基于BIM 的公共建筑能耗估算与模拟

何立华，崔 萧，胡清畅

（1.中国石油大学（华东） 经济管理学院，山东 青岛266580，E-mail：lihuahesd@163.com；2. 中国石油大学（华东） 能源经济与政策研究院，山东 青岛266580）

目前，能源消耗问题在世界各国备受瞩目，其中建筑行业所消耗的能源总量巨大，对能源造成的负担较重，并对生态文明建设产生重大影响。据2017 年由中国建筑节能协会能耗统计专业委会发布的《中国建筑能耗研究报告（2017 年）》可知：2016 年，中国建筑能源消费总量为8.57 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的19.93%；建筑碳排放总量为19.6 亿吨CO2，约占全国能源碳排放量的19.0%。此外，公共建筑是城市进行公共活动的主要建筑场所，在人民生活水平不断提高的同时，公共建筑的结构和功能也在不断更新，这导致了公共建筑的能耗成为建筑总能耗的主要贡献力量，且近年来一直保持增长的趋势[1]。因此，为了实现建设低碳经济，完成节能减排的目标，保持经济的可持续发展，如何解决公共建筑能耗量大以及高性能需求的问题，提高公共建筑的能源利用效率迫在眉睫。

近年来，诸多学者就建筑能耗的影响因素以及各因素间的相互作用进行了大量研究，建筑能耗的影响因素众多，不同的学者所研究的侧重点不尽相同。刘菁等[2]基于系统动力学的原理对影响建筑能耗的不同因素设置不同的仿真场景来预测建筑碳排放的发展趋势，并验证了模型和实际情况相吻合，为建筑实现节能减排提供了理论依据。王霞等[3]通过定性与定量相结合的方法研究建筑能耗增长驱动因素，定性分析缓解建筑能耗增长的影响因素，定量分析其对节能的贡献程度，从总体、时间区间分解以及各因素的影响程度3 个不同方面进行解析。此外，一些学者又分析了与建筑能耗相关的各因素间的影响关系，如冯亚娟等[4]利用相关分析理论研究城市居民建筑能耗因素间及其与能耗间的相关程度，并借鉴鱼骨图分析原理，得出各因素与能耗间的潜在关系，从而确定其权重，利用SVM原理建立城市住宅能耗预测模型，对进一步确定建筑能耗影响因素的权重提取与确定具有重要意义。上述研究均采用传统的能耗分析方法，对于建筑能耗复杂的动态变化过程无法有效模拟，因此会给计算结果带来较大的误差，即在建筑能耗情景分析的开展上存在局限性。

自从BIM 软件在建筑业得到大力发展与应用后，国内外学者基于BIM 工具就建筑能耗进行了大量的研究：杨文领[5]通过分析比较基于传统技术的建筑能耗评价方法和借助BIM 平台绿色建筑能耗评价方法，通过AHP 方法确定影响能耗指标的权重程度，提出了BIM 技术下的绿色建筑能耗评价模型，以实际案例验证了所提模型的科学性和可行性。高明[6]从建筑围护结构、气候与天气条件、建筑朝向与形体选择及遮阳设计等不同角度进行建筑能耗分析，应用BIM 进行了节能策略的选择分析。梁玉美[7]在以往BIM 的平台上结合Dynamo for Revit 可视化编程平台，实现对建筑围护结构参数的自动化设置与提取，并建立模型确定各参数与建筑耗电量和能源消耗量的关系，为建筑节能定量分析措施提供理论参考。在对基本的能耗性能分析的基础上，一些学者着眼于建筑能耗的其他不常见的影响因素及建筑性能，并证明这对建筑能耗的研究工作具有深远意义。还有一些学者对建筑的声学性能及太阳辐射性能等其他方面也进行了定量分析，从而实现建筑的可持续设计，如Habibi S[8]利用BIM工具来对建筑物的自然通风、日光效率、声学性能和材料热性能等方面进行分析，通过基于BIM 的建筑性能分析的开发和内部遮阳元素的验证及改造策略，来提高能源效率并改善居住舒适条件。Sanhudo L[9]对BIM 软件以及能耗估算软件进行全面审查与对比，并通过对既有建筑现场数据的采集，结合BIM 以及数据传输技术完成建筑能源模型的生成、建筑节能以及能源改造的工作。

