基于BIM模型的公共建筑全寿命节能评估仿真

王 蒙,姚彦娜*,张玉芝

(1. 河北工程技术学院土木工程学院,河北 石家庄 050091;2. 石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院,河北 石家庄 050043)

1 引言

目前,我国每年约新增16～20亿平方米的建筑物,是世界上发达国家每年新增建筑物面积的总和,而单位面积内能源的消耗速度却是发达国家的2～3倍,施工过程中,能源的利用效率也仅是发达国家的35%左右。从这些数据中不难看出,我国建筑行业节能空间是非常巨大的。近几年,我国逐渐开始研究各种节能技术和新型节能材料[1],同时也提出了若干条建筑节能标准和规范。但是,这些标准和规范仅是给出了一些指标,内容很是广泛,对施工过程中的各类材料没有明确指出具体的节能要求,缺少一套综合性、全方面的评估方法。

因此,本文提出基于BIM模型的公共建筑全寿命节能评估方法。首先,建立公共建筑全寿命节能综合评估指标,从不同方面分析建筑物的节能效果;然后,构建BIM-FCE节能评估模型,计算得到每个等级的模糊综合评价结果[2]和综合评分,对建筑物节能等级进行具体划分;最后在仿真实例分析中,选取某市4组公共建筑,利用本文方法进行节能等级评价,取得了精准的评估结果。

2 公共建筑全寿命节能综合评估指标

建筑体系中的各类建筑产品具有单一性、复杂性和区域性特点,使其评价指标总体呈现多种层次。本文利用全寿命周期的理念,来分析建筑节能的影响因子:如建筑设计施工、建筑设备类型、建筑工地的管理、建筑运行管理以及建筑物的舒适性等,根据这些因子的影响程度大小赋予不同的权重值,以此实现建筑能耗多级综合评估体系的构建,如表1所示。在该评估体系中,共包含3级评价、6个等级和55个评估指标,从定性和定量两方面进行全方位评估。

表1 公共建筑全寿命节能综合评估体系

3 基于BIM模型的公共建筑全寿命节能评估

3.1 BIM模型在公共建筑节能评估中的应用

从公共建筑全寿命节能综合评估体系中可以看出,在对公共建筑进行节能评估时,所面对的数据量大、数据类型繁多以及来源广泛,而文本使用的BIM(BuildingInformationModeling,建筑信息模型)作为强大的数据库,可存储和管理大量的建筑信息数据,并将信息的属性完全转换为数字化,便于后续分析和计算。不仅如此,BIM模型还可在一定程度上保证数据库内信息的统一性和可计算性[3],降低“信息孤岛”出现的概率,不管是在空间维度还是时间维度上,都实现了数据之间的无缝衔接。

从空间维度角度来说,BIM模型具有强大的数据共享能力,在多个模型或者多个设备之间均可实现数据共享,起到了提供数据支持的作用;从时间维度角度来说,BIM模型在参数化模型的基础上,获取公共建筑全寿命节能信息,对其进行分析和整理,实现了单个平台难以完成的多工种协调[4]和数据分析,为建筑节能评估提供了基础保证。

3.2 公共建筑全寿命节能评估模型

在复杂的评估体系中,需要考虑的因素较多,而且单个因素之间的层次关系不尽相同[5]。同时,评估体系还有明显的模糊现象,想要利用单级模糊综合评判模型计算出高精度的评估结果是很难实现的。因此,本文按照属性的不同将评判因素[6]进行类别划分,先对其中的一类进行评判,最后将所有的评判结果再进行高层次的评判,通过多级模糊综合评判的方式得出精度较高的评估结果。

3.2.1 建立多级评价因子集

建立多级评价因子集U

U={U1,U2,…,UN}

(1)

(2)

3.2.2 确定评判集

评判集用V={V1,V2,…,Vm}来表示,其中,Vq=(q=1,2,…,m)与每一级的实际数据相对应,本文取值m=5,每个等级对应于一个模糊子集[7-9]。五个等级的评判结果依次为“优秀”、“很好”、“一般”、“良”、“差”,为每一个等级分别赋值100、80、60、40、20,那么得到评判集为V={V1,V2,V3,V4,V5}={优秀,很好,一般,良,差}

={100,80,60,40,20}。

3.2.3 构建模糊关系矩阵

(3)

