BIM技術在西北地區既有建筑綠色改造中的應用研究

摘 要：【目的】針對傳統既有建筑綠色改造過程中設計參數復雜、設計效果可視化低及建筑性能分析不準確等問題，基于BIM技術對甘肅省蘭州市區內某單位的行政辦公樓進行既有建筑綠色改造的應用研究。【方法】通過收集獲取既有建筑屬性信息，建立建筑實景三維模型，用于綠色方案設計選擇，主要從外墻、屋面和窗戶三個方面進行了既有建筑的綠色改造分析。【結果】結果表明：經過綠色改造后外墻的熱系數為0.038，屋面的傳熱系數小于0.30，窗戶的傳熱系數為1.750，均滿足國家標準規范要求。【結論】研究成果為BIM技術在西北地區既有建筑綠色改造中的應用提供參考。

關鍵詞：BIM；既有建筑；綠色改造；應用研究

中圖分類號：TU74" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.015

Research on the Application of BIM Technology in the Green

Reconstruction of Existing Buildings in Northwest China

GUO Dong HUANG Lixin

（1.Gansu Engineering Construction Supervision Co.， Ltd.， Lanzhou 730300，China;

2. Lanzhou College of Information Science and Technology， Lanzhou 730300，China）

Abstract： [Purposes] In view of the complex design parameters， low visualization of design effect and inaccurate analysis of building performance in the process of green transformation of traditional existing buildings， the application research of green transformation of existing buildings in the administrative office building of a unit in Lanzhou city of Gansu Province is carried out based on BIM technology. [Methods] Through collecting the existing building attribute information， a 3D model of the real building was established for the selection of green scheme design. The green transformation of the existing building was analyzed mainly from three aspects： exterior wall， roof and window. [Findings] The results show that the thermal coefficient of the external wall is 0.038， the heat transfer coefficient of the roof is less than 0.30， and the heat transfer coefficient of the window is 1.750， which all meet the requirements of national standards. [Conclusions] This study provides a reference for the application of BIM technology in the green transformation of existing buildings in Northwest China.

Keywords： BIM; existing buildings; green transformation; applied research

0 引言

近年來，在我國社會經濟快速增長、城市化水平不斷提高的時代背景下，建筑業呈井噴式的發展趨勢［1-2］。隨著國家經濟結構調整及“碳達峰、碳中和”戰略目標的提出，建筑市場也將迎來巨大的轉型升級。全國各地逐年遞增的存量住房維修、既有建筑綠色節能改造等市場需求巨大，為建筑業帶來了新的發展機遇［3-4］。既有建筑綠色節能改造是減少建筑物生命周期內能源消耗，實現可持續建筑環境發展的重要措施之一。然而，既有建筑的綠色改造同時面臨著許多挑戰。通常既有建筑綠色化改造是一個比較復雜的過程，綠色改造的方案總是與其他目標相沖突。因此，需要多種策略相互結合，在能源、經濟、技術、環境、法規和社會發展等多個因素之間進行權衡，從而實現高水平、高質量和高效率的能源發展目標［5］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是建筑工程行業公認的一種新興技術，是促進綠色建筑發展、提高建筑產業信息化水平、推進智慧城市建設和實現建筑業轉型升級的重要手段，可以實現建筑物全壽命周期的綜合動態管理。國內諸多學者在既有建筑綠色改造方面進行了大量的研究分析，王文利等［6］在某老舊辦公樓綠色建筑改造設計施工中，基于BIM技術創建三維模型，進行了采光和通風模擬分析，確定符合綠色建筑標準的改造方案；曹飛［7］通過分析舊工業建筑改造再利用的可能性，探討了BIM技術在舊工業廠房改造設計中發揮的作用；張詩達等［8］將BIM技術應用于既有建筑改造設計前期，建立了基于BIM技術的既有建筑綠色化改造輔助診斷模型，提出了相應的輔助診斷操作程序，從而更加準確、高效地對既有建筑性能做出診斷。

