基于BIM 技術的外保溫體系熱橋熱工性能分析研究

張廣平 任子婷

（吉林建筑大學 建筑與規劃學院，吉林 長春 130022）

伴隨著國家經濟的不斷發展，大量建筑譬如住宅、公建、商場等也不斷產生，每年的建筑所消耗的能量折合成電力來算的話，大概有2.3 萬億度電，建筑物的耗能主要來自于北方城市取暖、大型公共建筑、普通住宅與公建的非取暖耗能例如照明、家電等以及農村生活耗能等。我國目前的能源較為匱乏，按照經濟的發展速度，建筑的不斷發展，后期建筑用能會越來越高，所以目前我國應該尋找一條適合自己的節能發展道路，增強可持續發展的能力。而我國目前使用的以石材幕墻為代表的的新型熱橋在熱工性能方面還存在著較大的問題，所以，對于熱橋技術的創新研究發展在今天能源大量消耗的情況下就顯得尤為重要。

1 BIM 技術介紹

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling），又稱建筑信息模擬，其構成的建筑工程信息模型支持新產品開發管理，并且可由計算機應用程序直接解釋，即把建筑環境數字化，其把建筑設計與建筑工程匯總的各個專業組成一個統一的整體。其具有可視化、協調性、模擬性、優化性的特點。對于BIM技術的應用，就是建筑師在一個三維的環境里建造一個建筑設計模型，這個模型包含了全面的建筑設計信息，其可以在里面添加虛擬的參數設置，可以自由選擇造價、性能、材質、尺寸[1]。其無論是在觀感還是在專業上來說，都是非常精確的。通過對BIM 的技術的應用，設計人員以及建筑人員可以很好地理解建筑中的各種工程數據，使得各方面協作更加便利、精確。

2 熱橋熱工性能研究的重要性

2.1 常見熱橋結構的熱工性能影響

當今時代人們也已經開始注意到建筑的圍護結構影響著能源的消耗問題，一些建筑上面也開始應用這方面的設計，對于建筑熱橋的熱工性能影響非常明顯。常見的熱橋有八大類，分別是墻熱橋、柱熱橋、門熱橋、窗熱橋、樓板熱橋、屋頂熱橋、陽臺熱橋及其它熱橋。各個熱橋的位置詳見圖1.1

圖1.1 熱橋的常見結構

其每個熱橋的形式以及特點如下：

W-P 墻熱橋，其形成的原因是內外墻體吸放熱面積不同和材料的不同，其危害是影響墻的保溫性能；W-C 柱熱橋，其形成的原因是鋼筋混凝土柱與外墻或內墻相接觸所形成的傳熱性能的不同，其危害是在框架結構和框剪結構中熱橋危害更大；W-D 們熱橋，其形成的原因是門材料與墻體材料傳熱特性的不同；W-W 窗熱橋，其形成的原因是，上窗熱橋是由于窗上有過梁，其只在砌體中存在，側下窗熱橋是由于窗戶型材與主墻體傳熱性能差異，其危害是幕墻熱橋成為窗熱橋的主要形式；W-F 樓板熱橋，其形成的原因主要是樓板與梁、主墻體間相接觸；W-R 屋頂熱橋，其形成的原因是屋頂和房間圈梁相接觸形成傳熱不均的現象，其危害在于女兒墻熱橋也是屋頂熱橋中常見的一種形式；W-B 陽臺熱橋，其形成的原因是，復合保溫墻體，陽臺處外墻保溫材料被切斷，其危害在于開式陽臺比閉式陽臺熱橋更為明顯；其他熱橋指的是遮陽熱橋、天窗熱橋等[2]。

2.2 以石材幕墻為代表的新型熱橋效果不理想

石材作為一種新型的建筑外墻的一種圍護結構，其具有抗風壓、防雨水的功能，并且還有一定的保溫和隔熱的效果，在隔音和透光效果方面也很不錯，其對于整個建筑外墻的熱工性能影響很大，一定地提升了熱工性能，在外保溫體系中非常重要。但是在以往的設計當中，大部分的建筑師沒有利用好石材其保溫和隔熱的效果，國家對于石材的熱工設計計算也沒有相應的規定，因此，外墻熱工性能系數的計算只考慮了墻體的傳熱系數，并沒有考慮石材的影響。而且目前國內對于石材幕墻的施工主要是干式的施工方式，這種施工方式將一些保溫的材料采用一些固定、龍骨以及埋件的方式進行連接，這種方式使得建筑更加的安全和牢固，但是通過龍骨保溫層被削弱，產生熱橋，如果選擇了不恰當的材料或者是施工不當，可能會導致火災。

