基于BIM技术在建筑节能设计中的应用研究

王昭仙，王健，高连柱，王校，张莹，邵世军

（1.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100；2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；3.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601）

基于BIM技术在建筑节能设计中的应用研究

王昭仙1，王健2，3，高连柱1，王校1，张莹1，邵世军1

（1.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100；2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；3.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601）

近年来随着我国经济快速发展，建筑物的数量与规模也在不断增大，随之带来的环境污染问题与能源消耗问题引起了广泛的关注。伴随着计算机硬件技术的提高，工程软件开发也突飞猛进，为工程建设行业添加了新的工具和方法。如何将当前已有的硬件技术和软件技术进行合理搭配，改变当前建筑行业粗放型的生产管理方式，推动建筑行业的生产力的发展，提升我国建筑设计水平，已成为当前建筑行业亟需解决的问题。BIM平台给建筑生产和建筑运维带来了新的工作方式，通过BIM技术结合建筑节能设计方法，对建筑周边风环境、声环境、日照采光等进行模拟分析，达到建筑节能的目的，提出优化方案。

BIM；建筑节能；建筑设计

目前我国能源短缺情况严峻，推行建筑节能刻不容缓，所以我国建筑设计领域务必实行有效的应对措施。据实际统计，我国现有的建筑中大多数为高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情况。

随着BIM技术快速发展，其为建筑节能设计提供一个全新的思路。因此，世界各国都致力于分析研究基于BIM技术的性能、基于BIM技术建筑节能设计和整个命周期管理等BIM技术应用[1]。K.Tantisevi等人研究了基于BIM技术的建筑维护结构整体传热计算。P.E.Moakher研究了BIM技术在能耗分析中的应用。P.Sanguinetti等人探讨了BIM和仿真分析模型之间交互的问题。S.Azhar研究了BIM技术在可持续设计和LEED评价中的应用[2]。BIM技术弥补了在分析和设计效率的传统建筑节能设计的缺陷。然而当前这种应用还不成熟，未能形成系统的应用标准和理论，有待进一步研究分析[3-6]。

BIM（Building Information Model）最早是美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业博士Chuck Eastman提出的。BIM平台是将建筑生命周期内与建筑建造和使用维护过程中的信息（主要包括影响施工阶段、设计阶段、运营维护等阶段）整合在一个建筑模型中。BIM的目的是构建一个有助于协作和执行能力的信息交流平台，帮助项目参与方及时获取信息和自由添加信息，提高工作效率和工程质量。简而言之，就是在项目实施之前，预先在电脑上模拟一遍，各专业工程师在BIM平台下协调优化工程方案。这样可以预先发现实际施工过程中可能出现的问题，提高对实际工程的进度控制和质量控制。基于BIM平台创建的建筑信息模型在多个专业学科之间，甚至整个生命周期内都具有协调性。因此，根据文档保存的需要，BIM平台中创建的三维模型也可以转化为传统的2D施工图。BIM模型根据不同专业分析的需要，可经简化后导入到专业分析软件进行计算分析和造价计算，使得各专业分析人员更加专注于考虑不同的工况设置和设计性能的计算分析，而减少在基础建模上浪费更多的时间。

基于BIM技术的建筑节能模拟体系是在以BIM模型和相关模拟分析软件的基础之上，将气候环境等相关因素的影响考虑进去，创建一个环境模拟分析的平台，在该平台上利用模拟分析的结果调整建筑节能设计阶段的成果，优化建筑的空间布局[7-9]。本文选择REVIT软件与BIM的环境模拟的分析工具软件：ECOTECT、Cadna/A、Phoneics相结合，可以得到设计初期基本数据。

Ecotect软件可以通过多种方式与三维建模软件进行数据的快速交换。gbXML格式是基于空间之上来建立模型的，它其中的一部分与非建筑围护结构相关的数据在交换过程中很可能会丢失，dxf和3ds格式是两种相对较为真实的三维数据模型。如果三维模型中有较为复杂的部分，这时一般会对其进行简化处理以增强三维数据模型在导出时候的使用性能。在建筑节能设计阶段，Revit模型在选取gbXML格式的时候。首先需要定义好房间的属性。选用dxf格式时，可以用一些简化的模型进行操作然后使用快捷导入Ecotect中，对模型进行日照采光的模拟分析。而用Sketchup模型则也可通过dxf格式导入到Ecotect中进行模拟分析。Sketchup导入后会显示三角面，只需在Ecotect中对其执行合并三角的命令即可。

