基于PKPM软件的建筑节能屋顶简化模型对比分析研究——以昌吉丹霞气泉谷驿站为例

李介鹏

（上海市建工设计研究总院有限公司）

1 引言

新疆昌吉丹霞气泉谷驿站为昌吉丹霞气泉谷康养小镇规划建设中的单体建筑之一，驿站建筑可类比于游客服务中心与停车场附属建筑，具有人员流动性强、功能分区复杂的特征，是旅游区的重要建筑类型。作为旅游风景区的“门户”建筑，具有建筑造型灵活多变，结构形式丰富多样、标志性较强等特点。一般对建筑进行能耗模拟与建筑节能计算需要应用energyplus或具有独立建模界面的designbuilder等软件进行独立建模计算，操作过程并不友好。如果是较大的工程项目，利用Revit等BIM软件也可以进行多软件模块的建筑能耗模拟，但前期建模成本较高。

当前建筑节能计算是建筑审批和建筑施工前的必要环节，pkpm软件绿色建筑系列软件自带建筑节能、绿建施工图、绿建方案、建筑环境模拟、工业节能、能耗模拟、噪音模拟、空气质量等模块，其中建筑节能计算模块可以直接出具《公共建筑规定性指标计算报告书》以及地方性的《公共建筑权衡计算报告书》，并对建筑本身的节能性做出合理的评价，对建筑的施工具有很直观的指导意义[1]。

本文采用行业常用的商用软件pkpm绿色建筑软件GBP v3.1，主要使用其自带的建筑节能模块对目标项目建筑进行能耗模型的绘制，同时对能耗模拟的各项参数进行设置[2]，分享使用这款软件的建模技巧以及注意事项，为pkpm建筑节能模块的使用者提供一些建议和参考。最后运行节能计算中的规定性指标计算和权衡计算，对不同屋顶模型的计算结果进行对比分析，得出评价结论。

2 目标项目概述

新疆昌吉丹霞气泉谷驿站属于《新疆天山百里丹霞旅游度假区101旅游风景道总体规划》中的单体建筑项目，项目定位为丹霞主题游憩中心、昌吉段旅游服务核心，是气泉小镇的门户和小镇旅游服务体验的重要节点建筑。

丹霞气泉谷驿站北临S101公路，东接S104公路，北距昌吉市区约30km，西距乌鲁木齐市区约33km。项目建筑面积为1316.3㎡。除北邻S101公路外，用地范围内无现状设施，地势较为平坦。该项目效果图见图1。

图1 新疆昌吉丹霞气泉谷驿站效果图（图片来源：作者自绘）

3 建筑节能模拟分析

3.1 填写项目信息

PKPM软件中的建筑节能模块可以先对项目信息进行填写，包括项目名称、省份、城市、经纬度以及项目类型[3]，另外PKPM的建筑节能模块还可以利用百度地图进行项目的精准定位[4]，在最后的建筑节能报告书中对于前期设置的参数都会生成报告。

3.2 模型建立

PKPM支持天正软件和CAD软件绘制的图形直接导入，利用CAD绘制的平面图在PKPM中利用“提取导入”命令对天正模型进行识别，随后在“模型建立”选项卡中分别对模型的墙、门、窗、幕墙、天花板、结构柱、屋顶等构件进行参数设置，绘制墙体后还可以使用“系统选项-保存和显示-一键智能修正”命令进行自动修正[5]。在建筑节能模块中，建筑结构模型在节能计算中不同于其他设计软件中的三维模型，计算机需要对其进行简化，更为重要的是各个构件的物理性能参数[6]。

3.3 标准参数设置

本项目在项目信息设置中虽然设置了地理位置，但是标准相关参数需要与位置信息相对应，在公建参数设置选项卡中需要选择对应的节能设计标准，一般我们设置当地对应的标准，本项目我们设置为“新疆《公共建筑节能设计标准》（XJJ034-2017）”建筑分类为甲类建筑。建筑结构形式为“框架结构”，建筑类别为“办公”，建筑面积统计方法为“主层体中轴线”，其余热工计算公式设置为默认。

3.4 专业设置

由于本项目为服务区的驿站建筑，建筑功能较多，并非单纯的办公类建筑，新疆地区的当地节能标准对于建筑类型的规定并不详细，对本项目的大多数房间我们只能定义为“其他”房间类型，本项目形态并不复杂，也只有一层，其他专业设置我们按照默认参数进行设置。

3.5 材料编辑设置

材料编辑设置是项目进行建筑节能计算的核心参数，其中计算机主要进行视能耗计算的为各个材料的导热系数。本项目的主要构件传热系数为：屋面主体层（0.27）、外墙填充墙（0.34）、楼板（3.01）、周边地面（2.34），主要材料参数设置如表1～4所示。

