基于BIM模型的小高层办公楼建筑节能应用研究

管昌生，张海华，华 虹，王晓明

（1.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.华中科技大学，湖北 武汉 430070）

1 引言

近来我国一年建成的房屋建筑面积，比所有发达国家一年建成的房屋建筑面积的总和还要多，既有城乡建筑中99%为高耗能建筑，新建成的房屋95%以上还是高能耗建筑。由于空调的快速发展，夏季高峰用电问题愈益严重。根据清华大学建筑节能研究中心编的《中国建筑节能发展研究报告2011》，我国城镇建筑冬季采暖是我国建筑能耗的最主要构成部分，也是我国建筑节能工作的重点[1]。

目前建筑节能的推广还远远达不到发展的要求，大多数建筑都是参考已有的生态建筑设计的案例和技术手法，而没有对它的方案和工程进行分析与计算，以检验设计的效果是否节能、是否经济、是否绿色等。传统的2D软件，只能由专业人士通过手工输入的方式将建筑设计的相关数据输入到专业软件中，才能进行能量分析。大量的专业数据、繁琐的输入工作使得能量分析与模拟对于建筑师来说是可望而不可及的。能效计算通常安排在设计的最终阶段，由专业人士进行操作和分析、模拟，但此时建筑设计方案已经很难改变。随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种建筑3DCAD软件日趋完善和成熟，为绿色建筑设计中能量分析的自动化、智能化提供了基础和平台[2，3]。本文以武汉地区一栋典型办公楼建筑为例，研究了该建筑基于BIM的建筑太阳能利用和空调系统能耗分析。

2 建筑节能研究的背景

随着经济的快速发展，能源消耗量与日剧增，全球能源短缺的状况日益突显，能源问题已经成为了关乎国家发展战略的关键问题。与此同时，建筑耗能占总能耗的比例不断增加，建筑节能成为了国家节约能源战略的重要环节。由于不同建筑的建筑设计方案在能耗方面会有巨大的差别，因此需要在建筑方案阶段就对建筑进行能耗模拟，判断建筑是否满足节能要求。然而，传统的能耗分析软件对建筑进行节能分析并不是容易的事情：传统能耗分析软件需要大量的专业数据，输入繁琐，专业性强，建筑师很难花大量精力研究能耗模拟软件并完成每种方案的能耗分析工作。另一方面，在传统的设计方法中，建筑专业和设备专业是脱节的，设备工程师需要在输入建筑数据后使用能耗分析软件进行能耗分析，而分析结果并不能直接反映到建筑模型中，导致能耗分析通常安排在设计的最终阶段，不能起到及时为建筑师提供方案设计依据的作用。

随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种建筑3D软件日趋完善和成熟。邱相武等人研究了基于BIM的建筑节能设计软件开发[4]，曾旭东等对BIM技术在建筑节能中的应用研究[5]，为建筑节能设计的自动化、智能化提供了基础和平台，使方案设计阶段的建筑节能更快捷方便，准确。

由于建筑朝向、围护结构性能、自然通风状况、建筑体形系数、窗墙面积比等都是影响建筑能耗的重要因素。而基于BIM技术的建筑节能设计可以通过建筑师的建筑信息模型来获取建筑朝向，构件几何尺寸、建筑材料、功能分区等建筑信息，因此可以用来进行建筑节能分析计算，使建筑全年能耗满足规定性指标或性能化指标要求。如果建筑不满足节能标准，可以将对模型的修改建议反馈给建筑师，而建筑师根据反馈意见修改建筑模型，如此反复，直到建筑满足节能标准要求为止。因此基于BIM技术的建筑节能还可以解决建筑设计和节能设计过程中数据转换的问题，提高工作效率；对建筑的太阳能利用、舒适度和空调系统的能耗进行分析，为建筑的规划设计节能设计提供可靠的科学依据。

3 BIM技术节能应用研究

3.1 工程背景

本文是以位于武汉地区的一栋10层的典型办公楼为背景，总建筑面积12260m2，屋面高度为39.6m，主体结构形式为钢筋混凝土框架结构。通过建立该办公楼的BIM模型，并将其导入到绿色节能分析软件进行模拟分析，研究了该办公楼的太阳能被动利用，以及其空调系统的能耗情况。

3.2 BIM 建模

依据该楼的建筑图纸建立BIM信息模型，为了进行绿色设计与节能分析的研究，所建立的BIM模型具有该楼的所有真实信息，不仅包括几何形状描述的视觉信息（材质、构造、尺寸等），还包含大量的非几何信息如材料的强度、性能、传热系数、构件的造价、采购信息等，如图1所示。

