基于BIM 的綠色建筑能耗管控核心技術(shù)研究

宋永朋，張艷

（青海省創(chuàng)業(yè)發(fā)展孵化器有限公司，西寧 810001）

1 引言

BIM 技術(shù)是科學(xué)技術(shù)，尤其是軟件技術(shù)不斷發(fā)展而衍生的產(chǎn)物，將該技術(shù)應(yīng)用在建筑工程中，可以以數(shù)據(jù)化的方式對建筑信息進行整合，并通過模型的方式加以呈現(xiàn)，為綠色建筑的能耗管控工作帶來了便利，提高了綠色建筑的設(shè)計、施工和運維效率，促進了建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 BIM 技術(shù)與綠色建筑能耗管控

2.1 室外環(huán)境分析

室外環(huán)境對建筑性能的主要影響因素包括熱、光、風(fēng)、聲4種，GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》提出居所外部熱島強度的均值應(yīng)當(dāng)保持在1.5 ℃。外部環(huán)境噪聲情況也是對綠色建筑進行監(jiān)測的主要標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)文件也對其進行了明確的規(guī)定[1]。為了能夠達(dá)到綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)，可以利用BIM 技術(shù)構(gòu)建三維立體可視化的項目模型，然后將熱、光、風(fēng)、聲4 種因素以模擬的方式導(dǎo)入模型之中，以此來對施工、竣工后的建筑是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗與分析，然后利用分析結(jié)果來對實際施工、運營等工作進行指導(dǎo)。通過Revit 軟件所構(gòu)建的3D 模型在導(dǎo)出時可以選擇dwf、gbxml 等多種格式，以此來通過多種解析程序進行全面分析，避免重復(fù)建模增加的時間成本，并且能夠提升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。隨著BIM 技術(shù)的不斷升級，其分析能力、兼容能力也會不斷提升[2]。

2.2 BIM 優(yōu)化設(shè)計與能源節(jié)約分析

綠色建筑的重要評價標(biāo)準(zhǔn)就是能源節(jié)約與能源利用，通過利用BIM 技術(shù)進行3D 可視模型的構(gòu)建，然后導(dǎo)出形成特定格式，并進行能耗解析模擬計算程序的導(dǎo)入工作，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)格式，根據(jù)相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)，以及建筑所處位置的環(huán)境條件，運用能耗分析程序來獲取模型解析數(shù)據(jù)，建立可視、直觀且可用的模型，最后根據(jù)模擬結(jié)論優(yōu)化相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，從而達(dá)到綠色建筑設(shè)計預(yù)期節(jié)能目的。還可以運用BIM 模型解析外部光照輻射問題，對輻射的強度進行模擬分析，以最大限度地運用太陽能為目標(biāo)對太陽能裝置布設(shè)進行優(yōu)化設(shè)計；根據(jù)外部植被特性來對其進行優(yōu)化布設(shè)；研究內(nèi)部自然采光，充分利用太陽光進行照明，減少人工照明所造成的能源消耗。

2.3 BIM 碰撞檢查與材料資源節(jié)約分析

對綠色建筑體系進行測評時，對于建設(shè)時所運用的建材源頭與占比也進行了較為細(xì)致的規(guī)定，比如，施工現(xiàn)場500 km范圍內(nèi)廠家所產(chǎn)出的建筑材料總量應(yīng)當(dāng)保持在總體建筑材料數(shù)量的60%；在保證施工安全且不會對環(huán)境產(chǎn)生污染的前提下，可以多次、重復(fù)、循環(huán)使用的建筑材料應(yīng)當(dāng)占總體建筑材料的10%。雖然現(xiàn)階段還沒有技術(shù)能夠?qū)Σ牧系馁|(zhì)量進行精準(zhǔn)、快速的核算，尤其是某些較為復(fù)雜的工程，核算難度更大，但是BIM 技術(shù)本身具有較為龐大的信息資源庫，且在材料統(tǒng)計方面也具有較高的效率，能夠?qū)Ω黝愋筒牧纤杩偭窟M行快速的核算，核算結(jié)果能夠用于指導(dǎo)施工階段的用料工作，使建筑也更加符合測評標(biāo)準(zhǔn)。同時，可通過利用BIM 技術(shù)和3D模型對施工過程中可能會產(chǎn)生沖突碰撞的設(shè)計進行檢驗，并及時修正，以此減少實際施工過程中的返工所造成的材料浪費現(xiàn)象，達(dá)到材料資源節(jié)約的目的。

