BIM技术在BIPV领域中应用的研究现状

摘 要：建筑信息模型（BIM）技术在光伏建筑一体化（BIPV）领域的应用，不仅优化了设计和建设流程，还推动了建筑行业的绿色转型。梳理了BIM技术在BIPV领域应用的相关文献，并阐述国内外相关研究的进展，对BIM技术在BIPV项目中的优势特征、发展现状、存在问题等进行较为详细的分析和归纳。最后，基于文献统计和研究现状，对BIM技术在BIPV领域应用的未来发展趋势进行了展望，旨在为BIM技术在BIPV领域的推广和应用提供参考和指导。

关键词：建筑信息模型；光伏建筑一体化；光伏光热建筑一体化；建筑节能

中图分类号：TU18/TM615/TU111.4+8 文献标志码：A

0" 引言

近年来，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技术在建筑行业得到广泛应用，其在项目周期内的成本、资源、进度等方面发挥了重要作用。随着BIM技术在节能减排方面展现出独特的优势，其在工程项目建设过程中的应用被进一步发掘，尤其在光伏建筑一体化（building integrated photovoltaic，BIPV）中的应用逐渐受到学者们的关注，并尝试利用BIM技术对BIPV产品及其工程项目的模型、施工、管理等方面进行优化。

BIM技术与光伏发电技术的结合，使BIPV建筑成为有机整体，促进了建筑从现有的耗能建筑向近零能耗建筑转变，并逐步推动零能耗建筑迈向产能建筑的发展历程。BIM技术应用范围广泛，能够以不同形态参与工程项目的全生命周期建设，从而辅助工程顺利完成；通过BIM技术可以帮助建筑设计实现美观、经济、节能等功能于一体的综合目标。

目前，BIM技术在BIPV建筑项目中的应用主要分为以下几种：提高光伏发电的能源转化效率、提高BIPV建筑节能效果、美化建筑外观、降低BIPV产品及工程项目建设成本、实现零碳绿色智能建筑目标。本文通过梳理国内外BIM技术在BIPV领域中应用的研究现状，以期为该项技术的推广和应用提供参考思路。

1" 技术说明

1.1" BIM技术

BIM技术是基于建设项目全寿命周期中各个阶段的虚拟与现实信息数据交互集成和项目各方协同处理的数字化、智能化建设过程[1]，以3D精细化的仿真模型为建设工作的核心，结合行业其他先进技术，围绕智慧工程、智慧楼宇展开的一系列数字化、智能化和可视化的工程活动。BIM技术不仅能够以3D几何数据模型为信息集成平台，整合与工程建筑相关的物理特征、功能要求及其他参数，而且还可以帮助企业实现设计、施工、协调及其他各种任务的有效运行，为建筑行业提供了一种全新高效的集成管理模式，提升了建设工程项目的整体效率与质量。

1.2" BIPV

BIPV是一种新颖的设计理念，其是将光伏发电技术与建筑相结合，通过在建筑外围安装定制的光伏组件将太阳能转换为电能供建筑内部使用，不仅能降低建筑能耗，还可以延长建筑的全生命周期[2]。这种一体化设计在满足外围保护结构功能的同时，还能为用户提供日常的电力需求，实现清洁的、高效的、便捷的节能模式。

此外，基于BIPV还延伸出光伏光热建筑一体化（BIPV/T），其是一种可同时提供电能与热能的建筑一体化系统，将光伏发电和太阳能低温热利用相结合，构建出新型的PV/T组件。

2" 研究现状及趋势分析

2.1" 文献综述

本研究以“BIPV”“BIPV/T”“BIM，BIPV”“BIM，BIPV/T”等关键词作为索引，分别在Science Citation Index （SCI）、The Engineering Index （EI）、Scopus和中国知网等权威数据库检索到相关文献千余篇，对其进行文献有效性筛选和阅读归纳后，发现近5年文献居多。这表明当下国内外对于BIPV领域的研究热度逐年增加，其原因不仅与相关制造业技术的成熟、光伏组件生产和安装的成本大幅下降有关，还得益于各国相关政策的支持与引导。

通过进一步筛选，与本文主题相关的有效文献共59篇。其中，文献[3-4]是世界上较早将BIM技术与BIPV结合并实现应用的研究；此后，BIM技术应用于BIPV领域中的文献成果逐年递增，文献发表总数在2022年达到近10年的峰值，如图1所示。

由图1可知：BIM技术与BIPV或BIPV/T相结合的文献总量较少；随着时间总体呈缓慢上升状态，表明BIM技术在BIPV领域中的应用研究仍处于初步阶段，但具有较好的发展潜力。