3.3 Revit与Ecotect模型间的数据交换

作为BIM的应用软件，Ecotect除了能够对建筑物的热环境、光环境、声环境、风环境、日照、经济性及环境影响等进行模拟；在方案设计阶段，在各种数据尚未确定之前，可以利用简单的块体对建筑物的多种性能进行大致的预测，对不同样式的建筑进行对比分析，为建筑师设计提供依据，还集成了气候分析和转换软件Weather Tool，为建筑师被动设计提供可行性信息。

利用Ecotect Analysis对该项目进行建筑节能分析，需要把Revit Architecture建立好的模型导入Ecotect Analysis中。在将建立好的BIM模型导入到Ecotect软件之前，需要对BIM模型进行相应的处理：

（1）关闭导出的三维视图中与分析无关的房间、面积和地形等的可见性，这样可以减少导入到其他应用程序的对象数目和数据量，减少数据丢失。

（2）可以利用剖面框导出模型中的某个特定部分进行分析。

将Revit Architecture建立好的模型分别以DXF格式和gbxml格式导出。由于gbxml格式的文件是以空间为基础的模型，所以它适合于光环境分析、声环境、资源消耗与环境影响分析等。而DXF格式的文件是详细的建筑3D模型，建筑构件都是具有厚度的，因此可以用于热环境分析、阴影遮挡分析、可视度分析等。在该项目中在被动设计分析时采用的是gbxml格式文件，而在热环境和能耗分析时采用的是DXF文件[6]，如图2、图3所示。

4 建筑节能设计的Ecotect分析

4.1 建筑节能设计内容

建筑节能设计的目的是根据国家现行建筑节能设计标准和要求判断建筑设计和围护结构做法是否满足节能标准要求。目前国内外建筑节能设计方法可分为两种：规定性指标设计和性能化指标设计。在规定性指标设计方法中只需使建筑体形系数、窗墙面积比、建筑朝向、围护结构传热系数、遮阳系数和设备照明均满足节能标准相应的指标要求，则可满足建筑节能标准要求。这种设计方法的优点是不必进行复杂的计算分析，可节省大量的时间和精力。性能化指标设计方法在设计时允许部分指标（如体形系数、窗墙面积比、部分围护结构热工指标）超出标准强制性规定的限值，但需要保证设计方案的节能综合指标小于标准规定的限值或参照建筑的节能综合指标。

图2 Ecotect分析模型

图3 Ecotect可视化模型

作为建筑节能的一项重要内容，被动式太阳能建筑主要通过建筑物的布置、内外造型、构造及材料选择有效地采集、储存和分配太阳能，使建筑物具有温暖、明亮的环境。被动式太阳能建筑与一般建筑没有绝对界限，只是利用太阳能的多少、节约效益存在高低而已[7]。由于Ecotect Analysis集成了气候分析和转换的软件工具Weather Tool，因此该项目的被动太阳能设计研究主要进行了该建筑的太阳辐射分析、焓湿图策略分析、建筑的遮挡投影分析以及热环境分析。

4.2 太阳辐射分析

太阳辐射分析主要是根据武汉地区的气候条件，以及其经纬度对建筑的各个朝向立面的某一段时间的太阳辐射进行分析对比，根据全年过热期得到的太阳辐射较少而过冷期内太阳的辐射量较多来权衡折中确定建筑的最佳朝向，达到舒适、节能的效果。

图4、图5所示分别为建筑的太阳辐射分析和最佳朝向分析。图4中浅色和深色区域分别为过冷和过热区域，浅色线表示平均曝射量。图4中浅色箭头和深色箭头分别表示最佳朝向和最差朝向，图中标出了最佳朝向165°，最差朝向75°。同时还显示了全年平均辐射量最多的朝向（110°），过冷期辐射量最多的朝向（162.5°），过热期内辐射最多的朝向（85°），以及各个朝向的曝射量。

图4 太阳辐射分析

图5 最佳朝向分析

4.3 焓湿图策略分析

通过提供的气候数据进行焓湿图策略分析可以减少建筑对周围的影响，减少空调能耗等，该项目主要是根据建筑所处武汉地区的环境的空气湿度温度、流速等来确定一个相对舒适的区域，为建筑的被动设计策略提供依据。

太阳能采暖，太阳能利用是建筑被动设计的一个主要方面。主要是针对某一地区过冷时对太阳能的利用的被动设计。通过设置人的活动量、窗墙的比例，以及太阳能采暖效率，根据气候数据对模型进行分析。我们通常通过改变窗墙比例和采暖效率来进行被动设计。如图6和图7分别为人体活动量为静坐时，窗墙比例分别为20%和40%的被动太阳能采暖分析。由图6、7可得，当将窗墙比例提高到40%时，3～5月间的室内热舒适度都有很大提高。

