基于BIM技術的綠色建筑性能方案優化研究

孫倩倩 曹 寧 于保俏 于保磊

（1.棗莊職業學院，山東 棗莊 277800；2.棗莊市金成置業有限公司，山東 棗莊 277800；3.棗莊海利頤養健康服務有限公司，山東 棗莊 277800）

建筑業作為高能耗行業，不僅在建材生產和建筑建造過程中消耗大量能源，其運行階段的能源需求也占據了能源消耗的主要比例。在這一背景下，綠色建筑設計的重要性愈加凸顯，通過合理選擇建筑材料、優化建筑布局和提高設備效率等方法，可以降低建筑能耗。傳統的建筑設計流程依賴于經驗，并且往往在設計階段忽略了對綠色建筑性能的綜合評估，導致設計效率不高和模型與圖紙不一致的問題[1]。本研究聚焦于利用BIM 技術優化綠色建筑性能，通過集成化的信息流對項目進行全階段的設計和模擬。BIM 技術的應用能夠有效地整合和分析建筑風場、光照等關鍵環境因素，在早期設計階段進行更加精確的方案選擇和優化，旨在為綠色建筑設計提供更高效的支持，以促進建筑業向更加節能、環保的方向發展。

1 工程概況

我國東部地區某居民安置點位于城區南側，占地面積約為25.6萬m2，計劃新建建筑面積總計75.8萬m2。項目規劃包括地上建筑面積58.2萬m2和地下建筑面積18.4萬m2，共有4棟商業樓、1棟22班幼兒園和68棟住宅樓，分布于1#、2#、3#、4#四個區域，如圖1 所示。該項目的設計和規劃充分考慮了綠色建筑的要求，特別著重于建筑的能源效率和環境影響。利用BIM 技術，設計人員對建筑場地的風場環境和光照環境進行了數值仿真分析，以確保建筑設計在提供舒適的居住和工作環境的同時，也能達到高效節能和環境友好的標準。

圖1 項目所在區域狀況

2 基于BIM的氣候條件分析

2.1 場地風環境

場地風環境對于綠色建筑的設計和運行至關重要，直接影響建筑物的通風效率、能源消耗、以及居住者的舒適度。合理的風場設計可以顯著提高建筑的自然通風，減少對人工空調和加熱的依賴，降低能源消耗，并提供更加宜人的室內環境。此外，有效的風場設計也有助于減少建筑物溫室氣體的排放，進一步推動可持續發展的目標。

在綠色建筑設計中，通過BIM 技術進行風場環境模擬，不僅可以提供三維視角觀察和分析建筑物，還能夠整合建筑物的物理和功能特性，設計人員能夠在設計階段就對建筑物的風場環境進行模擬，從而做出更加科學合理的設計決策[2]。

在進行BIM 技術的風場環境模擬時，首先需要收集和分析場地的風速、風向等氣候數據，這些數據可以通過氣象站提供的歷史數據獲得，或者通過現場的風環境測試來測定，設計人員可以利用BIM 軟件中的特定工具和算法，如計算流體動力學CFD，模擬風在建筑物及其周圍環境中的流動，展示風在不同建筑布局和結構設計下的流動路徑和速度分布。基于模擬結果，對建筑的設計進行調整，以優化風場效果。例如，通過調整建筑物的朝向、形狀或布局，引導風流更有效地穿過建筑物或周圍區域，不僅能提高自然通風效果，還可以防止風力造成的結構壓力，從而提高建筑的能源效率和居住者的舒適度。

該地區風場環境特征表明，西北風是主導風向，而東南和西北方向的風頻也相對均衡，該地區風速一般保持在20m/h以下，盡管東北方向偶爾出現最高風速超過35km/h的情況，但這種強風出現頻率相對較低，全年累計超過35km/h的風時長不足70h。

2.2 日照輻射

合理的日照分析可以優化建筑的能源使用，減少對人工照明和加熱的需求，同時也影響著室內的光照質量和溫度，進而影響居住者的舒適感和健康。例如，充足的自然光可以減少對人工照明的依賴，提高空間的視覺舒適度；而避免過度的直射陽光則可以減少過熱的風險，降低冷卻需求。在日照輻射分析中，BIM 技術可以幫助設計師評估日照對建筑的影響，在建筑設計的早期階段模擬陽光在不同時間和季節下對建筑物的照射情況，包括直接的日照分析和光照對室內環境的影響，例如照明水平、熱增益和陰影效果[3]。日照輻射分析步驟通常包括以下幾個方面：

首先，收集地點的日照數據，包括地理位置、氣候條件和季節變化等，然后，在BIM軟件中建立三維建筑模型，并輸入相關的日照數據，再利用BIM軟件中的分析工具，如日照模擬插件，對建筑的日照接收情況進行模擬，分析不同時間點建筑各部分的日照情況，包括陽光直射區域、半陰影區域和完全陰影區域。

通過日照輻射模擬，可以對建筑的設計進行調整，以優化日照效果。例如，調整建筑的朝向、窗戶大小和位置，或者設計遮陽設施，以控制日照對室內環境的影響。此外，日照分析還可以幫助設計人員選擇合適的建筑材料和玻璃類型，以控制熱增益和避免眩光。