目前我国公共建筑的用能强度远远高于住宅建筑，尤其对大型公共建筑来说节能潜力相对较大，公共建筑的高能耗、高性能需求是最主要的关注对象。除此之外，借用BIM 技术可以解决传统能耗估算方法中的复杂数据集成共享、信息可视化、复杂的动态模拟以及准确性问题。基于此，本文对公共建筑能耗影响因素进行研究，建立公共建筑能耗估算体系，并借助BIM 平台优势解决了传统能耗分析方法对能耗数据量化不准确的局限性问题，以实现信息处理的可视化以及建筑能耗复杂的动态变化过程的有效模拟。

1 公共建筑能耗估算体系

1.1 公共建筑能耗影响因素分析

本文通过对国内外建筑能耗影响因素的相关文献进行分析，发现影响建筑物能耗的因素错综复杂，并不是单一的因素决定了建筑能耗水平。不仅建筑物的维护结构材料会对建筑能耗产生影响，外围护结构的总传热系数、房间内部的蓄热能力、建筑物内用电设备的组成及各自的耗电能力对能耗量的贡献也会起到影响作用，建筑物本身的结构及所处的地理环境也是一个相当重要的影响因素。

综上，本文将影响公共建筑能耗的因素总体上概括为3 个方面：环境因素、设备因素和建筑围护结构因素，如表1 所示。

表1 公共建筑能耗影响因素

1.2 公共建筑能耗估算指标体系构建

通过对公共建筑能耗影响因素的文献梳理及总结，建立了公共建筑能耗估算体系。整个体系包含的内容较多，本文将从围护结构因素中的热工性能与建筑位置，环境因素中的太阳辐射与太阳利用、通风性能以及设备因素中的光环境、日照与遮挡以及空调与采暖系统7 个方面对建筑进行能源消耗估算。对这7 个指标进行细化分析，结合建筑耗能的特点，进一步删减得到二级指标，最终指标体系如表2 所示。

表2 公共建筑能耗估算指标体系

2 基于BIM 的公共建筑能耗估算模型

2.1 基于BIM 的公共建筑能耗估算流程

公共建筑能耗估算指标体系确定后，需要对整个估算流程进行确定，为了解决传统建筑能耗流程的不足，将BIM 工具嵌入其中，而BIM 不仅仅只是应用可视化平台，整个估算流程的组织包括数据的获取、转换与传递，这不仅对情景分析发挥关键作用，也对后续模型的可传递、再利用以及模型的设计变更具有重要意义。

本文所采用的建筑性能分析软件是Ecotect，Autodesk 公司的一款能量分析软件，该软件操作简便，与传统的BIM 软件的操作页面相仿，页面简洁对设计人员较友好，对专业要求较低，且功能齐全，相比于其他能量模拟软件，分析功能较全面，增加了传统软件无法进行的声学分析以及经济指标分析的功能。

基于BIM 的公共建筑能耗估算流程分为数据的获取、BIM 软件与能耗模拟软件的建模与交互操作以及建筑能耗估算分析三部分，如图1 所示。借助BIM 平台，设计师通过3D 信息模型建模并进行可视化情景分析，然后利用Ecotect Analysis 与Revit建模软件的文件数据转换，二者以gbXML 语言进行兼容交互，也可以直接使用Ecotect Analysis 软件构建模型并进行能耗分析，包括围护结构的热工性能、太阳能与太阳辐射、通风性能、光环境、日照遮挡的分析以及特有的声学分析和经济指标分析。

