BIM在建筑能耗模拟方面的应用

文｜莱芜市园林局 谷永新

郑州大学信息工程学院 李润玮

1.建筑能耗的仿真模拟

随着人们对室内热湿环境要求的逐步提高和人均居住面积的不断增大，对暖通空调系统的应用越来越广泛，建筑能耗也越来越大，使得建筑能耗成为社会总能耗主要部分之一，并且建筑节能也成为工程和研究的热点问题。

建筑节能的途径有很多，其中，通过暖通空调系统模拟，对设计和运行进行优化是重要的一个方面。建筑环境的变化，是由很多因素引起的一个复杂过程，非常微妙，利用智能的计算机可以模拟，从而能预测建筑环境可能发生的状况以及提前进行预防，例如建筑物的空间舒适度、建筑物逐时得热/失热的能耗、采暖空调系统的逐时能耗等。随着人们对建筑节能的日益重视和对建筑环境质量要求的不断提高，建筑设计师在考虑建筑与建筑环境关系下，把建筑模拟作为建设方案设计中的一部分，预先模拟建筑物在运行过程中产生的能耗，指导建筑师进行更为节能的方案设计，有效控制建筑物的能耗，尤其是在建筑工程施工、材料设备加工生产、建筑物投入使用中，而且建筑模拟在建筑物能耗分析及优化和空调系统性能分析及优化两个方面的内容应用广泛。

而对暖通空调系统以及室内热、湿环境的模拟需要建筑信息的强力支持。基于BIM方法，建立的暖通空调专业的三维立体模块，从而为暖通工程师搭设了平台，参与整个建筑方案策划与设计，还提供了一条的方法和有效手段，进而用来获取相关建筑设计行业信息与资料。

2.传统能耗模拟过程的缺陷

2.1 设计流程方面

在项目建设的策划决策阶段，建设单位编报项目建议书和可行性研究报告后，即进入勘察设计阶段。从理论上来说，建设项目的能耗模拟分析工作在设计阶段应该开展的越早越好，即在概念设计阶段就开始进行，这样不仅为整个工程节省了大量人力物力，更重要的是节省了宝贵时间，若出现任何问题，也无需再因为返工而做大批量的修改。但是目前国内传统建筑方案设计中的能耗模拟分析的状况并不理想：我国大部分建筑能耗计算与评价都发生在方案设计的施工图阶段以后；还有一部分设计者甚至把建筑能耗模拟分析这一重要的过程放到建筑施工甚至建筑交付使用后才进行，所以到了后期，如果建筑设计方案出现问题，处理的话非常麻烦。有的企业甚至通过谎报数据来通过节能设计标准，这样不利于节能建筑的发展。

2.2 模拟过程方面

（1）分析工具的选取困难

首先，各个分析工具在形式功能、内容与操作上都有差异，且其试用的对象范围不同，很难选择真正满足建设项目需求的工具。其次，对于特定的建设项目，其所在地的现实环境是复杂多变的，需要从多角度、多层面的去了解，这样就更难确定哪种工具更适合该项目的需要。

（2）模拟结果的准确性有待提高

在传统的能耗模拟软件中，很多用户在使用过程中都会发现有的时候模拟得到的结果与实际不符，使用不同的软件对同等条件下同一栋建筑物进行能耗模拟，其分别得到的结果也存在很大差异。这是因为由于标准及设计手册的复合计算方法一般是采用稳态、静止的计算方法，对于渗透通风等都采用了近似的方法，且标准及设计手册在设置气象参数时采用的是极端条件下的气象参数。而模拟软件的计算方法则是动态的方法，考虑了历史的影响采用较为复杂的数值计算，在气象参数的设置上采用的是典型气象年数据。同时，在进行建筑能耗模拟时，由于对专业问题认识不足，在输入模型时无法创建一种模型，难以与实际相同的软件相符合。同时，对模型软件的优势、程序与算法，还有弊端等，不完全掌握，只关注软件的界面，在使用时，很难选择适合的软件程序，提供合理的输入和评价，从而难以加以利用。

（3）结合规范的专业建筑节能评估软件缺乏

目前，我国模拟软件与节能规范相结合的还很少，仅有 PKPM 等少数软件与建筑节能设计标准相联系。但是 PKPM 软件建立的分析模型也不够精准，如要设计建筑的曲面，则在 PKPM 软件中只能通过直线连接的方式得到，对模拟分析的结果造成一定的影响。