2.3 焓濕圖

在綠色建筑設計中，焓濕圖可以幫助設計人員優化建筑的通風系統、選擇合適的建筑材料和評估建筑的能效。將焓濕圖與BIM 技術結合，能夠提升建筑環境分析的精度和效率。通過在BIM 模型中集成焓濕圖，可以直觀地分析和預測建筑內部的熱和濕度條件，從而進行更準確的熱舒適度和能效分析。在進行焓濕圖分析時，首先需要確定建筑所處地區的氣候條件，包括平均溫度、濕度、季節變化等[4]；然后，在BIM 模型中設置和模擬不同的環境條件，如冬季加熱或夏季冷卻情況，并觀察這些條件下的焓濕變化。此外，需考慮建筑內部活動產生的濕熱負荷，如人員數量、設備使用等，這些都會影響建筑內部的熱舒適度。通過利用BIM技術和焓濕圖，可以在建筑設計的早期階段評估不同的通風和空調系統設計方案，選擇最適合的方案以實現最佳的熱舒適度和能效。例如，根據焓濕圖分析結果，可以調整建筑的窗戶尺寸和位置、選擇適當的遮陽設施或調整建筑的隔熱材料，最大限度地利用自然通風和減少能源消耗。

3 基于BIM技術的綠色建筑性能方案優化

BIM技術在綠色建筑性能優化中扮演著關鍵角色。BIM技術通過提供詳細的建筑信息模型，對建筑物全生命周期進行綜合分析，包括能源消耗、材料效率、室內環境質量等各個方面，設計人員可以在設計初期就識別和應對可能的性能問題，從而實現更為高效和可持續的建筑設計。

3.1 綠色建筑性能方案優化的重要性

綠色建筑性能的優化不僅有助于減少運營成本，還能提高用戶的舒適度和健康。例如，通過優化自然光利用和室內空氣質量，可以創造更加舒適和健康的居住和工作環境，對于提高居住者的幸福感和生產力具有重要意義。此外，綠色建筑的優化還能提高建筑物的市場價值和吸引力，通過BIM 技術進行能效分析和環境模擬，能夠有效指導節能材料的選擇和建筑布局的優化[5]。

3.2 方案設計

3.2.1 建筑總平面布局方案比選

在綠色建筑設計中，建筑總平面布局的選擇對其綠色性能具有決定性影響。不同的布局方案會導致建筑在能效、自然光利用、通風效果以及環境影響等方面的顯著差異。有效的布局設計不僅能夠提高能源效率，還能提升居住者的舒適度和健康。在該項目中，根據建筑朝向，提出三種不同的布局方案，具體見表1。

表1 建筑朝向方案

采用BIM 技術對三種方案進行分析：①方案A 室內光照均勻，但夏季可能會有過熱問題，特別是西向窗戶，冬季舒適，但夏季可能需要額外的冷卻措施，如遮陽設施和空調，對風場影響較小，主要受建筑群體布局和周邊環境影響，冬季能耗較低，但夏季因冷卻需求較高，總體能耗較高，夏季室內溫度可上升至28℃，冬季能降至18℃，冷卻能耗增加高達30%；②方案B 南面獲得充足光照，但北面可能較暗，夏季較為涼爽，冬季可能稍顯寒冷，南北朝向對風場的引導效果一般，冬季因加熱需求而能耗上升，但夏季能耗較低，總體平衡，夏季室內溫度可保持在25℃以下，冬季加熱能耗比方案A增加20%；③方案C 提供了較為均勻的光照，避免了嚴重的過熱或過暗問題，夏季和冬季都相對舒適，方向的選擇有利于引導自然通風，改善室內空氣質量，該方案實現了年度能耗的最優化，夏季和冬季的能耗都相對較低，年均室內溫度保持在理想范圍，夏季不超過27℃，冬季不低于20℃，年能耗比方案A 和B 平均降低15%。

3.2.2 建筑窗墻比方案比選

為了評估不同窗墻比對建筑能效和室內環境舒適度的具體影響，在方案C的基礎上，針對窗墻比進行方案比選，采用五種不同的窗墻比0.2、0.25、0.3、0.4 和0.5。為了確保比選方案的一致性，均采用相同類型的玻璃，即6+12A+6 中空Low-e 玻璃，同時，其他圍護結構材料也保持一致。不同建筑窗墻比的能耗情況如圖2所示。

圖2 不同窗墻比的建筑能耗

由圖2 可知，隨著窗墻比的增加，建筑內部對熱量的需求逐步上升，采暖供熱、空調制冷和通風系統能耗量相應增加。具體而言，窗墻比為0.2 時，供熱能耗為155.46kW·h，制冷能耗為1684.26kW·h，通風系統能耗為1748.14kW·h；當窗墻比達到0.5 時，供熱、制冷和通風能耗分別上升至178.68kW·h、1825.37kW·h 和1803.04kW·h，增幅分別為12.26%、8.45%和3.11%。

在照明能耗方面，則呈現相反趨勢。隨著窗墻比的增加，照明能耗逐漸降低，從窗墻比0.2 時的687.32kW·h 下降至窗墻比0.5 時的578.93kW·h，減少了約15.92%。這主要是由于窗墻比較高時，自然光照的增加減少了對人工照明的依賴。

另外，在各窗墻比工況下，室內設備的能耗保持不變，均為713kW·h。整體而言，單位面積的能耗量與窗墻比呈正相關關系，窗墻比越大，建筑的能耗也越高。然而，過高的窗墻比可能對建筑結構的穩定性產生不利影響。因此，在實際工程中，本方案將窗墻比設為0.30。

4 結語

綜上，本文通過運用建筑信息模型（BIM）技術，針對綠色建筑性能的優化進行了深入探討。結合具體工程案例，詳細分析了建筑的風場環境和光照環境，并通過數值仿真分析提出了相應的優化方案。研究表明，通過調整建筑總平面布局和窗墻比等參數，可以有效提升建筑的綠色性能。此外，BIM技術的應用不僅提高了設計的精準度和效率，還確保了方案選擇的科學性和合理性，為類似的工程建設提供了寶貴的參考。