基于BIM的辦公樓節能設計與應用研究

朱 寶，黃展華，王慶雨

(1.滁州職業技術學院 建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2.廣州南方測繪科技股份有限公司合肥分公司，合肥 230009)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術是近年來受到廣泛關注的可綜合各類建筑工程項目信息來建立三維建筑模型的技術。BIM技術的應用可貫穿到建筑的整個生命周期，同時可以將各個不同階段的信息進行收集與整合[1]，在現代化建筑施工方面進行了較多的創新設計，也促使建筑行業的施工趨于更加精細化和專業化方向發展[2]。隨著BIM技術的發展，在實際建筑工程設計中使用BIM技術已被證實能夠極大提升設計效果，而將BIM技術應用于建筑節能設計方面的報道較少[3-5]。本文擬通過對鋼筋混凝土結構的辦公樓進行節能設計，在借助BIM建模優化建筑節能設計方案的基礎上，對比分析了原方案與優化方案的節能效果與各項改進措施，結果可為建筑節能設計提供必要支撐。

1 辦公樓設計原方案

圖1為辦公樓設計原方案的BIM模型，包含模型圖和渲染圖，建筑布局為長方形，占地面積為88 m×55 m，樓高19.6 m，5層建筑，室內設計有辦公室、自習室、閱覽室和會議室等，將結構和材料參數等通過Gbxml軟件導入后采用Design Builder軟件進行能耗分析[6]。其中，外圍護結構類型包括外墻、外窗、屋面和天窗，外墻由18 mm水泥砂漿、180 mm澆筑混凝土、98 mm聚苯板、18 mm石膏板和18 mm水泥砂漿組成(傳熱系數K值為0.317 W·m-2·K-1)，外窗由聚乙二醇透明玻璃2.8 mm、12.8 mm空氣層和普通透明玻璃2.8 mm組成(傳熱系數K值為2.07 W·m-2·K-1)，屋面由9.8 mm瀝青、玻璃棉、190 mm澆筑混凝土和12.8 mm石膏板組成(傳熱系數K值為0.261 W·m-2·K-1)，天窗由普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空氣層、普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空氣層和普通透明玻璃2.8 mm(傳熱系數K值為2.189 W·m-2·K-1)。

(a)模型圖

在BIM模型中將辦公樓中的所有能耗都轉化為電力消耗，并進行統計分析[7]，結果見表1。表中分別列出了室內照明、外部照明、室內設備、外部設備、水系統、加熱和冷卻系統的電力消耗情況，可見，水的總消耗約為974.10 m3、區域冷卻總耗能為432 569.42 kW·h、區域供熱總耗能為878 776.99 kW·h、電力消耗總耗能為1 695 590.90 kW·h。

表1 辦公樓原方案中的電力消耗

2 基于BIM的節能設計優化方案

表2 辦公樓節能設計初步方案

在采用BIM技術對辦公樓進行節能優化設計時，需要綜合考慮外墻傳熱系數、屋面傳熱系數、外窗傳熱系數、天窗傳熱系數、窗墻比和通風換氣次數等，每種方案(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)下設計了4種優化組合方案。在建筑方案Ⅰ～Ⅳ的基礎上進行節能優化設計，找出建筑方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的Pareto最優解組合方案[8]，組合方案1～16的優化參數見表3～6。

表3 建筑方案Ⅰ組合優化參數

表4 建筑方案Ⅱ組合優化參數

表5 建筑方案Ⅲ組合優化參數

表6 建筑方案Ⅳ組合優化參數

表7為辦公樓節能設計優化組合方案的耗能統計分析結果，分別將建筑方案Ⅰ～Ⅳ的組合方案1～16的能耗分析結果進行了統計分析[9]。建筑方案Ⅰ的組合方案1～4的全年總能耗分別為376.35×107，321.07×107，316.06×107，310.46×107W·h，建筑方案Ⅱ的組合方案5～8的全年總能耗分別為388.24×107，384.71×107，315.95×107，298.54×107W·h，建筑方案Ⅲ的組合方案9～12的全年總能耗分別為389.84×107，329.27×107，328.20×107，315.55×107W·h，建筑方案Ⅳ的組合方案13～16的全年總能耗分別為320.68×107，362.41×107，297.54×107，315.95×107W·h。對比分析可知，方案4在建筑方案Ⅰ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4種組合方案中全年總能耗最低。整體而言，建筑方案Ⅳ的組合方案15具有最低的全年總能耗面積指標(最佳方案)，建筑方案Ⅰ的組合方案3由于具有較低的全年總能耗面積指標且舒適度改善效果明顯[10-11]，可作為折中方案。

表7 辦公樓節能設計優化組合方案的耗能統計分析結果

根據辦公樓節能設計優化組合方案的耗能統計分析，表8為建筑節能設計方案對比分析結果。表8中分別列出了原方案、折中方案和最佳方案的形體系數、朝向、平面形態、外窗傳熱系數、屋面傳熱系數、外窗設計、天窗設計、窗墻比、氣密性、自然通風換氣次數、制冷設計溫度和供暖設計溫度等[12-13]。

表8 建筑節能設計方案對比分析

圖2為基于BIM的辦公樓原方案和最佳方案模型。通過建筑方案Ⅰ～Ⅳ的組合方案1～16的能耗分析與優化結果，最佳方案下辦公樓的節能效果相較原方案有較大提升。從對比模型中可見，辦公樓的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墻比等都與原模型有較大差異，而這些改進措施可以有效提升辦公樓建筑的節能效果[14]。

(a)原方案

3 結論

1)辦公樓原模型中，水的總消耗約為974.10 m3、區域冷卻總耗能為432 569.42 kW·h、區域供熱總耗能為878 776.99 kW·h、電力消耗總耗能為1 695 590.90 kW·h。辦公樓原方案的全年總能耗面積指標為226.1 kW·h，最佳方案的全年總能耗面積指標為193.0 kW·h。

2)方案4在建筑方案Ⅰ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4種組合方案中全年總能耗最低。

3)對比模型中可見辦公樓的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墻比等都與原模型有較大差異，而這些改進措施可以有效提升辦公樓建筑的節能效果。

4)BIM技術的應用可貫穿到辦公樓節能設計的各個環節，通過對施工不同階段的信息進行收集與整合，可以使得設計更加精細化和專業化，在建筑節能和綠色建筑領域有較好的應用前景。