图1 基于BIM 技术的公共建筑能耗估算流程

基于BIM 平台的公共建筑能耗估算流程确定后，需要将其与构建的公共建筑能耗估算指标体系内容相结合，即以通常使用的Revit 或AECOsim Building Designer 工具进行建模，然后以gbXML 语言输出，从而实现BIM 模型与建筑能耗分析软件Ecotect 的交互操作。依据上述所提出的建筑能耗估算体系，在复杂且众多的影响中识别出最为关键的因素进行能耗估算。所提出的建筑能耗估算体系为BIM 工具提供指导，BIM 工具实现了建筑能耗估算体系所提出内容的估算工作，二者相辅相成，使建筑能耗的估算工作既做到全面、高效同时又实现可视、精准。BIM 与公共建筑能耗估算体系集成流程如图2 所示。

图2 BIM 与公共建筑能耗估算体系集成流程

2.2 基于BIM 与传统公共建筑能耗估算流程对比

传统的建筑能耗估算分析（流程见图3）是在施工图设计完成后进行，有的甚至在建筑项目竣工并移交后才进行，建筑能耗估算分析后，如果不符合建筑节能的设计标准需要对建筑结构参数设计进行返工修改的话会很繁琐，这个过程耗时相对较长，并影响后续的建筑能耗分析工作；此外，建设项目是一个多方参与的项目，一旦需要设计变更，会要求设计方、施工单位乃至后续的运营单位进行协调，如果避免这种协调而修改标准，不利于建筑的节能发展，如果对设计进行修改，各方工作的统筹也是一个关键问题，否则会影响项目的进度安排。

图3 传统公共建筑能耗估算流程

与传统能耗分析流程不同，借用BIM 软件对建筑能耗进行估算分析时，设计人员在建筑设计阶段即可介入，早期介入不仅省时，减少不必要的工作且利于后期设计变更；此外，BIM 模型有利于各方的相互交流，扩展了彼此的沟通渠道并减少交流的壁垒，BIM 模型还具有后续使用性，设计阶段进行能耗分析后，模型可以指导后续施工阶段的安装以及建筑产品交付使用后的运营和维护。

基于BIM 技术的建筑能耗估算流程相比于传统的能耗分析得到了更大的简化，分析结果相比之前主要用枯燥的数字表达，生动的动画与色彩鲜艳的图表提高了结果的可读性，基于BIM 与传统的公共建筑能耗估算流程对比如表3 所示。

表3 基于BIM 与传统的公共建筑能耗估算流程对比

2.3 基于BIM 与传统的公共建筑能耗估算结果的科学性对比

传统的建筑能耗估算方法采用稳态传热的原理，而影响建筑能耗的因素众多，建筑能耗模拟过程本身也是复杂动态的，而该方法没有考虑复杂因素间的相互作用，因此会对能耗模拟分析结果带来较大的误差。基于BIM 的建筑能耗模拟方法解决了上述传统方法的不足，借用BIM 情景分析平台实现建筑能耗复杂的动态变化过程，Ecotect 软件使用的是准入系数法，即动态模拟法，可以对复杂动态的过程进行严谨的模拟，并考虑复杂因素间的相互作用，相比传统的方法精确度要高，估算结果则更具有科学性和严谨性

此外，该方法的另一个特点是灵活性较强，它对建筑模型的区域数量划分没有限制，在对建筑模型进行日照遮挡等操作模拟后，结果会以图表以及数据的方式快速生成。目前，准入系数法的精确且灵活的特点使它成为建筑能耗估算方法中最常使用的方法，因此，一些应用此方法的建筑能耗分析软件得到广泛应用。

3 案例分析

3.1 背景信息

本文选择位于抚顺市的一栋7 层教学建筑，总建筑面积13000m2，主体结构形式为钢筋混凝土框架结构。通过建立该教学楼的BIM 模型，并导入到Ecotect 能耗估算软件中对该教学楼进行围护结构的热工性能、太阳能与太阳辐射、通风性能、光环境以及日照遮挡的分析。

抚顺位于辽宁省东部，属于温带大陆性季风气候。年平均气温为5℃~7℃，年平均降水量为760mm~790mm，夏季炎热多雨，冬季寒冷漫长，四季分明的特点对能耗分析具有典型意义。