2.2" 国内发展现状分析

随着中国大力推进交叉学科的学术理念，学科技术的融合已成为当前科技发展的显要特征。目前，BIM技术与BIPV的结合，是建筑行业与新能源行业合作进步的探索路径之一。国内针对BIM技术在BIPV领域应用的研究主要分布在以下两个方面：基于BIM技术的BIPV应用和基于BIM技术的BIPV/T应用。BIM技术在模型设计、仿真检测分析、建筑信息平台集成管理及系统能力对比分析等方面展现出独特优势。

2.2.1" 模型设计和仿真检测分析应用

早期发表的文献研究集中于利用BIM技术对BIPV或BIPV/T建筑进行设计阶段的模型优化和能耗模拟。例如：龙承潮等[5]利用BIM技术的可视化、参数化特点创建了一种“可定义光伏预测模型”，提高了光伏组件发电量预测的准确性；赵乐[6]则在前者研究结果的基础上结合地理信息系统（GIS）技术，对基于BIM技术的BIPV模型进行了仿真模拟分析，更准确地演示了BIPV产品的使用效果。

然而，早期仅在仿真模型的创建和分析上对BIPV产品进行尝试研究，还并未充分展现BIM技术参与的优势。阳素梅[3]曾依托“2010太阳能十项全能竞赛”，首次将BIM-BIPV的设计仿真模型应用于实际项目中：通过参赛作品，基于整体视野下提出了BIM-BIPV的设计原则与流程。张先勇等[7]结合广州市某住宅项目，使用BIM技术对项目中BIPV构件的安装环境、位置朝向等开展了辅助设计和建筑能耗分析，有效降低了设计成本。海涛等[8]以南宁市某公司的BIPV项目为例，将BIPV建筑屋顶利用BIM技术得到的的模拟数据与实际数据进行对比，验证了BIM技术的准确性。崔艳秋等[9]基于济南市某公寓楼项目创建了BIM光伏组件族库，以提高装配式住宅光伏一体化的设计效率。

由此可见，BIM技术在BIPV中的模型设计优化、光伏组件族库创建、仿真模拟分析等方面的应用具有可行性，并且在实际项目中通过成本降低、效率提高等也使BIM技术的优势也得到验证。

2.2.2" 建筑信息平台集成管理应用

BIM技术的信息化特征促使研究人员探索使用BIM技术对BIPV项目全生命周期进行信息化和智能化的动态管理。已发表文献中：何侃[10]通过将BIM技术与BIPV的数学模型结合，开发了BIM-BIPV的辅助设计平台，旨在实现光伏发电系统与建筑本身的协同设计。王君等[11]利用BIM软件对新徽派民居结合BIPV/T新型技术后的建筑能耗进行模拟研究，研究结果结果表明：BIPV/T新型技术的节能效果显著。此外，张元海等[12]通过光伏电站建设项目，建立了以光伏电站的建设运营方为主导的BIM应用管理新模式，从业务架构、信息架构、应用架构、技术架构等方面对光伏电站建设进行了全方位管理，有效提升了工程效率，具有较高的推广价值。

当下，由于BIPV本身仍然处于发展阶段，BIPV项目建设周期相较一般建筑更长且更复杂，因此结合BIM技术的信息化、智能化管理研究也处于初步尝试阶段。但相较于应用BIM技术可视化、参数化特点的研究成果，此类研究则具备更加广阔的发展空间。

2.2.3" 其他方向应用

与前两个方向的应用相比，国内关于BIM技术在BIPV领域的研究还涵盖其他多个方向。例如：王江曼[13]以贵阳省高新技术开发区的某“回”字形建筑为研究对象，利用BIM技术设计光电建筑模型辐射量仿真发电能力预测方案，并与传统光伏建筑发电能力预测分析方案进行了对比。实验结果显示：应用BIM技术预测方案的具有明显优势。

此外，还有研究尝试将BIM-BIPV/T与其他技术相结合，形成多学科交叉的研究成果。例如：陆代泽[14]利用BIM技术，生成BIPV/T信息数据预测和分析模型，结合物联网技术搭建了智能管理系统，实现了对BIPV建筑的智能化控制和安全化监测；赵家敏[15]对目前国内装配式BIPV产品结合BIM技术的规模化、体系化、标准化产业路径，利用互联网与物联网等技术构建了产品的质量追溯系统。

由于BIM技术能够与云计算、物联网、大数据、GIS等技术融合，而BIPV产品本身依托于建筑，因此在其他方面的相关研究中，多技术融合和多学科交叉将是围绕BIPV进行探索研究的重要方向之一。

