BIM技術助力于建筑節能化發展

李光輝 李曉杰 龍正熠 鄧滔文

南華大學 土木工程學院

0 引言

近年來，全球氣候升溫，極端天氣頻發，圖1[1］統計的1990-2020 年我國地表年平均氣溫距平，顯示1951-2020 年中國地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫速率為0.26 ℃/10 年。近20 年是20世紀初以來的最暖時期，1901 年以來的10 個最暖年份中，除1998 年，其余9 個均出現在21 世紀。減少溫室氣體的排放、應對環境危機已刻不容緩，我國更是制定了力爭在2030 年前實現碳達峰、2060 年前實現碳中和的目標。而“雙碳”目標實現的主要著力點在于減少建筑業的碳排放[2］，建筑節能化發展對緩解天氣環境惡化、減少建筑碳排放具有重要意義。

此外，隨著建筑結構、功能、形式的多樣化發展，建筑節能對原本就復雜的建筑過程中的核算要求更加嚴格，然而建筑技術也發生了革命性的變化，BIM技術助力于建筑節能化發展，使得建筑節能化發展有了更多的可能性。BIM應用現已貫穿建筑的設計、施工到運行維護、后續改造直至拆除的全生命周期，實現了更直觀的從建筑全生命周期角度考量建筑的價值，有效整合建筑過程中的資源，實現了建筑過程中的各個參與方真正意義上的協同，促進了建筑節能化發展。

1 BIM技術及建筑節能

1.1 BIM技術概述及其優勢

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型，是指在營建設施(包括建筑物、橋梁、道路、隧道等)的生命周期中，創建與維護營建設施產品數字信息及其工程應用的技術。BIM 技術具有協同性、可視化、模擬性、優化性、節約成本等優勢。協同性是指BIM 已集成建模、造價分析、能耗分析等一套完整的軟件，可實現一模多用，使建筑各專業、各階段的交流更簡潔有效，也使得整個建筑過程中的資源更有效分配（如圖2）?？梢曅允侵窧IM 可以建立各階段的三維模型，且模型可通過渲染得到更實際的觀感（如圖3、圖4）。模擬性、優化性、節約成本是在通過預演建筑的設計、施工、節能改造等各個階段、各個環節并實現節能降耗的過程中體現的。BIM 現已不再局限于3D實體模型，4D-進度、5D-造價、6D-碳排、7D-運維等也已在國內逐漸推廣、應用，且還在不斷地向nD 發展。

圖2 BIM集成軟件圖

圖3 REVIT 模型圖

圖4 Enscape渲染圖

1.2 建筑節能概述

建筑節能是指在建筑材料生產、房屋建筑和構筑物施工及使用過程（即設計、施工、運維）中，滿足同等需要或達到相同目的條件下，盡可能降低能耗。在建筑的全生命周期內，建筑節能的體現主要集中在設計、施工階段及后續可能的建筑改造。設計階段的建筑節能主要通過應用空心砌塊、相變材料透氣混凝土等節能材料及太陽能煙囪、熱泵、種植屋面等被動式節能技術來實現。施工階段的建筑節能主要是通過優化施工技術、加強資源消耗管理、合理安排施工順序[3］等來實現。既有建筑改造的建筑節能主要是對建筑能耗高的部分替換應用節能技術、節能材料，以降低建筑能耗。

傳統建筑技術無法對節能材料、節能技術的應用效果進行量化分析，而BIM 技術可以對多個節能設計方案從節能性、經濟性等進行綜合評估節能效果，最終得到最優設計、施工、改造方案，BIM技術極大地促進了建筑節能化發展。

2 BIM技術在建筑節能的應用

2.1 BIM在設計階段中的節能應用

在設計階段，可利用BIM 進行多方案參數化建模，通過BIM 集成軟件對不同專業的設計內容進行碰撞檢查，避免繪圖上的沖突，BIM在設計階段最重要的應用是可以對設計方案的結構、能耗、造價等進行分析，綜合分析方案的可行性。

周琦等[4］將BIM 在綠色建筑設計中的應用分為采光分析，室內外風模擬，日照、朝向分析，熱工分析，太陽輻射分布分析等五個方面，逐點說明BIM 可以實現建筑節能的模擬、計算，有效降低成本，提高效率。