3.2 能耗分析

3.2.1 太阳辐射分析

在Ecotect 热工分析选项中，设置时间与地理环境后，计算可得出日平均太阳辐射照度图（见图4）。太阳辐射能将热量传入室内，图中浅色部分表示日平均太阳辐射区域，该建筑最高太阳辐射照度为241.496W/m2，根据《建筑采光设计标准》（GB/T 5003-2013）的要求在600W/m2以下，该建筑的屋顶可以不考虑遮阳设计。

图4 日平均太阳辐射照度图

3.2.2 日照遮挡分析

通过分析太阳的运行轨迹可以得出房间全年以及全日各个时段的室内日照情况。进入分析页面，通过阴影设定得出全年太阳轨迹图，并通过设置遮阳构件模拟遮阳构建的遮挡情况。

已知该教学楼的使用时间为上午7时至晚上10时，通过太阳运行轨迹图（见图5 和图6）结合直接太阳得热图（见图7），颜色的深浅程度表示太阳得热程度，即颜色越深表示得热越高，由此可以看出，该建筑的日照充足，窗户为南向窗，建筑朝向合理。由图得出，正午11 时至14 时的直接太阳得热较高，初步判定为现有的遮阳方式不够合理，可以考虑改进建筑的遮阳方式。

图5 冬至日全天太阳轨迹

图6 全年太阳轨迹

图7 直接太阳得热图

3.2.3 围护结构的热工性能

进入热工分析界面，设定气象环境、时间等参数后，得出通风得热图（见图8）。根据通风得热图可分析室内的热环境情况。

图8 通风得热图

图8 中，颜色深浅表示通风得热程度，即颜色越深表示通风得热越高，参考《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015），在无空调环境下，夏季得热较高冬季得热较低。冬季可减少通风换气的频率，夏季可考虑增加空调通风设备提高人体热环境下的舒适度。

3.2.4 光环境分析

进入Ecotect 分析网格，设置好建筑平面网格参数，可进行室内采光和照明分析。室内照明所占建筑能耗的比重较大，阴天的采光模拟分析对建筑的节能改造具有重要意义。

光环境分为室内光环境与室外光环境，建筑光环境的设计中需要符合人体视觉舒度的要求，合理利用自然光源与人工光源，尽量使用自然光源、节能灯具。采光模拟分析图（见图9）中下方浅色的显色部分表示采光度，由图可看出阴天采光系数大于2%的面积并低于总面积的75%以上，根据《建筑采光设计标准》（GB/T 5003-2013），应使用人工光源，并适当增加灯具的数量。

图9 阴天采光模拟分析效果图

3.3 结果分析及建议

在公共建筑的节能分析中本文通过软件设置相应系数，如建筑围护结构的材料，建筑所处位置地区、建筑面积，照明设备及遮阳构件的分布及数量，通风换气的频率等参数得到该建筑物全年的太阳辐射、直接太阳得热以及通风得热的总能耗结果，如表4 所示。

表4 能耗评价结果

通过Ecotect 软件对建筑的太阳辐射、太阳运行轨迹、直接太阳得热和室内采光情况进行了模拟分析。结合以上几个指标的逐月能耗对比图（见图10）分析可知，1、2、12 月制热能耗高，6 月~9 月空调制冷能源消耗较大。可以得出相关建议，即冬季可适当减少通风换气的频率，以降低建筑能耗并实现建筑节能。

图10 建筑能耗逐月对比图

4 结语

本文建立了公共建筑能耗估算体系，构建了基于BIM 的公共建筑能耗估算模型，利用BIM 平台的优势不仅解决了传统能耗分析方法中复杂数据的集成共享问题，同时实现建筑能耗复杂的动态变化过程，还能实现了信息的可视化并提高了数据量化的精确度，使建筑能耗的估算工作既做到全面、高效同时又实现可视、精准，可为建筑能耗分析工作提供依据。然而，在进行案例分析时，仍具有一定的局限性，比如所评估的耗能环境并不充分，未考虑人员行为这一复杂因素，会对能耗评估结果有所影响；此外，本文在所提出的公共建筑能耗估算体系的基础上综合考虑各因素对总能耗的影响，单个因素对建筑能耗的影响作用、各因素间是否存在相互作用及如何相互影响、研究各因素作用时的权重如何科学确定是下一步工作的重点。