BIM技术在建筑节能设计中性能分析研究*

林乙玄（福建林业职业技术学院建筑工程系，福建南平 353000）

在经济社会的快速发展下，建筑工程数量与日俱增，规模不断扩大，对建筑质量的要求也在不断攀升，因此融入最新兴的科学技术迫在眉睫。建筑工程需要与现代化城市建设的要求相结合，利用BIM技术对建筑节能设计等问题进行深入研究，并将节能设计和绿色建筑的理念积极推广[1]。将BIM技术引入到建筑节能设计中来，能够更好地促进建筑行业的可持续发展，BIM技术以网络计算机技术为引擎，包含不同维度的信息数据，将这些同源异构的信息数据进行协调与关联，随时调取运用，能够为建筑的建设和运营提供良好的支撑。运用相关软件导入模体来获得建筑具体信息，才能够将建筑的各个环节更好地体现出来，有效解决传统建筑设计中的弊端，使得建筑整体得到优化。

1 项目背景

项目基地位于福建省南平市，东侧毗邻中学，西临南平市西桥南路，场地周边主要分布教学建筑和学生公寓及民居住宅建筑，场地西侧和东侧分布一些商业经营建筑。前期调研分析确定该场地定义为社交、参观、游览、健身等功能为一体的社区活动中心。通过收集编制WEA气象数据文件，使用Ecotect软件对南平市各朝向太阳辐射进行分析对比[2]，以及获取风向玫瑰图和全年气候综合图，为后期规划设计做指导。通过分析可得：最优朝向为162°，最劣朝向为72.5°；南平属于亚热带温润季风气候，夏秋季节主导风向为东南季风，冬春季节主导风向为西北风[3]。

该项目的概念意向分为设计意向和技术意向两个部分。在设计意向方面，其外部形体为方盒子下的参数化动态表皮，内部空间为阳光、绿色、透明的尊重性社交空间。在BIM信息协同技术支持下，打造绿色节能建筑。

项目基地周边现有住宅区、教学区、商业区，基于对场地的调研分析，发现该场地周边缺少自由、开敞的活动空间，故希望该活动中心的融入能激活周边业态，丰富居民及学生的日常生活。设计以“消隐的边界”为概念，致力于打造尊重性的社交空间，从功能公共性与服务公共性入手，通过空间交错营造活泼、丰富的社交体验感。在技术上，运用CadnaA软件对周边噪声进行模拟，为前期设计做指导，为了增加建筑的采光和自然通风，经过Ecotect和Phoenics等软件分析后，建筑内部插入风筒状电梯井，形成拔风效果，加强被动式通风效果，减少建筑能耗。考虑到周边商业区带来的噪声以及遮阳的需要，在玻璃幕墙外加入了新型的表皮形式。利用BIM可视化的优点，针对阅览室的采光要求，选择合适的灯具与灯具排布方式，满足照度与能耗要求。结合Pathfinder对观演报告厅疏散进行模拟，验证是否满足消防要求。团队结合Revit可视化、参数化等优点，在设计方案中不断分析与优化，希望社区活动中心能聚集周边凝聚力与活力，为周边民众提供开放、包容、尊重性的社交平台。BIM技术在建筑节能设计中的应用分析，在此项目中能够得以充分的展现，更好地进行可视化图纸的表达，以及模拟在自然条件下的声环境和光环境，进而进行材料选择的优化和表皮设计的优化，增加项目特色与创新点。

2 可视化图纸表达

2.1 效果图

工程室外效果图着重展现光影，室内效果图突出尊重性的交往空间。图1所示为该项目的室内效果图的可视化表达与展示，更加清晰地展现了该项目立面的可观性和市内交通的特点，搭配上光影的效果能够更加真实地再现项目的内部结构情况与交通情况。

图1 项目工程室内效果图

2.2 平立剖图

Revit软件可导出该项目的总平面图、平面图、立面图、剖面图等，可计算出该项目用地面积为6820.5m²；建筑面积为14826.5m²；容积率为0.49；绿化率为45.8%。图2所示为Revit导出的一层平面图。楼梯房位置沿着楼梯剖切的剖面图为剖透视图，通过剖透视图能够更加直观地看出项目形体的构造以及交通流线。