王文韜等[5］首先綜述了BIM 的發展現狀，爾后結合具體實例介紹了Ecotect Analysis 軟件在設計階段對建筑的風環境、室內光熱環境、最佳朝向等進行模擬分析，并針對模擬結果進一步優化節能設計方案。

武琳等[6］介紹了BIM 技術在裝配式建筑的節能應用，裝配式建筑墻體接縫處理是其降低建筑能耗的重要途徑，且多層裝配式住宅存在體型復雜、戶型單一、工業化體系不完全等問題，BIM技術可助力于裝配式建筑標準化設計，提高工作質量、工作效率，從而降低造價。

2.2 BIM在施工階段的節能應用

BIM技術在施工階段的節能化應用主要體現在場地、成本、進度、質量管理及信息交流等方面，使各專業在施工階段可實現信息共享，協同工作，還可避免在施工過程中出現時間或空間上的沖突，實現施工進度精細化管控。

崔現沅[7］介紹了BIM 在施工管理中的應用，其中建筑節能有所體現的有工程設計優化、施工模擬、物料跟蹤、成本分析、工程進度、質量等方面，可實現節地、節材、節時等。

張濤等[8］以某大型裝配式三甲醫院為工程實例，應用BIM 技術，對現場臨建布置、場地道路、材料堆放、加工區、機械設備布置等進行科學合理規劃，對施工耗材進行動態化管理，即用即供，既滿足了施工需要，又減少了占地。BIM 技術應用于施工中實現了節地、節材、節能、環境友好、經濟等目標。

2.3 BIM在既有建筑改造中的節能應用

老舊建筑在我國占比較大，且普遍存在能耗高、居住舒適性差等問題，急需對其進行改造，而如何實現老舊建筑在其“半生命周期”內合理改造是其主要的問題，BIM技術就很好地解決了這一問題。

彭靖[9］、于波[10］認為對老舊住宅節能改造主要集中在外墻、外窗、屋面、樓梯間、單元門，及結合可再生能源的利用等方面，利用BIM 對老舊住宅建筑進行建模，導入到節能分析軟件，對其聲光環境、日照分析、建筑通風、能耗計算、暖通負荷、住宅熱環境等進行綜合分析，制定改造方案，再次模擬，對比效果，不斷優化設計方案。

張學順等[11］以某小區為例，對其進行BIM 建模模擬能耗，發現屋頂、外墻、可開啟面積、外窗氣密性及綜合權衡均不滿足節能標準要求，對其制定了3 套改造方案，對比不同方案的節能效果及投資回收期，綜合對比得出最優改造方案。馬樂原等[12］也得出了相似的結論，通過對魯中地區典型農宅的綜合能耗模擬，發現合院式布局農宅是最佳的布局形式，在既有建筑節能改造中，圍護結構是其節能改造的關鍵，而圍護結構的節能改造集中于對屋頂和外窗的改造。

Sy-Jye Guo 等[13］以某建筑為例，首先對現有大樓進行建模模擬能耗并驗證模擬的準確性，然后對其設計了多種改造方案進行模擬分析，不斷優化改造方案，但Sy-Jye Guo 發現當考慮成本因素時，最節能的設計方案并非成本最低，認為節能效益必須與經濟性相結合來綜合考慮。

另外，BIM 與其他技術結合更具優勢。BIM 與虛擬現實技術結合可以獲得真實三維環境感覺，與GIS軟件集成可以更好地規劃城市內部綠化及外部與自然環境的融合。然而，BIM 與建筑節能化發展也各存在一定的不足，如BIM 基礎建模過程煩瑣、復雜，綠色建材評價標準及綠色體系不完善，綠色建材市場發展不成熟，還需進一步完善。

3 結論

1）BIM 技術在建筑的設計、改造階段的節能體現可歸結為如圖5所示。

圖5 BIM技術在建筑設計、改造階段的節能體現

2）BIM 技術在建筑施工階段的節能體現可歸結為如圖6所示。

圖6 BIM技術在建筑施工階段的節能體現