基于BIM 技术的绿色建筑性能分析与优化方法

袁 庄

绿色建筑性能分析作为建设过程中的重要工作之一，直接关系到整个绿色建筑的建设效果。绿色建筑规模较庞大，内部结构较复杂，如果只是利用传统二维图纸进行分析，不仅无法真正确定绿色建筑性能的具体情况，而且效率低，不利于绿色建筑工程的后续建设。因此，现代绿色建筑建设时，需要利用BIM 技术开展性能分析，通过观察与分析建筑的三维模型，更加准确地判断建筑性能，以促使绿色建筑方案不断优化。

1 工程概况

本文以某绿色建筑工程作研究。工程位于我国长沙市城南区，总占地面积约为24513 m2，建筑面积约742604 m2，分为地上与地下两部分。其中地下面积约177553 m2，用于地下停车场、电气设备贮藏间等；地上约565051 m2，含3 栋商业楼、1 栋独立幼儿园和65 栋住宅楼如表1 所示。在基础形式方面，用独立基础+筏板基础+水泥粉煤灰碎石（Cement Flyash Gravel，CFG）桩复合地基方案，提升建筑的稳定性。建设时，为保证工程建设质量与效率，拟采用BIM 软件分析工程性能，并适当优化建筑方案。

2 基于BIM 技术的建筑绿色性能数值模拟分析

2.1 建筑室外风场环境的数值模拟

2.1.1 建筑风场环境分析

绿色建筑性能分析包括很多方面，风场环境评估是其中较为关键的内容之一。通过风场环境评估，可以准确了解建筑周边风场的具体情况，判断风场水平是否符合人们的生活需求，进而以此为基础，从保温隔热性等角度出发优化建筑结构，以构建出功能良好、舒适性更强的绿色建筑。建筑工程设计与建设时，根据现场气候条件、地质特点等因素，合理对风场环境进行设计，可促使建筑周边空气顺畅流通，提升人员在建筑内外部活动的舒适性[1]。因此，绿色建筑设计时，应以BIM 技术为依托，通过收集施工现场气象条件数据，模拟并分析建筑的风环境。在BIM 软件内，利用自带的外部接口，直接导入用于风环境分析的Ecotect 软件。同时，以气象数据分析转换系统Weather Tool 为主要工具，从当地气象部门气候数据库内直接提取有关的气候数据，从而为风场环境模拟与分析提供支持。

2.1.2 建筑风场环境分析结果

通过提取某工程所处地区的Weather Tool，能够得到如表2 所示的气候数据。由表2 可知，夏季工程所在地风速在3 m/s以内，主要是西北风，风向频率约为12.87%；过渡季节工程所在地风速在4 m/s 以内，主要是西北风，风向频率约为24.12%；冬季工程所在地风速在5 m/s 以内，主要是北西北风，风向频率约为24.85%。

表2 某工程所在地气候数据

以流体动力学模拟软件WinAir4为工具，模拟该项目的建筑风场环境，在模拟运算分析过程中，将风速设置成3.0 m/s。由模拟分析可知，距地面1.5 m 时，建筑周边风速均小于1.5 m/s，均值约为1.0 m/s，风速并不是很大，满足人们的舒适性要求。

利用上述所示模型分析迎风侧的风压值，从而得到迎风侧风压BIM 模型。其中，大于0 为正风压，小于0为负风压。由迎风侧风压BIM 模型可知，处于最不利情况时，大多数建筑的风压为-2 ～-1 kPa，占比约为80%，-1 ～2 kPa 的风压占比约为20%，正负风压均不是很大，在相关规定范围内。

2.2 建筑室外光照环境的数值模拟

绿色建筑设计时，还应模拟室外光照环境，以保证室外光线合理照射到室内，既要确保室内光线充足，又要避免光照过强影响人们的生活与工作[2]。光照环境模拟过程中，采用Radiance 和Ecotect 软件。运算过程中，需要根据工程具体情况，分别设置各种计算参数，如表3 所示。另外，室外自然光设计照度值为13500 lx，光气候系数为1.1，地下空间平均采光系数不小于0.5。