表1 屋面主体层材料参数设置

表2 外墙（填充墙）材料参数设置

表3 楼板（间层楼板）材料参数设置

表4 地面（非周边地面）材料参数设置

3.6 案例计算结果

PKPM建筑节能模块的最终计算分为节能计算和拓展计算两大板块，我们建筑项目进行节能计算时一般参照建筑节能计算模块中的“规定性指标计算”和“权衡计算”[7]。计算结果会以计算报告书的形式展示出来，其中“规定性指标计算”模块生成的《建筑节能计算分析报告书》分为参考依据部分、建筑概况、建筑围护结构、结论等部分，通过软件的计算，所设置的参数与《公共建筑节能设计标准》(XJJ034-2017)相比较，该建筑物的立面外窗传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》(XJJ034-2017)第3.3.1-2条的要求指标未满足规范要求，需进行围护结构节能动态计算。

在设置好采暖房间类型以后，可以进行权衡计算，最终会生成《公共建筑权衡计算报告书》，在不同地区，建筑节能审批的标准不同[8]。在新疆地区，如果“规定性指标计算”未通过，但“权衡计算”可以通过的话，仍然可以审核报批，我们可以建立不同的建筑模型将保存建筑材料的设置参数进行多次运算进行结果对比，从而产生结论指导设计。

4 屋顶简化模型节能计算对比分析

4.1 建立不同的屋顶简化模型

通过建立不同的屋顶模型来进行建筑节能计算，不同的计算结果可以对比分析各个模型的能耗情况，从而反推建筑设计及运维中可能遇到的问题[9]。本项目中，建筑的屋顶由于造型和窗户造型比较特殊，因此原方案在施工阶段较为复杂。另外由于本项目为地块标志性建筑，因此有标识标牌的构件设计，对于建筑的能耗也会有相当大的影响。我们通过建立与方案完全相同的简化模型以及简化后的平屋顶模型对比，同时与去掉标识标牌构件的平屋顶模型进行节能计算对比，得出结论（见图2）。

图2 不同屋顶模型效果示意图（图片来源：作者自绘）

4.2 输入相同材料参数与模型导入

PKPM软件可以直接保存所设置的材料参数，也可以方便快捷地载入。同原屋顶模型的建筑节能计算类似，其他模型的模拟计算第一步是对项目进行基本的参数设置，例如建筑概况、建筑位置、标准参数、专业参数等，我们需要根据实际情况进行设置，或参照基准模型设置即可[10]。

平屋顶模型同样可以利用PKPM中的“提取导入”功能建立墙体，但是屋顶需要单独建立，与门窗、幕墙等构件同样需要对比平面图进行手动建模，对导入的CAD图纸选取对应的标准层范围后，对门窗和墙体分别选取建模注意窗墙的位置和面积比例。注意，如果仅靠软件自动识别功能，识别后的门窗和墙体接口会有未连接在一起的现象，因此需要手动绘制连接。绘制过程中，也可以将墙体设置为单线，方便捕捉绘制。同时要注意绘制的平面图外轮廓需要完全闭合，否则在进行房间设置的时候容易出现较多错误。本项目由于只有一层，建立好首层平面图以后可以直接进行其他参数的设置，否则建完所有平面图的模型以后，需对不同的标准层进行组装，也可以在三维模式中随时观察建筑模型（见图3）。

图3 项目平面模型（图片来源：作者自绘）

4.3 计算结果

通过对两种不同的屋顶简化模型进行建筑节能计算得到不同的规定性指标计算报告书，其中坡屋顶建筑模型计算结果中，立面外窗传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》(XJJ034-2017)第3.3.1-2条的要求，须进行围护结构节能动态计算；而平屋顶建筑模型的计算结果中除了外窗传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》的要求外，有效通风换气面积占外墙面积比例不满足《公共建筑节能设计标准》(XJJ034-2017)第3.2.8条的要求[11]。

最后，对两种屋顶的建筑模型进行房间类型和采暖设置后进行维护结构节能动态计算，得到建筑能耗分析图表，两种建筑模型的全年能耗小于参照建筑的全年能耗，因此该项目已达到《公共建筑节能设计标准》(XJJ034-2017)的节能要求。根据新疆地区建筑节能规范，本项目符合建造要求（见图4-图5）。

图4 平屋顶建筑能耗分析图表（图片来源：作者自绘）

图5 坡屋顶建筑能耗分析图表（图片来源：作者自绘）

5 结语

①天正或者CAD文件可以很方便地导入pkpm软件进行建模，pkpm的建筑节能模块可以非常方便快捷地进行建筑节能简化模型的建立，大大节省了设计师在建模中的时间，使设计师能够把更多的时间和精力用在设计本身。

②通过对比分析可以看出，在严寒地区，建筑采暖是建筑能耗的重要组成部分，其中体形系数是建筑节能设计需要重点关注的参数。外墙和外窗容易形成冷桥和热桥，不利于建筑保温，但有效通风换气面积占外墙面积比例还需要满足《公共建筑节能设计标准》，因此对于建筑节能设计而言必须找到平衡点。

③建筑节能计算模型相较于建筑的外观模型可以适当简化。对于本项目而言，建筑坡屋顶模型的有效通风换气面积比平屋顶模型要更容易满足《公共建筑节能设计标准》，因此在进行全年能耗模拟计算时可以使用平屋顶模型进行计算。