基于BIM模型的公共建筑全壽命節能評估仿真

王 蒙,姚彥娜*,張玉芝

(1. 河北工程技術學院土木工程學院,河北 石家莊 050091;2. 石家莊鐵道大學安全工程與應急管理學院,河北 石家莊 050043)

1 引言

目前,我國每年約新增16～20億平方米的建筑物,是世界上發達國家每年新增建筑物面積的總和,而單位面積內能源的消耗速度卻是發達國家的2～3倍,施工過程中,能源的利用效率也僅是發達國家的35%左右。從這些數據中不難看出,我國建筑行業節能空間是非常巨大的。近幾年,我國逐漸開始研究各種節能技術和新型節能材料[1],同時也提出了若干條建筑節能標準和規范。但是,這些標準和規范僅是給出了一些指標,內容很是廣泛,對施工過程中的各類材料沒有明確指出具體的節能要求,缺少一套綜合性、全方面的評估方法。

因此,本文提出基于BIM模型的公共建筑全壽命節能評估方法。首先,建立公共建筑全壽命節能綜合評估指標,從不同方面分析建筑物的節能效果;然后,構建BIM-FCE節能評估模型,計算得到每個等級的模糊綜合評價結果[2]和綜合評分,對建筑物節能等級進行具體劃分;最后在仿真實例分析中,選取某市4組公共建筑,利用本文方法進行節能等級評價,取得了精準的評估結果。

2 公共建筑全壽命節能綜合評估指標

建筑體系中的各類建筑產品具有單一性、復雜性和區域性特點,使其評價指標總體呈現多種層次。本文利用全壽命周期的理念,來分析建筑節能的影響因子:如建筑設計施工、建筑設備類型、建筑工地的管理、建筑運行管理以及建筑物的舒適性等,根據這些因子的影響程度大小賦予不同的權重值,以此實現建筑能耗多級綜合評估體系的構建,如表1所示。在該評估體系中,共包含3級評價、6個等級和55個評估指標,從定性和定量兩方面進行全方位評估。

表1 公共建筑全壽命節能綜合評估體系

3 基于BIM模型的公共建筑全壽命節能評估

3.1 BIM模型在公共建筑節能評估中的應用

從公共建筑全壽命節能綜合評估體系中可以看出,在對公共建筑進行節能評估時,所面對的數據量大、數據類型繁多以及來源廣泛,而文本使用的BIM(BuildingInformationModeling,建筑信息模型)作為強大的數據庫,可存儲和管理大量的建筑信息數據,并將信息的屬性完全轉換為數字化,便于后續分析和計算。不僅如此,BIM模型還可在一定程度上保證數據庫內信息的統一性和可計算性[3],降低“信息孤島”出現的概率,不管是在空間維度還是時間維度上,都實現了數據之間的無縫銜接。

從空間維度角度來說,BIM模型具有強大的數據共享能力,在多個模型或者多個設備之間均可實現數據共享,起到了提供數據支持的作用;從時間維度角度來說,BIM模型在參數化模型的基礎上,獲取公共建筑全壽命節能信息,對其進行分析和整理,實現了單個平臺難以完成的多工種協調[4]和數據分析,為建筑節能評估提供了基礎保證。

3.2 公共建筑全壽命節能評估模型

在復雜的評估體系中,需要考慮的因素較多,而且單個因素之間的層次關系不盡相同[5]。同時,評估體系還有明顯的模糊現象,想要利用單級模糊綜合評判模型計算出高精度的評估結果是很難實現的。因此,本文按照屬性的不同將評判因素[6]進行類別劃分,先對其中的一類進行評判,最后將所有的評判結果再進行高層次的評判,通過多級模糊綜合評判的方式得出精度較高的評估結果。

3.2.1 建立多級評價因子集

建立多級評價因子集U

U={U1,U2,…,UN}

(1)

(2)

3.2.2 確定評判集

評判集用V={V1,V2,…,Vm}來表示,其中,Vq=(q=1,2,…,m)與每一級的實際數據相對應,本文取值m=5,每個等級對應于一個模糊子集[7-9]。五個等級的評判結果依次為“優秀”、“很好”、“一般”、“良”、“差”,為每一個等級分別賦值100、80、60、40、20,那么得到評判集為V={V1,V2,V3,V4,V5}={優秀,很好,一般,良,差}