（4）能耗模拟软件对设计的经济性分析欠缺

我国设计者在使用软件进行能耗模拟的时候，不关注建筑的经济性分析，大部分只关注能耗的计算功能，很多软件甚至没有经济性分析功能，对于常规的工程经济费用分析方法，比如全寿命周期分析法或者投资回收率分析法等，这些软件尚不具备，有待于进一步开发。

3. 应于BIM 的能耗模拟分析流程

BIM 技术对建设项目进行能耗分析计算，只是 BIM 技术在建筑全生命周期中应用的一部分，分析所用的工具是 Ecotect Analysis 软件。与传统能耗模拟分析不同的是，BIM 技术在建筑的概念设计阶段开始就全程参与到项目整个生命周期中，在概念设计阶段，BIM 技术运用相关建模软件如 Revit Architecture、Revit structure 等完成 3D 信息模型与平面视图的同时建立，其可视化设计让业主能将自己的设计理念通过与设计师的沟通得以实现，在虚拟模型中直接生成建设项目，更能满足业主的需要。

由于 BIM 软件之间的互通性，每完成一个阶段的方案设计，就可以从建模软件 Revit Architecture 中导出 gbXML 或 DXF 文件格式，直接导入Ecotect 软件中进行物理环境的各种模拟；或者是直接在 Ecotect 软件中建立与3D信息模型相同数据信息的模型直接进行后续的可持续分析。借助 BIM 技术，T，体现的优势主要表现在以下几个方面：

（1）进行更全面的性能分析，包括建筑单体的日照分析和采光模拟、自然通风分析、反射板与遮阳板的设计、可视度分析、声环境分析、逐时得热/失热、空调负荷、逐时温度等。

（2）可视化的设计使得与业主之间的交流沟通更容易。

（3）通过模拟能更早的发现存在的问题，从而解决问题，减少损失。

（4）利用 Ecotect 的桌面工具，设计者可以对特定的区域或封闭空间进行分析。由于某个区域的能源效率不仅受场地规模（面积）的影响，而且受建筑材料的影响。为此，设计者可以利用软件指定区域范围内外墙、内墙、屋顶、地板等建筑构件的材质，通过对材质的精细选择，进一步使信息模型精细，细化项目分析结果。

（5）软件的强大之处不仅仅在计算上，还来自包含材料数据和气候模式的综合数据库。如进行简单的阴影分析时，可以打开软件中的年太阳路径和日太阳路径，查看所设计的建筑物在一年中不同时期投射的阴影。进行日光分析时，可以通过列表或根据经、维度指定项目的地理位置。Ecotect 还覆盖了正常的三维网格，把要分析的空间分成若干小块。网格可以手动应用和调整，或与选定对象自动拟合。网格定位后，就可以加载地区气候数据，然后进行舒适度和热量分析。

（6）目前 Ecotect 软件也早已被投入到项目建设过程发挥其在日照与辐射分析方面的优势。Ecotect 已经可以直接读取 Revit 导出的 gbXML 和 DXF 文件格式模型并将部分数据返回给 Revit，也正在加大与 Sketchup、犀牛等建筑设计人员常用的软件的整合力度。由此可见未来 Ecotect 在建筑设计方案阶段将会有进一步的发展。

4.结语

建筑能耗分析所需建筑数据没有可靠的数据基础，但是数据量繁琐，会导致工作量巨大、分析工作效率不高，这是因为人工交互输入的精确率不高。同时，由于建筑、设备、机电、消防等专业之间需要加强沟通，不宜协调，导致暖通工程师很难把握在建筑方案阶段的能耗计量与分布，能耗计量与分布的结果，对于建筑师来说，提供设计理念和帮助建筑师修改设计方案作用不大。

建筑信息模型中包含了建筑能耗分析计算所需的所有数据。进行建筑能耗分析计算时，建筑信息模型中的数据可以由设计师直接利用，整个过程可以是协同工作方式，也可以用其他方式更新数据。这些都弥补了传统能耗模拟的缺陷，从而成为建筑能耗模拟的新方向。