Ecotect软件的数据并非是相互流通的，它与其他的数据是单向的进行交换（见图1）。因此三维建筑数据模型可以导入Ecotect中进行模拟和数据分析，但是模拟分析的结果只能作为一个参照依据，是无法再将结果导入到三维建筑数据模型中进行深入处理。

图1 三维建模与模拟分析软件的交流形式

建设项目的可日照采光环境、热环境、风环境、室内外声环境等指标早就在项目开发之前就已经基本确定下来，可是因为技术缺陷的原因，普通的建设项目很难有充足时间和经费对以上所述的各个指标进行多方面细致的的模拟分析，而BIM技术就可能广泛应用在建筑性能分析中。

提高建筑周围的舒适度，通过改善建筑方案、调整居住区流场分布，减弱涡流和滞风现象，改善居住区的环境质量，模拟分析在大风作用下，有哪些区域可能会因为狭管效应从而带来安全隐患等。其所涉及到的BIM风热环境模拟分析方法的基础是指将Revit与其CFD流体力学模拟分析插件二者进行结合分析的方法。这种分析方法在BIM场地模型中可以对周围的生态信息进行编辑，在将其与提取相关的风速、风频、浪频等信息进行结合，从而可以左右BIM分析的参数设置条件，再由BIM的代表性软件如：SIMULATION等对其分析，结合分析结果，综合的考虑建筑整体的环境效果。

在项目开发的前期阶段，充分考虑项目所在地的气候、地形条件等，借助风环境模拟软件比较分析不同方案，最终选择合理的规划方案达到优化气候环境，节约土地的目的。

分析建筑设计方案的自然采光效果，通过改善建筑造型、布局，建筑材料的使用等，调整采用自然采光，从而根据采光效果进行室内布局优化等。

分析建筑设计方案，采用改善通风口位置、尺寸等改善室内流场分布，并且引导室内气流组织高效的流动，提高室内舒适度。

对热岛效应进行模拟分析，采用最合理的建筑单体设计、整体布局和改善周边绿化环境等方式消弱热岛效应。

用噪声模拟软件构建建筑物的数据模型，通过对建筑物周边的声环境进行模拟分析，通过对建筑物的用材、建筑内部的布局变化的手段来预测和评价建筑声学质量，提出合理的建筑声学优化方案。

本文选择合肥市第七十中学建筑为例分析其建筑节能应用。项目地块位于胜利路，临泉路北侧，红星家园小区的东侧，场地基本平整。校区规划红线面积为8748.27m2，总建筑面积为4718.14m2，其中已建建筑面积为2192m2，新规划建筑面积为2726.14m2，容积率0.54，建筑密度15.3%，建筑高度19.6m，框架结构形式，使用年限为50年，地上5层，抗震等级7度，建筑耐火等级二级（见图2～4）。

本项目为扩建项目，在原有建筑基础上在规划区内新增加1座教学综合楼以及报告厅，扩建后教室增加到25个，标准物理、化学、小学实验室各1个，计算机室1个，并增加相应的办公场所。新建建筑的三维图见图5。

项目强调全区建设的整体性，将建筑的功能布局、道路系统、绿化系统与基础设施等，进行统一规划形成统一整体。在整体布局的基础上结合建设要求，强化规划的相对独立性尽量构筑人车分流交通系统，减少车辆通行对校区的干扰。建筑分布遵循地貌、景观位置以及朝向的改变，在局部区域内具有雅致悠然的空间形态，为学生提供一个舒适的学习环境。

图2 项目总平面图

图3 规划结构图

图4 功能分析图

图5 项目Revit三维模型图

本项目为中学校园，初中阶段是学生世界观形成的重要阶段，校园作为初中生接受教育的重要场所，创造符合初中生学习要求的绿色校园是本项目设计的首要任务，节约整洁的教学楼、宽阔的运动场营造出积极向上的校园氛围。

5.2.1 和谐原则

建筑是由人类行为影响而产生的结果，因为建筑的设计、施工和运维的各个阶段都有损耗，其他因素干扰建筑的实际作用，所以本项目要强调建筑要拥有和谐的体系、系统、关系的重要原则。

本项目在设计中充分考虑与场地和周边建筑的关系，在保证优质校园环境的前提下，充分利用场地进行最大化的开发应用，在满足建筑基本功能的基础上，建立与周边建筑良好的对话关系，使之融为一体，并在功能空间上相互补充相互影响，为人们提供更为合理的功能空间。