={100,80,60,40,20}。

3.2.3 構建模糊關系矩陣

(3)

式中,r表示隸屬度系數。

(4)

式中,rij表示wi對vj的隸屬度。

3.2.4 計算評價因素權重

3.2.5 合成模糊綜合評價結果

將權向量矩陣T與模糊關系矩陣R進行結合,得到如式(5)所示的模糊綜合評價結果向量B

=(b1,b2,…,bm)=B

(5)

式(5)中的“·”代表的是算子。

3.2.6 作出決策

將B與評判集V相結合,計算得到各個等級的綜合評分為

Z=BVP

(6)

式中,P表示評分系數。

4 實例分析

為了驗證本文方法在實際應用中是否同樣合理有效,以某市為例,進行分析驗證。選取該市20世紀80年代、90年代、2007年以及2012年4組公共建筑為研究對象,4組建筑分別用一號、二號、三號、四號來表示,引入本文構建的BIM-FCE節能評估模型。在評估過程中,本文主要對四號建筑進行詳細計算和說明,其它3組建筑僅給出最終評估結果。四號建筑的總規劃用地面積為4.20萬m2,地勢總體呈南低北高的走勢,公共建筑物的占地面積為15.67萬m2,高度為32.55m,建筑物密度為68%,容積率為2.3。四號公共建筑共有8層,地上6層、地下2層,地上占地面積9.57萬m2,地下占地面積6.1萬m2。

4.1 單因子模糊評價

根據多級評價因子集,單因子經過歸一化處理后,得到公共建筑全壽命節能評估結果如表2所示。其中,節能因子U1的評價矩陣R1為

表2 公共建筑全壽命節能評估結果

(7)

4.2 二級模糊評價

U1的二級模糊評價指標權重系數為T1=(0.055 0.055 0.004 0.886),即可得到四號公共建筑U1因子的綜合評價結果為

B1=T1·R1=(0.662 0.240 0.096 0.001 0.000)

(8)

同時,得到U2、U3、U4、U5、U6的綜合評價結果分別為

B2=(0.6620.741 0.125 0.024 0.048 0.061)

B3=(0.688 0.209 0.103 0.000 0.000)

B4=(0.605 0.274 0.108 0.013 0.000)

B5=(0.612 0.358 0.027 0.001 0.002)

B6=(0.571 0.168 0.168 0.093 0.000)

(9)

對式(9)進行整合,構成四號公共建筑全壽命節能綜合評價矩陣

R=(B1,B2,B3,B4,B5,B6)P

(10)

計算各個等級的綜合評分,得到的結果分別為:Z1=90.267、Z2=88.737、Z3=91.694、Z4=89.423、Z5=84.291、Z6=90.242。

4.3 一級模糊綜合評價

U1的一級模糊評價指標權重系數為T=(0.250,0.110,0.280,0.180,0.180),即總的節能因子模糊評價結果為

(11)

綜合評分為Z四=BVP=90.242,即可判定四號公共建筑的全壽命節能等級為“優秀”。

按照上述分析思路,得到一號、二號、三號公共建筑的綜合評分分別為74.800,65.400和82.895,評估等級分別為一般、良和很好。

將本文方法的評估結果與領域專家評估的結果進行對比,均為一致。這是由于一號建筑物的施工時間較早,節能材料和節能技術相對來說還不成熟,但是耗能的設備也要少很多;二號建筑物施工時耗能設備要多一些,但是節能技術還是跟不上,導致節能評估等級較低;三號建筑物施工時雖然耗能設備要更多一些,但同時節能技術和節能材料也有了新的發展,所以節能評估等級較高;四號建筑物施工時節能技術已經發展得非常成熟,節能材料也很先進,對于能源利用效率有所提升,節能評估等級最高,為“優秀”。

5 結論

公共建筑物節能是一項長遠的工作,不應只局限于某一指標或者某一時期,在施工到建成這段期間,都要進行嚴格的把控。在施工之前,不僅需要完善的設計方案、建立節能管理相關制度,而且在施工過程中,也要多使用一些新型節能材料和相關節能手段,提高各種能源的利用效率。本文將BIM模型與模糊綜合評價法結合起來,構建BIM--FCE節能評估模型,全面、客觀地評估公共建筑全壽命節能水平,劃分不同的等級,制定相應的節能方案,為我國節約能源、避免陷入能源危機,提供了一種可靠的參考方案。