2.4 室內(nèi)環(huán)境分析

室內(nèi)環(huán)境主要包括風(fēng)、光、聲、熱4 個部分[3]，需要在能耗管理過程中對其進行精準(zhǔn)的解析工作，然后借助3D 立體可視化模型對其進行精準(zhǔn)的展示。通過解析內(nèi)部空間通風(fēng)情況對內(nèi)部空氣質(zhì)量、污染情況進行全面了解，以此對窗戶大小、布設(shè)位置以及數(shù)量等進行合理的調(diào)整，優(yōu)化內(nèi)部通風(fēng)環(huán)境。例如，通過對內(nèi)部光環(huán)境進行解析能夠?qū)?nèi)部空間的照度、眩光值、色指數(shù)等多項指標(biāo)進行判定，確保其滿足內(nèi)部空間環(huán)境的需求；通過解析內(nèi)部噪聲情況調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的隔音設(shè)計，確保內(nèi)部噪聲被控制在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。室內(nèi)環(huán)境分析與室外環(huán)境分析具有相同點，都可以通過BIM 構(gòu)建立體可視化的3D 模型，然后將相關(guān)模型各自導(dǎo)入分析程序之內(nèi)來完成上述解析，達(dá)到優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的目的；室內(nèi)熱濕環(huán)境評價的主要依據(jù)為GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》中5.2.9 條第2款要求，采用計算流體動力學(xué)（CFD）得出室內(nèi)流速分布和溫度分布，進而得出室內(nèi)熱濕環(huán)境評價指標(biāo)分布，并進行達(dá)標(biāo)比例計算。

2.5 BIM 運營與能耗管理

BIM 技術(shù)的核心是參數(shù)化、信息化的三維模型，對相關(guān)專業(yè)信息進行整合后能夠以可視化、參數(shù)化、數(shù)字化的方式表達(dá)建筑實體工程項目的特性，確保整個建筑過程中所呈現(xiàn)的信息形態(tài)對稱，且能夠為綠色建筑提供實時且持續(xù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，滿足綠色建筑運維管理的需求。比如，需要對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進行維護時，工作人員需要全面地對建筑空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模、布設(shè)以及鄰近設(shè)施情況進行了解，從而制訂高效的維護方案，避免因為信息掌握不全面而造成的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的損害。

3 綠色建筑能耗數(shù)據(jù)挖掘和分析利用

3.1 綠色建筑能耗數(shù)據(jù)計算

A 市某綠色辦公建筑綜合樓，建設(shè)主體功能為辦公、會議，建筑總面積為37 896.78 m2，總高度為90.6 m，22 層。以下將以綠色建筑評價指標(biāo)為依據(jù)，結(jié)合BIM 技術(shù)來制定建筑各項目的能耗數(shù)據(jù)，并以此為參考，對熱工性能進行分析。

本項目采用清華斯維爾的BESI 軟件作為熱環(huán)境模擬計算工具，BESI 軟件可作為評價標(biāo)準(zhǔn)中計算相關(guān)節(jié)能率評分項的配套工具，以及用于測評機構(gòu)或設(shè)計單位進行能效測評工作，同時，還可以對建筑年運行能耗進行全面的模擬計算和分析預(yù)測，是國內(nèi)常用度和專家認(rèn)可度最高的能耗計算工具。表1為采用該軟件計算的年度累計耗冷耗熱量。

表1 年度累計耗冷耗熱量

進行節(jié)能測評的基本要求是被測評建筑年度累計冷熱消耗總量低于參考建筑。案例項目中圍護結(jié)構(gòu)整體熱工性能對比參考建筑相對較高，案例項目外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能已經(jīng)滿足設(shè)計要求。但依據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，圍護構(gòu)造熱工性能還可進行優(yōu)化，使整體能耗量下降。