5.2.2 适地原则

所有城市的建设、规划、或者单位工程项目，都必须对指定地方的周围环境等条件进行评价分析，其中涵盖了当地的气候特征、地方的文化习俗、地理因素、能源分布、建筑机理特征等条件，如地方建筑材料利用的强度与持久性和当地对建筑的限制现状等。因此，必须结合合肥地区当地自然、人文环境设计。

本项目在原有场地建筑的基础上进行规划设计。建筑南北向布置，充分增加了建筑的采光和通风，并与原有建筑保持一定距离，减少对已有建筑通风采光以及噪声的影响。建筑造型简单，与原有建筑相辅相成，尽可能的融入到场地中，做到适地而建。

5.2.3 节约原则

重点突出“节能省地”原则。节省土地首先从规划阶段开始，通过详细分析建筑用地的比例关系，合理进行分配，提升土地利用率。节能技术主要依据蓄热方式来降低能量消耗的原理来提高能源的使用效率，并且对例如风能、太阳能、海洋能、生物能、水利能等可再生的自然资源进行充分的利用，降低对不可再生资源的使用。还可以结合当地的气候特点，在建筑设计时考虑当地的太阳及风的运行规律，把通风及太阳光等可利用的节能措施加入进去以降低能耗。

本设计充分利用场地，最大化的规划设计。建筑造型简单无多余的构架，节约材料。建筑外立面颜色为浅色暖色调，不仅符合学校建筑的特点，而且还能有效降低太阳辐射，降低环境温度，提高舒适度。建筑北侧外立面增加了立体绿化，改善了场地的微环境，同时也为已建建筑增加了一抹绿色，增进了新老建筑的对话，丰富了课余生活。

5.2.4 舒适原则

舒适要求与资源占用及能量消耗在建筑建造、使用维护管理中一直是一个矛盾体。在绿色建筑中强调舒适原则并不是以放弃建筑的舒适度为前提，而是以满足人们的居住的舒适度为标准，应用材料的保温性能，提高维护结构的保温性和隔热性，利用太阳能冬季取暖夏季降温的特性，用遮阳设备来降温，预防夏季温度过高，从而使室内环境更加舒适。考虑到本项目使用者主要为中学师生，为向中学师生提供一个安静的学习环境，建筑及周边的声环境良好是本项目必须体现的舒适原则。

本项目主要功能房间布置在南侧，增加了南侧的采光，通风，拥有开阔的视野，有助于学生眼睛的保护。建筑功能合理，动静分区，在满足基本空间的前提下尽量减少辅助空间，增加建筑空间的利用率。建筑入口设有无障碍通道及无障碍卫生间，满足不同人群的需求。

根据合肥市《关于加强新建民用建筑设计方案建筑节能和绿色建筑管理工作的通知》（合规[2014]129号）等有关规定、本项目综合规划及业主要求，本项目应满足《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）绿色公共建筑一星级设计要求。

5.3.1 日照模拟分析

日照方面，项目南侧为学校广场和运动场地，对教学楼和报告厅无遮挡，保障了教学楼的主要功能房间在冬至日平均达到4h左右的日照。同时，结合《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）第4.1.4的要求，本项目的新建建筑未降低周边建筑的日照标准，使项目北侧已建建筑的主要功能房间在冬至日平均达到2h左右的日照（见图6）。

图6 学校日照模拟分析图

5.3.2 室外风环境模拟分析

为了让模拟分析的结果更加真实，采用对建筑所在的实际地理位置的风速与风向进行分析。利用风玫瑰图，利用给出的频率最多的风速风向情况，确定当地平均风速作为模拟区域的输入条件（见图7和表1）。根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》可知合肥地区的冬季、夏季以及过渡季节在最多风向条件下的风速情况。

图7 项目及周边建筑模型

项目所在地气象参数表 表1

5.3.2.1 冬季典型风速和风向条件

图8 风速云图（1.5m高度处）

图9 风速放大系数图（1.5m高度处）

图10 迎风面风压图

图11 背风面风压图

项目冬季典型风速和风向情况见图8～11，由上述图形模拟结果分析得出，在冬季室外最多风向平均风速为3.5m/s的NNE风场下，建筑室外人行高度1.5m处的最大风速不超过3m/s，风速放大系数最大值小于1.5，教学楼和报告厅的迎风面与背风面表面风压差整体上在3.5Pa左右。