既有建筑綠色化改造是一項非常重要的工作，能夠減少能源的消耗，并且對構建可持續建筑環境有重要的現實意義。雖然BIM技術為既有建筑綠色改造提供了集成的解決方案，但該技術在綠色改造中的實際應用還相對較少，需要進一步的研究和驗證。因此，本研究以西北地區某單位的行政辦公樓綠色改造工程為例，探討分析了BIM技術在既有建筑綠色改造中的應用現狀，旨在豐富既有建筑綠色改造的研究方法與策略。

1 BIM技術的應用方法

1.1 選擇綠色改造設計參數

既有建筑的綠色改造過程比較復雜，要涉及各種參數以實現優化性能的目的。與新建筑不同之處是綠色改造的設計參數受到現有建筑結構、用途和周圍環境條件等諸多因素的限制，根據不同的建筑項目會考慮不同的設計參數。因此，在設計過程中需要確定科學、合理且適用性強的設計方案，以達到優化改造的目的。根據已有的研究成果表明，目前既有建筑綠色改造的常用設計參數是建筑材料、外墻、窗戶、屋面、采暖、通風和空調系統等。

建筑材料在既有建筑綠色改造中的應用受到了廣泛關注。新型的建筑材料如聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板、擠塑XPS板）等質量輕、熱損小，安全性、防水性、耐久性和抗腐蝕性等各種性能明顯優于傳統的建筑材料，這類建筑材料節能環保，能夠直接影響建筑的能源消耗和碳排放等多項性能參數。在建筑綠色改造中基于BIM技術可以實現建筑材料屬性的參數化建模，可以快速有效地測試可持續性能的效果，并且具有多維動態可視化效果。

建筑物的窗戶保溫隔熱性比較弱，是影響建筑能耗的重要因素之一。西北地區既有建筑窗戶的形式多為單框單層玻璃，密封性差，熱交換現象明顯，通過改變建筑物窗戶結構中的窗框和玻璃的材質，加強窗戶的隔熱保溫性能，增加自然光采集量，從而減少能源照明的使用，減少建筑的熱輻射量。

西北地區建筑屋面形式多樣，需要綜合考慮屋面保溫隔熱與防水性能的現狀，對于屋面的改造，通常采用鋪裝新型材料的保溫屋面等方法實現，其質量輕、成本低、安裝簡單，對建筑自身危險性較小，極大地提高了屋面的保溫隔熱效果。

1.2 數據采集與管理

在基于BIM技術進行既有建筑物綠色改造過程中，為了獲得可靠的建筑性能模擬結果，需要掌握既有建筑精確的屬性特征信息。因此，數據采集與管理是BIM技術在既有建筑綠色改造中的至關重要的環節。

如果需要改造的既有建筑保留有完整的施工圖紙，則可以直接根據圖紙資料通過BIM軟件生成建筑三維模型用于綠色改造方案設計。但是對于年代久遠的建筑物，由于保存不善造成施工過程資料遺失、缺少結構建筑施工圖紙信息的情況下，需要依托其他方法來獲取建筑物的屬性信息。目前，最常用的方法是基于三維激光掃描和無人機傾斜攝影測量等技術獲取建筑物全景三維點云數據，通過數據格式轉換成為BIM軟件可以利用的數據源。

2 既有建筑三維模型的建立

2.1 項目概況

該建筑物是位于甘肅省蘭州市區內某單位的行政辦公樓，所在地區氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差較大。該建筑物始建于2000年，地上七層，無地下結構，平面布局呈矩形，長171.5 m，寬58.5 m，建筑高度為24.5 m；采用鋼筋混凝土框架結構，基礎形式為鋼筋混凝土井樁基礎；所在地區地震基本設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類。在綠色改造前對該建筑進行了結構安全性能測試及評估，結果顯示該建筑結構性能良好，符合綠色節能改造的基本條件。通過現場勘察及查閱相關資料，獲得建筑物的圍護系統和屋面結構的構造參數見表1。

2.2 BIM三維模型建立

在本項目既有建筑綠色改造BIM模型建立環節中，依據《既有建筑綠色改造評價標準》（GB/T 51141—2015）［9］、《既有建筑綠色改造技術規程》（T/CECS 465—2017）［10］和《既有建筑維護與改造通用規范》（GB 55022—2021）［11］等規范中關于既有建筑物綠色改造節能設計標準的規定要求。根據初始收集整理的建筑設計圖、表面紋理、三維點云等各類屬性信息數據，采用Revit軟件建立了既有建筑物的外墻、屋面及門窗等結構物的實景三維模型，模型結果如圖1所示。

