進行了應用。結果表明，BIM 技術與綠色建筑分析技術有很好的協同效果，且將BIM 技術用于綠建分析，可多方位地發現建筑節能潛力，有利于設計人員提出有效的節能措施。二者的有機結合可以科學構建綠色建筑的環境評價體系，有助于推動綠色建筑在全社會更好地推廣，具有顯著的經濟價值和社會意義。