通過逐時的方式對建筑整年空調(diào)系統(tǒng)的耗冷量、耗熱量，以及空調(diào)體系整年冷熱消耗總量進行核算，其累計數(shù)值見表2。

表2 空調(diào)系統(tǒng)整年累計冷熱消耗總量kW·h/m2

該建筑空調(diào)系統(tǒng)整年的冷熱量消耗值小于參照建筑物整年的冷熱消耗量，在設(shè)計上滿足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)。

圍護結(jié)構(gòu)部分整體熱工性能比參考建筑要低，而且建筑整年冷熱量消耗也低于參考建筑，因此，本項目圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能是完全滿足用戶設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的。本項目以綠色建筑評價二星標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計，要求達(dá)到圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能率提升10%的標(biāo)準(zhǔn)，因此，冷熱消耗總量效果優(yōu)異。

3.2 基于BIM 運維能耗數(shù)據(jù)的綠色建筑優(yōu)化

在綠色建筑營運時期進行能耗管理，需要利用BIM 技術(shù)對建筑的能耗數(shù)據(jù)進行解析，展現(xiàn)建筑運行效能，從而對建筑能耗進行實時的節(jié)約管理。

3.2.1 分析照明體系

對照明體系技能進行測評需要在照度相同的條件下進行，只有空間內(nèi)照明裝置的功率、亮度都能夠達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)時才能夠?qū)ㄖ?nèi)部所有照明體系功率消耗與設(shè)計中最高照明體系功率進行對比判斷。照明體系所消耗的功率總量應(yīng)當(dāng)小于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求，這也是照明體系考核評價的基礎(chǔ)。

利用BIM 技術(shù)進行采光模擬可知，建筑白天采光可達(dá)到用戶的需求，能夠?qū)φ彰魉a(chǎn)生的能耗進行有效控制。但仍然有部分空間內(nèi)無法獲得自然光進行照明。由于建筑自身對照明的要求并不高，且空間設(shè)計凈高充分，因此，只要不會干擾視線，應(yīng)當(dāng)盡量將高窗打開來進行自然光線的導(dǎo)入，從而達(dá)到減少照明能耗的目的。

3.2.2 空調(diào)系統(tǒng)分析

空調(diào)系統(tǒng)的主要作用是滿足建筑內(nèi)部人員對冷熱、換氣、通風(fēng)的需求，通過對空調(diào)系統(tǒng)進行合理優(yōu)化設(shè)計能夠為建筑內(nèi)部人員提供溫度舒適的環(huán)境。同時，還需要合理地對系統(tǒng)進行分區(qū)處理，讓空間溫度盡可能地保持在均衡的狀態(tài)，不能太冷，也不能太熱；在空氣流通過程中，也需要盡量避免出現(xiàn)冷熱相抵的現(xiàn)象。在設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)的過程中，運用BIM 綠色節(jié)能技術(shù)不能僅對施工情況進行考慮，還需要對系統(tǒng)整個運行過程進行分析，而且在進行設(shè)備型號選擇時，還應(yīng)當(dāng)從合理負(fù)荷、技術(shù)經(jīng)濟2 個方面進行合理分析。對負(fù)荷進行分析時，需要考慮運行耗能與負(fù)荷波動現(xiàn)象，以此來提升系統(tǒng)運行的合理性。比如，對空調(diào)系統(tǒng)的蓄能體系加以改進，對負(fù)荷所需“低谷”廉價電力進行充分運用。

4 結(jié)語

本文通過相關(guān)的案例項目，對綠色建筑的能耗數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析計算工作，然后，基于BIM 技術(shù)提出了綠色建筑運維能耗數(shù)據(jù)優(yōu)化的相關(guān)建議，并對BIM 技術(shù)在優(yōu)化綠色建筑能耗管控方面的發(fā)展前景進行了相應(yīng)的分析，期望能夠促進BIM技術(shù)推動綠色建筑的發(fā)展，以及建筑行業(yè)的全面進步。