式中,r表示隶属度系数。

(4)

式中,rij表示wi对vj的隶属度。

3.2.4 计算评价因素权重

3.2.5 合成模糊综合评价结果

将权向量矩阵T与模糊关系矩阵R进行结合,得到如式(5)所示的模糊综合评价结果向量B

=(b1,b2,…,bm)=B

(5)

式(5)中的“·”代表的是算子。

3.2.6 作出决策

将B与评判集V相结合,计算得到各个等级的综合评分为

Z=BVP

(6)

式中,P表示评分系数。

4 实例分析

为了验证本文方法在实际应用中是否同样合理有效,以某市为例,进行分析验证。选取该市20世纪80年代、90年代、2007年以及2012年4组公共建筑为研究对象,4组建筑分别用一号、二号、三号、四号来表示,引入本文构建的BIM-FCE节能评估模型。在评估过程中,本文主要对四号建筑进行详细计算和说明,其它3组建筑仅给出最终评估结果。四号建筑的总规划用地面积为4.20万m2,地势总体呈南低北高的走势,公共建筑物的占地面积为15.67万m2,高度为32.55m,建筑物密度为68%,容积率为2.3。四号公共建筑共有8层,地上6层、地下2层,地上占地面积9.57万m2,地下占地面积6.1万m2。

4.1 单因子模糊评价

根据多级评价因子集,单因子经过归一化处理后,得到公共建筑全寿命节能评估结果如表2所示。其中,节能因子U1的评价矩阵R1为

表2 公共建筑全寿命节能评估结果

(7)

4.2 二级模糊评价

U1的二级模糊评价指标权重系数为T1=(0.055 0.055 0.004 0.886),即可得到四号公共建筑U1因子的综合评价结果为

B1=T1·R1=(0.662 0.240 0.096 0.001 0.000)

(8)

同时,得到U2、U3、U4、U5、U6的综合评价结果分别为

B2=(0.6620.741 0.125 0.024 0.048 0.061)

B3=(0.688 0.209 0.103 0.000 0.000)

B4=(0.605 0.274 0.108 0.013 0.000)

B5=(0.612 0.358 0.027 0.001 0.002)

B6=(0.571 0.168 0.168 0.093 0.000)

(9)

对式(9)进行整合,构成四号公共建筑全寿命节能综合评价矩阵

R=(B1,B2,B3,B4,B5,B6)P

(10)

计算各个等级的综合评分,得到的结果分别为:Z1=90.267、Z2=88.737、Z3=91.694、Z4=89.423、Z5=84.291、Z6=90.242。

4.3 一级模糊综合评价

U1的一级模糊评价指标权重系数为T=(0.250,0.110,0.280,0.180,0.180),即总的节能因子模糊评价结果为

(11)

综合评分为Z四=BVP=90.242,即可判定四号公共建筑的全寿命节能等级为“优秀”。

按照上述分析思路,得到一号、二号、三号公共建筑的综合评分分别为74.800,65.400和82.895,评估等级分别为一般、良和很好。

将本文方法的评估结果与领域专家评估的结果进行对比,均为一致。这是由于一号建筑物的施工时间较早,节能材料和节能技术相对来说还不成熟,但是耗能的设备也要少很多;二号建筑物施工时耗能设备要多一些,但是节能技术还是跟不上,导致节能评估等级较低;三号建筑物施工时虽然耗能设备要更多一些,但同时节能技术和节能材料也有了新的发展,所以节能评估等级较高;四号建筑物施工时节能技术已经发展得非常成熟,节能材料也很先进,对于能源利用效率有所提升,节能评估等级最高,为“优秀”。

5 结论

公共建筑物节能是一项长远的工作,不应只局限于某一指标或者某一时期,在施工到建成这段期间,都要进行严格的把控。在施工之前,不仅需要完善的设计方案、建立节能管理相关制度,而且在施工过程中,也要多使用一些新型节能材料和相关节能手段,提高各种能源的利用效率。本文将BIM模型与模糊综合评价法结合起来,构建BIM--FCE节能评估模型,全面、客观地评估公共建筑全寿命节能水平,划分不同的等级,制定相应的节能方案,为我国节约能源、避免陷入能源危机,提供了一种可靠的参考方案。