3 既有建筑綠色改造應用

3.1 外墻綠色改造方案

經調查該建筑物外墻為M5水泥砂漿和燒結黏土磚砌筑，未設置保溫層，保溫隔熱效果不明顯，熱工性能差。通過對該建筑的實地調查及綠色化改造節能評價分析，外墻圍護結構綠色改造采用粘貼聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板）的外墻外保溫系統改造方案。該方法具有適用范圍廣、耐久性好、能夠提升墻體防水性且對室內環境影響較小等優點，外墻保溫材料膨脹EPS板的熱工性能參數見表2。根據綠色節能計算，該方案滿足國家標準對節能65%的規范要求。

3.2 屋面綠色改造方案

屋面綠色改造時結合西北地區的氣候特點（冬冷夏熱，雨雪較多），除考慮建筑屋面的保溫和隔熱功能外，還需利于夏季屋面排水。經調查該建筑物的屋面結構層為100 mm厚鋼筋混凝土現澆板，20 mm厚1∶3水泥砂漿找平層，150 mm厚泡沫混凝土保溫層，保溫隔熱效果不明顯，熱工性能較差。基于BIM三維模型通過屋面荷載動力分析，屋面綠色改造方案采用鋪裝聚苯乙烯泡沫板（擠塑XPS板），擠塑XPS板具有較高的抗壓強度、質地輕、抗腐蝕性和耐久性強、透濕率小、防水性能好等優點，非常適合西北地區的環境特點。屋面保溫材料擠塑XPS的熱工性能參數見表3。根據綠色節能計算結果，該方案滿足國家標準對節能65%的規范要求。

3.3 窗戶綠色改造方案

西北地區春、秋兩季多沙塵暴天氣，空氣中含有大量的粉塵等細粒物質，因此，對建筑物窗戶的密封性要求比較高，在窗戶綠色改造方案設計中應充分考慮密封性和保溫性。經調查該建筑物的窗戶均為單框外開啟式單層玻璃窗戶，導熱系數較大，熱量交換明顯，極大地增加了建筑物的能耗。經過方案比選，該建筑物的窗戶綠色改造需要更換Low-E雙層節能玻璃，采用導熱系數小的塑鋼窗框，加強窗戶的密封性，提高熱阻值，達到減少窗戶熱損失量的目的。窗戶綠色改造材料性能參數見表4（朝南方向的窗戶），通過節能計算，采用的玻璃窗傳熱系數為1.75 W/（m2·K），窗墻比滿足節能規范要求。

4 結語

本研究以西北地區某單位的行政辦公樓綠色改造工程為例，綜合考慮自然環境和地理環境的影響，基于BIM技術建立了既有建筑物的三維模型，對外墻、屋面和窗戶三種結構物綠色改造進行了優化選擇，確定了外墻綠色改造采用粘貼聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板），屋面綠色改造采用鋪裝聚苯乙烯泡沫板（擠塑XPS板），窗戶綠色改造采用導熱系數小的塑鋼窗框，更換Low-E雙層節能玻璃，對三種結構物的綠色改造方案進行了綠色節能計算，均滿足國家標準對節能65%的規范要求。

參考文獻：

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［7］曹飛.基于BIM技術的舊工業建筑綜合改造設計研究：以沈陽紅梅文創園原料庫為例［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2021.

［8］張詩達，盧琬玫，宋昆.基于BIM技術的既有建筑綠色化改造輔助診斷方法研究［J］.建筑節能，2020，48（10）：56-62.

［9］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 既有建筑綠色改造評價標準：GB/T 51141—2015［S］.北京：中國建筑工業出版社出版，2015.

［10］中國工程建設標準化協會.既有建筑綠色改造技術規程：T/CECS 465—2017［S］.北京：中國計劃出版社，2017.

［11］中華人民共和國住房和城鄉建設部. 既有建筑維護與改造通用規范：GB 55022—2021［S］.北京：中國建筑工業出版社出版，2021.