图2 一层平面图

2.3 分析图

通过Revit软件可视化图纸表达，可以进行体块分析，首先载入方形体量，在方形体量中植入交通和在内置中庭进行功能区域的划分。通过错层空间，打破楼板之间的隔阂，营造尊重性的交往空间，最后植入表皮来丰富室内的光影体验，这一整套的流程就是进行的体块分析。为了打造更加灵活的社交空间，还需要进行流线分析，得益于BIM技术的可视化表达，这些分析更加直观准确。

3 建筑节能设计中的性能分析

3.1 场地风环境模拟

场地风环境模拟利用Phoenics，对场地风压和风速进行模拟。图3、图4分别为该建筑夏季的背风面和迎风面风压图。由图3、图4可得：夏季室外平均风速条件下，建筑前后压差基本大于2Pa，有利于实现室内自然通风。在绿建规范中规定，建筑周围人行区风速小于5m/s[4]，最适宜室外行走、活动舒适和建筑自然通风，结合南平地区风速和风向条件，可发现建筑周边风速舒适度较高，场地风环境条件较为优越。

图3 夏季背风面风压图

图4 夏季迎风面风压图

3.2 噪声模拟

利用Revit与CadnaA软件结合，对场地噪声进行模拟，指导功能分区。指导该方案的功能分区布置，将需要安静的功能，例如阅览室放置于东北角，打造更加舒适安静的阅读环境和学习氛围。

3.3 光环境模拟

光环境模拟指的是利用Revit对各层平面照度进行模拟，由Revit中的照度渲染计算得出开条形窗的平面照度。进行建筑转角不开窗的空间照度模拟以及建筑转角开条形窗的空间照度模拟，通过对比择优，使得各个功能房间的室内采光条件得到了一定程度的改善，优化视觉感受与交流空间的使用体验。对比建筑转角不开窗的空间照度模拟与建筑转角开条形窗的空间照度模拟，进行合理开窗。另外，再进行人工照明优化，利用Revit与DIALux软件结合，分析夜间不同灯具阅览室照度建筑材料优化，对围护结构的得失热进行分析。对比了LEP09070002鹏辉-60+100、MZ1200-D152明众840、LED灯盘4000K-舒适型三种不同的灯具，在2.5m×0.8m与2.5m×1.5m两种间距下，分别对比照度分布平面图、照度分布立体图、评价是否适用。最终得出结论，间距2.5m×1.5m能够满足照明规范的要求。明众840灯具耗能较大，Led灯盘舒适性耗能较小，且能满足照度要求。

3.4 建筑材料优化

利用Revit与Ecotect软件结合，对围护结构的得失热进行分析[5]。结合本项目，拟在其他条件不变的条件下，通过对比不同墙体保温材料，选择较为节能的围护结构。对XPS保温墙、聚氨酯泡沫保温墙、空气夹层保温墙三种不同的材料，进行围护结构得失热百分比的比较。得出数据如下，XPS保温墙得热5%，失热65.5%；聚氨酯泡沫保温墙得热4.7%，失热53.5%，空气夹层保温墙得热4.3%，失热47.10%。各方案总能源消耗量如下：XPS保温墙能量消耗量为440.27kW/h，聚氨酯泡沫保温墙能量消耗量为419.531kW/h，空气夹层保温墙能量消耗量为409.972kW/h。对比可知：空气夹层保温墙结构失热百分比最低，其保温效果最好，节能效果最佳。

3.5 建筑表皮优化

Revit与Grasshopper结合，可进行建筑的参数化表皮优化。建筑一层由建筑自身形体提供足够的遮阳效果，在二到五层玻璃幕墙外覆以穿孔铝板做表皮，并根据不同功能房间所需的采光条件控制穿孔铝板的开合角度，从而营造室内动态的光影效果，满足室内采光的不同需求。通过控制窗之间的间距、控制窗的旋转角度、控制窗框的宽度、控制孔洞的数量、控制圆洞的开窗半径，营造室内动态的光影效果，优化最佳开窗位置。接着对比不同规格对光环境的影响，利用Revit对不同工况下表皮模拟分析，选择最优解。对表皮的倾斜角度设置为45°和60°，空洞大小设置为20mm和30mm，并将其进行光环境模拟，选择最优的表皮方案，如图5所示。

