基于BIM技术的绿色建筑设计优化研究

丁阳雪，郭 轩，霍海娥

(四川师范大学，四川 成都 610100)

0 前 言

目前，我国建筑业发展迅猛，其总产值在国民经济物质生产部门中占据第三位，仅次于农业、工业。2018年上半年完成建筑总产值94 790亿元，同比增长10.39%，建筑能耗消费总量为8.99亿t标准煤，占全国能耗消费总量的20.62%，我国建筑节能潜力巨大[1]。近年来，我国颁布了一系列政策引导建筑业向绿色建筑及建筑节能方向发展,2017年住建部发布《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，旨在建设节能低碳、绿色生态、集约高效的建筑用能体系。因此，绿色建筑是建筑节能的必要措施，是对我国可持续发展的主动响应，而只有实现建筑材料的可持续发展才能实现整体建筑产业的绿色可持续发展，其核心就是绿色生态可持续[2]。据统计，仅房屋工程所需要的建筑材料就有76大类，2 500多个规格，1 800多个品种，建筑产品成本的2/3属于材料费。建筑的不可持续发展很大程度上是因为建筑材料在生产和使用过程中的高能耗、严重的资源消耗和环境污染。因此，材料的选用很大程度上决定了建筑能耗的多少。

目前国内对于基于BIM(Building Information Modeling)技术的建筑设计方面的研究有：曾旭东等[3]在2006年首次提出将BIM技术与建筑能耗分析相结合进行节能建筑设计的这一新方法。2008年，李玉娟[4]探讨了如何在住宅建筑设计过程中，将BIM技术和各种技术结合起来，更好地实现建筑设计阶段尤其是方案阶段的住宅建筑设计，对住宅建筑进行全生命周期管理。2016年刁丽茹[5]提出运用建筑工程质量管理理论对绿色建筑设计质量管理及其设计质量评价进行研究，对运用BIM技术进行绿色建筑设计质量管理做了初步探讨。可见国内的相关研究大多从BIM技术的可视化及其信息化两个角度对建筑进行优化设计，对于建筑材料领域的优化设计较少。此外，绿色建筑设计质量的好坏需要通过绿色建筑评价进行验证，目前国内广泛采用的绿色建筑评价软件是绿建斯维尔软件，该软件是基于CAD开发的一款绿色建筑评价软件，可直接判定设计的建筑是否是绿色建筑，并可以判定其绿色建筑的等级。因此，本文以一栋教学楼为研究对象，首先用斯维尔绿色建筑评价软件判断是否满足节能要求，然后基于BIM技术采用多种节能材料对其节能效果进行研究。

1 BIM技术与斯维尔绿色建筑评价软件概述

1.1 BIM技术与绿建斯维尔软件简介

BIM是以建筑工程项目各项相关的信息数据作为模型基础进行建筑模型建立，并方便全部参与方利用建筑信息来指导决策工程活动的过程[6]。在《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014)中评价标准由节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量、施工管理、运营管理7 类指标组成。利用BIM技术建立的建筑模型，含有大量的建筑信息，可在不同软件进行交互应用，减少了在不同分析软件中建立模型的时间，提高了绿色建筑设计的效率和质量。

Revit软件中自带材料族库，但材料种类较少，不含有大部分新型绿色建筑材料，需要自行创建所需的建筑材料族。本文针对围护结构的部分绿色建筑材料进行研究，建立材料族如图1所示。

图1 本文建立的绿色建筑材料族

建筑节能是指在保证提高建筑舒适性的条件下，合理使用能源，不断提高能源利用效率[7]。针对不同地区的气候特点及不同的使用目的，我国出台了各相关节能评价标准，根据相关政策，结合工程实际情况，采用适合的节能新技术、新工艺、新设备、新材料和新产品，提高建筑保温隔热性能，才能更好地达到节能建筑标准的要求[8]。

绿建斯维尔软件“节能设计”板块以《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)为热工计算依据，按照国家、地方相关建筑节能设计技术标准、规范、规程，对建筑物进行规定性指标、性能权衡的判定，并可将计算结果以Word、Excel、Dwg等形式输出并用于施工图节能审查。基于我国绿色建筑评价标准所开发的绿建斯维尔软件可根据建筑模型所在地区，因地制宜地根据当地绿色建筑评价标准予以评价，弥补了国外能耗分析软件没有我国标准规范这一缺陷。