3 用BIM 方法研究石材幕墻熱橋傳熱

隨著計算機技術的不斷發展，計算機在建筑領域的應用不斷增多。從1965 年開始設計師們就開始了對建筑環境以及控制系統進行動態模擬研究。初期主要產生了一些簡單的動態傳熱算法，例如度日法、bin 法等。在七十年代以后，計算機的高速發展更是推動了模擬技術以及計算機軟件的發展，先后出現了BLAST 以及DOE-2 這兩款軟件。再后來的發展中，又接著出現了TRNSYS 和HVACSIM+這兩款軟件。這些模擬軟件，均用的是一維或者二維處理，過于簡單，在處理熱橋傳熱的時候會帶來較大的誤差?，F在大多數的設計師用的是CAD 技術來解決一些三維的問題，用多個二維來表達建筑整體，雖然具有一定的效果，但是經常不準確的設計修改耗費了大量的時間和人工，我國目前很多都是采用CAD 加3Dmax 一起來進行操作，但是仍然存在著上述問題，既花費了大量的時間，圖紙也不甚精確[3]。新形式的熱橋，在實際的測試中很容易出現誤差，其迫切需要一種新的軟件進行模擬。進入到新世紀后，BIM 的誕生，為熱橋傳熱的測試以及模擬帶來了很大的影響。相對于現大多數用的CAD，其具有的可視化、協調性、模擬性、優化性使熱橋傳熱的模擬變得更加的準確。

4 熱橋傳熱實測研究

4.1 能耗模擬軟件介紹

本文將選用ANSYS 軟件進行模擬，其是由美國的John Swanson 博士發明的軟件，因為其自帶建模與分析系統，是一種應用BIM 技術進行建筑分析的先進軟件。

4.2 測試熱橋傳熱系數方法

目前我國現場測試熱橋傳熱系數中多采用以下三種方法：熱箱法、熱流計法、紅外熱成像檢測法。

4.3 測試對象描述以及測試方法介紹

本次測試選取了某小區商業區的一角進行，測試時間共48 小時，本次實驗主要測量該建筑物的室內和室外的溫度、石材表面的溫度、石材幕墻連接件溫度、測試墻體內外表面溫度以及熱橋和非熱橋部位的熱流強度。室外溫度測量時，要在百葉箱內放置溫度計，室內溫度測量時，在房間中央1.5m處進行測量。在熱橋與非熱橋部分分別設置測試點，以此來對比石材幕墻熱橋部位與非熱橋部位的熱流強度。第一測試點測試熱橋部位，第二測試點測試非熱橋部分。并且，在石材幕墻的內外以及內部的熱橋和非熱橋的部位設置6 個溫度測試點。

4.4 測試結果分析

經過測試，我們得出了以下結果。

四個測點的溫度與空氣的溫度基本一致，說明了熱橋外表面溫度與普通的保溫層外表面溫度以及石材內表面溫度很接近。

測溫點5 的溫度比測溫點6 的溫度要低，說明在測溫點5 的部位受到石材幕墻熱橋影響較大，流出了較多的溫度，測溫點6 溫度與室內溫度更加接近，說明其保溫做得比較好。

測溫點1 的熱流量最大，可達到平均31.132W/m2，測溫點2 的熱流密度小很多，平均為21.347W/m2，說明熱橋對于外圍傳熱的影響很大。通過石材幕墻熱橋，室內溫度大量流入室外，對于建筑節能造成了很大的影響。

5 傳熱模擬石材幕墻熱橋

5.1 石材幕墻熱橋節點建筑模型的搭建

干掛石材幕墻一般是由埋板、鐵質龍骨、連接件、掛件和石材組成。此次模擬選用石材幕墻尺寸為12000*9000，分格尺寸為600*1000。

在ANSYS 中建立石材幕墻熱橋模型，BIM 技術的應用基于對信息化模型的深度利用，將模型導入ANSYS 軟件中，建立熱橋節點模型，其由外部環境溫度、石材、石材與墻體間中間層、貫穿式連接件、埋板、建筑物墻體以及室內環境溫度幾方面組成。

干掛石材幕墻熱橋的模型可分為4 層，由內到外分別是墻體、巖棉保溫層、空氣層、石材層。

石材幕墻邊界條件設定，如表5.1

表5.1

5.2 石材幕墻模型分析

本次模擬室外溫度為-5℃，室內溫度為18℃，空氣層密閉，在該計算參數下，我們得到了以下的結果。

石材層的溫度分布為-4.475℃～-2.434℃，在熱橋部位的溫度比其他部位高，說明熱橋傳遞的熱量在石材層表面導出。并且熱橋部位的熱流強度很大，說明了石材層散熱明顯?？諝鈱釉跓針蛴绊懴拢瑹崃繐p耗較大。巖棉層與墻體：墻體溫度以及熱流的分布于巖棉層類似，接近熱橋的部分溫度會偏低，熱流強度大。這種模擬的結果證明了石材幕墻熱橋會對墻體的保溫帶來不利的影響。

6 結論

隨著人們對于建筑能耗的關注，人們對于建筑的保溫性能看得越來越重，計算機技術的飛快發展，為設計師們帶來了諸多的模擬分析方法，基于BIM 技術的三維建筑模擬軟件的使用，提高了對于熱橋熱工性能分析的效率。本文通過對BIM 系統模擬熱橋傳遞問題的研究，通過分析以往的研究手段，采用了實地探究加上計算機軟件模擬的方法，印證了利用BIM 技術對外圍護結構傳熱問題的解決的方法。