图5 Revit对不同工况下表皮的模拟分析

由图5可知：方案一照度过小，房间偏暗，遮阳效果很好，方案四亮度偏大，但遮阳效果不佳，方案二与方案三效果相近，出于对形体的考虑，最终选择方案二最为表皮。图6、图7所示为建筑周围均以通透的玻璃幕墙覆盖下的空间照度模拟以及建筑体量覆以穿孔铝板表皮后的空间照度模拟。以建筑三层为例，由Revit中的照度渲染计算得出覆以穿孔铝板表皮后的建筑室内照度图，可以看出各个功能房间的室内采光条件得到了一定程度的改善，优化建筑内部的光影感和使用感体验。

图6 通透的玻璃幕墙覆盖下空间照度模拟

另外，项目建筑内部利用交通核形成拔风筒，形成拔风效应[6]，加强自然通风，增强人体舒适度，降低建筑能耗，优化室内风环境。

图7 穿孔铝板表皮覆盖下空间照度模拟

4 特色与创新点

项目利用了多个软件，例如Revit、Ecotect、CadnaA、Phoenics、SU、CAD、Lumion、Photoshop、DIALux、Pathfinder等，应用面广泛，应用于场地前期分析、声环境、热环境、风环境、疏散模拟、建筑表皮等。多个不同维度软件的应用能够很好地解决多个维度同源异构数据之间的转化问题，更加全面地细化建筑节能设计的优势，协同多个软件的应用，能够让设计少出错，设计的初期检查出问题所在，从而降低成本和不必要的设计失误。又能提高效率，可以协同多个软件，无接缝的数据交换标准，缩短了整个建筑建造的时间。使得可视化，通过使用高分辨率的可视化性能可看到非常早期的建模形态和设计轮廓。使得参见各方都能够清晰地知晓项目的特点，有利于不同专业的工作人员进行沟通和交流，有助于决策。

本项目的创新亮点在于：①设计初期的方案阶段，用Ecotect分析场地现有环境条件，在前期规划阶段为设计提供指导，使得建筑节能设计的分析更加因地制宜，基于实地的环境条件；②功能排布阶段，用CadnaA和Phoenics分析场地现有的声环境条件和风环境条件，为功能的设计提供依据；③针对图书馆对于采光和声环境要求比较高的特点，运用DIAlux对室内照度进行模拟，具体优化灯具的型号及排布方式，在节能的基础上满足照度要求。同时，经过多方对比，选择最优的室内照度，通过筛选灯具的型号及排布方式，提高经济性；④镂空铝板表皮的应用：运用Grasshopper对表皮的倾斜角度，孔洞大小分别进行参数调整，优化室内光环境；⑤优化室内消防疏散，选取观演报告厅为对象，运用Pathfinder模拟室内人员疏散情况，验证疏散口是否满足消防安全距离。

5 结语

通过活动中心的项目，BIM技术对建筑结构节能性能设计的优势不言而喻，它能够清晰地进行可视化图纸的表达，展现平、立、剖等效果图，亦能有助于进行结构节能设计中的性能分析，包括场地风环境模拟、噪声模拟、光环境模拟、建筑材料优化、建筑表皮优化、绿色建筑等方面。从热工性能来说，围护结构的热工性能远不能达到我国节能设计规范的要求。在建筑节能改造领域，BIM技术大有可为。针对很多老式建筑保温性能差，气密性不佳，漏风现象严重等问题，BIM技术都可以找到原始图纸，收集数据进行建模，查找图纸疏漏，不断完善建筑节能方面的改造，通过计算各朝向窗户的面积、形体系数等指标来判断建筑是否满足相关节能标准的要求，及时修改优化方案，使之满足遮光、采光、遮阳、通风和建筑能耗的相关要求，并对比不同方案在建筑美学方面的优缺点，打造优化的节能设计方案。