1.2 BIM技术与斯维尔绿色建筑评价软件的联系

目前我国绿色建筑处于高速发展阶段，利用CAD绘制二维平面图的传统设计模式，已无法满足时代要求，今后的绿色建筑设计将大量采用BIM技术建模。Revit模型相关数据的输出直接以设计模型为基础，数据信息可信度较高[9]。将Revit软件中的建筑模型以GBXML文件格式导入绿建斯维尔软件，但导入的建筑模型的构件信息会部分丢失，导致绿建斯维尔软件无法进行节能分析。基于Revit软件与绿建斯维尔软件数据不互通的情况，利用Revit软件的API接口进行二次开发，通过插件在建筑模型中提取绿色建筑评价所需数据，实现Revit软件与绿建斯维尔软件的交互应用。

2 基于BIM技术对绿色建筑设计优化

2.1 BIM模型建立

本文选取四川省宜宾市某多层教学楼进行绿色建筑设计优化，其总建筑面积为821.15 m2，建筑高度11.25 m，建筑体积3 260 m3。在对建筑进行节能分析前，采用Revit建立的三维模型如图2所示。

图2 教学楼BIM模型

2.2 建筑数据提取

基于本文的研究目的，需从Revit模型中提取出屋顶、外墙所采用的保温材料及建筑门、窗材料相关数据，如表1所示。

表1 围护结构参数表 单位：[W·(m2·K)-1]

提取到的参数数据无法在Revit软件与绿建斯维尔软件之间交互应用，因此利用Revit软件的API接口对软件进行二次开发，在BIM模型中提取绿色建筑评价所需数据并导入绿建斯维尔软件，实现Revit软件和绿建斯维尔软件的交互。

2.3 建筑热工分析

根据《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)中建筑热工设计原则相关规定(4.1.1)可知，宜宾市属于夏热冬冷地区，其设计原则必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。同时，根据此规范附件A“热工设计区属及室外气象参数”可知宜宾市气象参数如表2所示。

表2 宜宾市气象参数

由表2可知，宜宾市温度变化较大，夏热冬冷，需借助建筑保温系统的作用才能达到夏季防热，冬季保温的效果。

将所提取的模型数据导入绿建斯维尔软件中，可以进行节能分析。

得到分析结果如表 3所示。由表3可知：仅靠建筑现有的节能系统并不能满足《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014)中规定的要求，达到很好的保温隔热效果，因此，对该工程进行节能优化，以设计出符合《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)的绿色建筑。

2.4 建筑节能优化

通过查阅资料及市场调研，拟采用以下材料。

几种节能材料及其蓄热系数见表4。

表3 绿建斯维尔软件节能分析结果

依据单因素变量原则，采用上述材料可形成4×3×2×4=96种优化方案。依据《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)中建筑热工计算原则及公式计算材料的蓄热系数如下式：

式中，S为材料的蓄热系数，[W/(m2·K)]，应按规范要求取值；λ为材料的导热系数，[W/(m·K)]；C为材料的比热容，[KJ/(kg·K)]，应按规范要求取值；ρ为材料的密度，kg/m3；T为温度波动周期，h，一般取T=24 h；π为圆周率，取π=3.14。

将相关数据及模型导入绿建斯维尔软件内进行节能分析，结果如图3所示。

结果判断：由绿建斯维尔软件节能分析检查结果(见表3)可知，判断本建筑是否满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)，即比较设计建筑的综合权衡全年供暖和空调总耗电量Ed是否小于参照建筑的综合权衡Er，若Ed小于Er，则满足绿色建筑节能设计标准；反之，则不满足。

方案选取：从所有满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)的方案中，选择设计建筑综合权衡Ed最小的方案，此方案便是最优方案。在本工程中，①组合方案43号“无机轻集料憎水型膨胀岩保温板(90 mm)(屋顶)+无机轻集料憎水型膨胀岩保温板(90 mm)(外墙)+单层实体木制门(门)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”和②组合方案47号“无机轻集料憎水型膨胀岩保温板(90 mm)(屋顶)+无机轻集料憎水型膨胀岩保温板(90 mm)(外墙)+双层实体木制门(门)+6透明+9A+6透明+塑料窗框(窗)”均是最节能方案，其综合权衡Ed为9.82

图3 节能分析结果

表4 几种节能材料及其蓄热系数 单位：[W·(m2·K)-1]

3 结 语

本文综合应用BIM技术与绿色建筑评价软件斯维尔对四川省宜宾市某多层教学楼建筑进行了绿色建筑优化设计。针对5种节能材料，共96种组合进行了优化分析。通过模拟得出：组合方案43号和47号均为最优方案，其综合权衡Ed都为9.82，满足《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014)。在所选取的材料中，门的材料变化对建筑的保温效果影响十分微小，而节能材料中无机轻集料憎水型膨胀岩保温板(90 mm)材料节能效果最佳。本文实现了BIM模型与绿建斯维尔软件之间的交互，可为绿色建筑的设计及评价提供参考。

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