自然通风，通过设置人的活动量和不同用途的建筑物的空气流动速度，根据气候数据对模型进行分析。通过改变不同时间空气的流动速度，达到通风设计的目的。如图8、图9所示，当室内风速由1m／s增大至2m／s的效果。

除了对单独的某种策略进行分析之外，还可以对这些策略进行组合，以找到最佳的节能、舒适的组合方案。如图10所示，被动太阳能采暖在4月份和10月份的效果最好。图11中浅色和深色分别表示被动设计前后的舒适度，由此可以看出被动设计可以提高建筑舒适度3～5倍，效果显著。

图6 20%窗墙比的被动式太阳能采暖效果

图7 40%窗墙比的被动式太阳能采暖效果

图8 1m／s风速时通风的效果

图9 2m／s风速时通风的效果

4.4 建筑的遮挡投影分析

在当今社会，各种高楼大厦林立。由于建筑布局不当，四周的建筑相互遮挡，使得某些朝向选择较好的建筑不能获得较好的日照，采光较差。

图10 被动式设计的逐月效果

图11 各种被动策略总的效果

但是日照比不是越多越好，过量的日照，容易使建筑在夏季过热，对人的学习和生活造成不利影响。因此建筑遮挡分析是很必要的。Ecotect Analysis遮挡分析主要是根据太阳运行轨迹图，相关的气候条件，建筑周围的环境，以三维模型的效果图来直观显示建筑的遮挡及投影情况。该项目中用大小、形状、高度等相近的块体来表示小高层办公楼周围的建筑，并且与要研究的办公楼之间的距离是相同的。通过模拟来确定办公楼的遮挡及投影情况。

4.5 空调系统能耗分析

根据中国建筑节能发展研究报告，空调系统能耗占建筑能耗的40%，因此空调系统的能耗分析对于建筑节能是至关重要的。

本文在Ecotect Analysis进行热环境分析时，为了分析结果的准确做了一些设置。

（1）模型的设置。在进行热分析时模型空间必须是封闭的，相邻空间材质设置不冲突，划分不同的热量区域。将BIM模型导入Ecotect中之后，要设置建筑的材料参数，并且将这些参数赋予给相应的部分。

（2）材质的设置。在对材质的热系数设置几乎与实际情况相同，除此之外有些物理参数如延迟时间由Ecomat计算得到。

（3）热环境设置。室内热环境条件的设置对Ecotect模拟结果将产生巨大影响。进行热环境属性设置主要包括系统类型、采暖、通风等。

（4）区域属性设置。区域属性包括区域中的系统类型、人数、设备及其运行的时间情况等，在同一建筑里面根据这些将其分成不同的区域。

如图12所示，根据规范，按照普通办公楼的人均占有面积、常规的在室率及不同房间电器的功率，对该栋建筑进行的空调系统能耗分析。

由图12可以知道，该建筑中在1、2、11、12月的制冷所耗的能源最多，在7、8月份空调制冷时的耗电量较大，与实际情况相吻合。

图12 空调系统能耗分析

5 结语

本文按照小高层办公楼的建筑图纸建立BIM模型，然后将建立的模型导入到节能分析软件中，通过对该建筑的太阳辐射、建筑遮挡和建筑能耗等分析，研究了基于BIM的建筑节能的几个方面，结果表明建筑的能耗与建筑的朝向、太阳辐射、窗墙比例、室内的人员及机器使用情况等有关，适当地控制这些因素对建筑节能有重要意义。但是由于BIM的软件在国内引进时间不长，而且并没有完全在建筑设计、建造以及管理的各个专业中使用，导致绿色建筑信息模型在这一系列环节中传递受阻，模型导入时可能会发生数据丢失，无法真正达到建筑全生命周期绿色的效果。很多国内的建筑规范标准没有进入BIM模型的信息中，使BIM没有完全发挥出它应有的能力。纵然基于BIM技术的绿色建筑还有这么多的问题，但是BIM技术和绿色建筑都一定是大势所趋，二者的有机结合也一定会被建筑师很好运用到未来的实践中去。

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2011[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]Arno Schlueter，Frank Thesseling.Building information model based energy／exergy performance assessment in early design stages[M].Automation in Construction，2008，18（2）：153～163.

[3]Deke Smith，United States Building Information Model Standard[C].US：The 2nd Congress on Digital Collaboration in the Building Industry，2005，11.

[4]邱相武，赵志安，邱勇云.基于BIM的太阳能建筑设计初探[J].建筑科学，2012，6，28（6）：24～40.

[5]曾旭东，赵 昂.基于BIM技术的建筑节能设计应用研究[J].重庆大学学报，2006，28（2）：33～35.

[6]柏 慕.Autodesk Ecotect Analysis 2011绿色建筑分析实例详解[M].北京：中国建筑工业出版社，2011，3.

[7]王 磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].成都：西南交通大学，2008，5.