《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）中4.2.6条要求“在冬季典型风速和风向的条件下，建筑物周围人行区风速小于5m/s，且室外风速放大系数小于2；除迎风第一排建筑外，建筑迎风面与背风面表面风压差不大于5Pa”。因此，在冬季典型风速和风向条件下，项目符合规范对场地内风环境的要求。

5.3.2.2 夏季典型风速和风向条件

项目夏季典型风速和风向情况如图12～15所示。

图12 风速云图（1.5m高度处）

图13 风速矢量图（1.5m高度处）

图14 迎风面风压图

图15 背风面风压

5.3.2.3 过渡季典型风速和风向条件

项目过渡季典型风速和风向情况如图16～19所示。

图16 风速云图（1.5m高度处）

图17 风速矢量图（1.5m高度处）

图18 迎风面风压图

图19 背风面风压图

从上述图形模拟结果分析得出，在过渡季、夏季典型风速和风向条件下，教学楼和报告厅周边活动区域未出现涡旋，大部分区域风环境情况良好。

《绿色建筑评价标准》（GB50378-2014）中4.2.6条要求“在过渡季、夏季典型风速和风向条件下，场地内人活动区不出现涡旋或无风区，50%以上可开启外窗室内外表面的风压差大于0.5Pa”。因此，在过渡季、夏季典型风速和风向条件下，项目符合规范对场地内风环境的要求。

5.3.3 室外声环境模拟分析

本报告分析模型主要包括合肥市七十中学的教学楼、报告厅、校园内已建建筑、周边建筑物及道路等影响因素，分析模型见图20。

图20 项目环境噪声模拟分析模型

该项目周围道路分别为临泉路、桃溪路和昌盛路。根据《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012）的要求，在城市主干路设计速度取60km/h，城市次干路设计速度为30km/h。昼间模拟结果见图21～24。

图21 整体平面噪声分布图

图22 教学楼及报告厅噪声分布

图23 西北侧立面噪声分布图

图24 东南侧立面噪声分布图

根据以上声环境模拟分析可以看出，本项目场地内噪声主要由周边道路的车辆噪声产生，从以上分析结果可以看出，本项目场地内昼间噪声最大值为48dB，夜间最大值为38dB，噪声环境良好，满足《声环境质量标准》（GB3096-2008）的相关要求，即满足昼间噪声不大于55dB、夜间不大于45dB，符合《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）第4.2.5条款要求：场地内环境噪声符合现行国家标准《声环境质量标准》（GB3096-2008）的有关规定。

本文介绍了我国建筑节能现状，探讨了在建筑节能设计中BIM数据的交换方式，分析了在建筑节能中基于BIM的建筑性能化分析，通过BIM软件对建筑周边的日照环境、风环境、声环境的模拟分析提出优化方案。研究通过分析合肥市第七十中学的项目，针对学校的日照采光、室内外风环境、声环境模拟，结合建筑节能规范和绿色建筑规范，做出节能评估进行改进。

[1]秦军.建筑设计阶段的BIM应用建筑技术[J].BIM服务，2015(1)：160-163.

[2]杨德磊.国外BIM应用现状综述[J].土木工程信息技术，2013，5(6)：89-93.

[3]方婉蓉.基于BIM技术的建筑结构协同设计研究[D].武汉：武汉科技大学，2013.

[4]张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术，2011(1)：15-18.

[5]杰里·莱瑟林，王新.BIM的历史[J].建筑创作，2011(4)：146-159.

[6]H.Edward Goldberg,The Building Information Model,CADalyst.Eugene,2004,21(11)：56-58.

[7]黄春成.基于软件模拟的超低能耗建筑能耗状况研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2013.

[8]曾统华.基于BIM技术的建筑节能设计软件研制及应用[D].北京：清华大学，2012.

[9]冯剑.业主基于BIM技术的项目管理成熟度模型研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.

综上所述，要实现围护结构的砂加气块非承重墙体自保温，并能满足国家、地方建筑节能设计标准，就必须要对保温砌体结构、建筑墙体热桥部位的附加保温、墙体抗裂处理、细部防水节点等，进行精心设计、精心施工。只有这样围护结构节能与建筑同寿命的质量和安全才能保证。

TU201.5

A

1007-7359（2016）05-0037-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.009

王昭仙（1979-），男，山东济南人，毕业于山东建筑大学，学士，国家注册一级建造师。