基于BIM 技术的全生命周期绿色建筑评价研究

孙德熙，王聪聪，杜培群，蔺汉清，于慧俐

青岛理工大学，山东 青岛 266033

我国建筑行业发展迅速，市场庞大，而建筑能耗也更加受到人们的关注。运用BIM 技术，对建筑环境（建筑负荷，建筑采光，建筑日照，建筑风环境）进行模拟分析，采集绿色建筑的全生命周期数据，大大提高了绿色建筑节能设计的可靠性。

1 BIM 用于绿色建筑分析的优势

BIM 技术即建筑信息模型技术，本质上是一种基于数据库的建筑工程信息化解决方案，而不仅仅是三维建筑模型。绿色建筑要求建筑从规划、设计、施工、运维到废弃等各个阶段，都实现节约资源与能源、减少污染排放。根据这些定义，可以进一步分析出BIM 技术在绿色建筑应用中的优势。

1.1 覆盖建筑的全生命周期

由上文所述，绿色建筑对全生命周期中的每个阶段都提出了较高要求。在规划时，要考虑建筑的选址、地势、周边能源条件，以及建筑群的室外风环境、日照情况等。在设计阶段，需要明确围护结构的热工特性，以及空调系统设计方案等。在运行维护阶段，建筑内部的照明、设备、人员变化，以及外部的气候变化都会对能耗带来影响。在建筑拆除阶段，需要统计建筑废物的材料、种类和数量。以上种种信息，都是绿色建筑应用过程中对能耗和污染排量产生主导影响的参数［1］。而BIM 技术恰巧具有强大的建筑相关数据统计和处理功能，可实现数据的精细化储存和实时化修正，也可将建筑模型中的每个图元进行数字化导入导出，便于互联其他软件，进行绿建指标的模拟计算。

1.2 各专业协同工作

传统建筑设计模式下，建筑、结构、暖通、机电等各专业需按照一定的先后顺序依次开展工作，专业之间的不了解会带来不可避免的误会与矛盾，往往需要大量地修改返工。同时，设计、施工和运行阶段也相互割裂，信息共享不顺畅、不精准。BIM 技术则可以通过数据网络的互通共享改善这些问题。各专业可在同一模型内同时进行设计，并实时提出修改意见，缩短设计周期。在设计阶段可以通过模拟施工、模拟计算等手段寻找谬误、迅速改正，减少施工返工带来的额外工作量。在运行阶段也可参考设计与施工参数，因地制宜地确定运行方案。

1.3 可视化

BIM 技术在3D 建模方面有突出的优势，可在平、立、剖面图的基础上形成精细的立体模型，还可对各构件、机电设备管件进行空间位置的碰撞检查，并导出三维漫游视图，有利于施工人员更加形象地了解设计方案，进行准确施工。绿建分析软件的基础往往都是建筑的三维模型，只要通过一定的模式将BIM 模型导出为软件可以识别的格式，就可直接进行分析，避免二次建模的麻烦。

2 BIM 绿色建筑信息模型数据标准

主流的BIM 绿建信息标准有IFC 与gbXML。IFC 标准存在一定的问题，包括无法精准定义某些建筑实体、模型与分析软件之间互通性较差等，因此不能很好地满足协同工作、数据共享的要求。为此，gbXML 标准应运而生，该格式可将BIM 建筑模型的绿建信息完整导出，直接应用于其他绿建分析软件。现在最新的gbXML 版本为2017 年1 月发布的6.01，其包含的主要节点元素如表1 所示［2］。

3 BIM 技术在绿色建筑的工程实例

表1 gbXML 主要节点元素介绍

3.1 工程概况

以某3 层办公楼作为应用对象，设计地点为青岛市，建筑面积约2057m2。建筑BIM 模型如下图所示，使用的绿建分析软件有鸿业全年负荷计算及能耗分析软件、鸿业CFD 风环境模拟软件、鸿业日照分析软件［3］。

图1 建筑BIM 模型示意图

3.2 建筑负荷与能耗分析

通过对全年逐时负荷的模拟计算，得到了冷、热负荷的设计值与最大值，如表2 所示。

表2 负荷结果统计

将该建筑的制冷季设定为5 月1 日至9 月30 日，采暖季设定为11 月15 日至3 月15 日，其余时间为过渡季。排除过渡季之后，全年逐时负荷的分布情况如下图所示。

图2 全年逐时负荷

可以看出，建筑的热负荷与常规建筑相比较大，冷热负荷比有些偏低，冬季保温措施需要加强，比如采用外墙复合保温材料、空气渗透量小的门窗等。

对建筑空调系统进行能耗模拟。冷热源采用空气源热泵系统，末端采用风机盘管+独立新风系统。同时，根据相关规范的要求选定一参考系统，冷热源采用电制冷机、热水锅炉，与设计系统进行对比。系统能耗结果如下表所示。

表3 能耗对比结果

结果显示该建筑空气源热泵系统节能幅度达到46.92%，有很好的实际应用价值。

3.3 风环境分析

本部分的主要目的是模拟建筑周边室外风环境以评价是否满足绿色建筑评价标准的要求。

夏季工况下，1.5m 人行高度主要活动区域通风流畅，周围没有形成较大的涡流区域。风速基本都处于合理的范围之内，风速分布在0～4.6m/s 之间，弱风区较少，非常适合人们在室外进行活动。风速放大系数在0～1.5 之间，均小于2，满足要求。迎风侧高层建筑前后表面静压差均在5Pa 以上，有利于夏季室内自然通风。

图3 夏季1.5m 高度风速云图

冬季工况下，人行高度通风流畅，冬季风环境较好，局部风速分布在5m/s 以上，不满足标准要求。风速放大系数在0～1.6 之间，均小于2，满足要求。冬季风最多风向情况下最高层门窗内外压差均在5Pa 以上。综上所述，该建筑在冬季需要采取一定的防风措施。

图4 冬季1.5m 高度风速云图

3.4 日照分析

太阳辐射对建筑负荷以及室内采光都有重要影响，需要考虑建筑之间的遮挡、朝向等因素对日照的作用。对该建筑及周边建筑群进行日照分析，得到日照等时线。分析结果显示，该建筑南向和西向的周边地面日照时数在2-4h 之间，最低层也能获得良好的日照；北向由于建筑自身的遮挡，日照时数为0，无法获得有效日照；红线范围内的大多数其他建筑在北向之外均能获得良好的日照。

进一步对主建筑室内房间进行窗日照时间分析，统计结果如下表所示。结果表明，各窗位最不利条件下总有效日照时间基本在2h 以上，或接近2h，可以较好地满足室内采光需求。

表4 窗日照时间分析

4 结语

本文对BIM 技术在绿色建筑领域的优势进行了论述，简单介绍了BIM 技术在绿色建筑信息方面的数据标准，并且以实际建筑为例对BIM 绿建设计分析进行了应用。结果表明，BIM 技术与绿色建筑分析技术有很好的协同效果，且将BIM 技术用于绿建分析，可多方位地发现建筑节能潜力，有利于设计人员提出有效的节能措施。二者的有机结合可以科学构建绿色建筑的环境评价体系，有助于推动绿色建筑在全社会更好地推广，具有显著的经济价值和社会意义。