表3 光照环境参数设置表

以表3 为依据，选择SY3 商业楼为具体分析对象，利用Radiance 和Ecotect 软件对光照环境进行模拟分析，从而得到相应结果。由分析结果可知，该区域的采光系数（Daylight Factor，DF）均值约为3.58%。其中建筑一层整体采光性能良好，商铺与大厅都符合Ⅲ级采光标准；在其他楼层，由于办公室有墙体阻隔，加之空间较大，采光效果并不是很好，而其他区域则具有良好的采光效果，基本符合Ⅲ级采光标准[3]。

3 基于BIM 技术的绿色建筑性能方案优化

3.1 方案设计

在建筑性能分析的基础上不断优化设计方案，以提升建筑的绿色环保性，使建筑工程在实际中可以体现出更高的环保价值[4]。为此，本文选择窗墙比为主要指标，对不同窗墙比时的建筑能耗水平进行模拟分析。针对模拟分析要求，共设计了5 种窗墙比方案，分别为0.20、0.25、0.30、0.40与0.50。

3.2 结果分析

通过对5 种方案的模拟分析，可以得到如表4 所示结果。由表4 可知：第1，随着建筑窗墙比的提高，建筑内部所需的热量逐渐增加，因此采暖与热水的能耗量逐渐提升。窗墙比为0.2 时，能耗量仅有154.27 kW·h，而0.50 时能耗量则提升至172.36kW·h，提升率将近12%。第2，窗墙比提高后，空调系统制冷的能耗量也在逐渐增加。窗墙比为0.2 时，能耗量为1683.66 kW·h，而0.50 时能耗量则提升至1824.06 kW·h，提升率约为8.34%。第3，窗墙比提高后，通风的能耗量显著提升。窗墙比为0.2 时，能耗量约为1747.89 kW·h，而0.50 时能耗量则提升至1802.16 kW·h，提升率约为3.10%。第4，而在照明能耗方面，则呈逐渐下降的趋势。窗墙比为0.2时，能耗量为686.66 kW·h，0.50 时能耗量下降至576.95 kW·h，下降率将近16.0%。第5，在办公设备能耗方面，各种窗墙比条件下无变化，均保持在712.00 kW·h。从整体角度来说，单位面积能耗量与窗墙比呈正相关关系，窗墙比越大，建筑能耗量越高。但需要注意的是，若建筑窗墙比过大，可能影响建筑结构的稳定性[5]。由此可知，实际工程中将窗墙比设置成0.30为最佳。

表4 不同窗墙比条件下建筑能耗水平

3.3 BIM分析与传统分析方式的对比

相对于传统绿色建筑分析方法，BIM 分析法具有诸多优势，主要体现在以下2 个方面：

一方面，分析结果更加精确。传统方法对绿色建筑进行分析时，需要由工作人员将相关数据录入分析软件，不仅效率低，而且如果人员录入信息不准确，还会导致分析结果出现较大的偏差，不利于绿色建筑的分析与后续建设。采用BIM 分析法后，可自动将绿色建筑信息导入BIM 分析软件，由软件自动分析，避免因人员录入错误而影响分析结果的准确性。另一方面，成果可视化。传统分析方法得到的成果以二维图纸为主，直观性差，不利于工作人员的观察与了解。而BIM 可绘制全面的三维模型，使得分析成果更加直观，相关工作人员通过三维模型的观察即可准确了解绿色建筑的具体情况，为绿色建筑建设打下坚实基础。

4 结语

本文以BIM 技术为依托，对绿色建筑性能进行分析，并提出相应的优化方案。通过分析可知，某工程原设计方案良好，风环境与光环境均符合要求。为了进一步提升建筑的节能性，应将建筑窗墙比设为0.3，确保建筑结构具有较强稳定性的同时，降低建筑能耗。