2.2.4" 小结

综上所述，从一系列结合BIM技术的BIPV研究的整体角度来看，虽然BIPV建筑的实验和研发已初步形成体系，并成功应用于多种建筑类型，但目前此类工程仍面临成本高、效率低、周期长等问题；国内在十几年前开始关注利用其他学科技术改善这些困境，BIM技术与BIPV结合应用是较为合适的研究方向。发展至今，多数文献研究集中在使用BIM技术结合实际工程项目，开发BIPV的信息化仿真模型，用于预测数据并优化工程设计；少数文献则利用BIM技术的可视化和信息化平台参与BIPV建筑项目的整体建设周期，并在后期运维中持续发挥作用；此外，利用BIM技术参数化设计及优化光伏组件、开发BIPV建筑BIM软件、结合多学科交叉理念进行扩展性研究等也是目前国内研究初步探索的内容。由此可见，基于BIM技术的BIPV应用研究在国内的发展趋势是积极的。

2.3" 国外发展现状分析

国外在BIPV的推广和研究方面，以日本、德国、美国等国家为发起者。德国是世界上最早建造光伏建筑国家之一，在光伏建筑发展政策体系方面表现得较为完善。

就BIM技术与BIPV相结合的研究而言，国外各类学术平台搜索结果显示：中国在该领域的外文期刊网站发表论文数量较多，意大利次之，美国、英国、澳大利亚等国家也在关注该方面研究。各国关于BIM技术结合BIPV研究的国内外文献发表数量占比情况如图2所示。

国外关于BIM技术应用于BIPV研究的文献最早可追溯至2011年，美国提出利用BIM软件开发BIPV模型作为参数化原型，并结合编程将光伏组件的安装倾角与太阳高度角关联，利用Revit软件中的应用程序编程接口（API），通过太阳高度角路径控制光伏组件安装倾角[4]。由此说明，国外的研究切入点与国内一致，都是借助BIM技术的3D模型可视化、参数化优势，探索BIPV建筑的节能优化设计。利用BIM技术建立相关能耗模型并分析的研究案例还有很多，并且与国内研究目的和方法类似[16-19]。例如：Fitriaty等[17]利用BIM建模和分析软件，通过对热带地区BIPV建筑模拟发电量与实测能耗进行比较，得出该区域光伏组件最佳安装倾角。Kuo等[19]基于BIPV实验示范屋，将BIM能源分析结果与3年实测数据进行对比，结果表明：BIM技术在BIPV建筑能耗分析中能够较为合理地预估发电量。

国外在BIPV领域的早期研究更偏向于先开发适用于该类研究的平台或创建BIM模型库，用于BIPV建筑的能耗模拟分析。例如：美国的Kim等[20]曾尝试开发用于建筑热能模拟的物理BIM库，用以增强建筑设计和建筑能源模拟之间的有效性。比利时和中国学者共同合作研究并开发出了统一的BIPV设计平台—— e-BIM，即以BIM技术为中心的BIPV设计和分析软件平台；同时，开发同步引擎实现视图与统一模型之间的数据一致性及自动化，有效降低了光伏发电系统成本和传输损耗[21]。

加拿大学者的研究重点则在于BIM技术在BIPV建筑模型细部构造上的优化应用[22-24]，例如：Vahdatikhaki等[22]探索了基于BIM技术的高层建筑光伏组件框架布局生成设计方案。意大利的研究人员则将注意力转移至针对历史建筑信息模型（HBIM）与光伏发电系统的集成工作，尝试利用HBIM工具促进光伏发电技术在历史建筑翻新操作中的有效融合[25]，但研究仅提出流程规划，有待进一步深入实践应用。马来西亚和澳大利亚等国家的学者则专注于相关平台框架的开发和设计，利用BIM技术将建筑所在地区的气候、BIPV产品、建筑法规、经济数据结合起来，形成统一的信息化系统，用以创建最佳的BIPV系统工作方案[26]。

2.4" 研究趋势分析

通过梳理国内外文献可以发现，BIPV类产品在提高生产效率、节约建设成本等方面，国内外都是利用BIM技术的3D仿真模型作为辅助研究手段。在发展初期，国内学者们在创建、应用BIM-BIPV仿真预测模型的同时，也尝试利用BIM技术信息化、协同化的特点，管理BIPV项目的全生命周期活动，试图创建智能BIPV类建筑运行系统。因此，国内近几年开始着手BIM-BIPV技术与云计算、物联网、大数据等实现互补共享，多技术融合与多学科交叉是目前该项技术发展的主流方向。不仅结合BIM技术的参数化特征，在设计阶段优化光伏组件局部和整体构造，并且还有少数在研发光伏产品的新功能和新形态中，将光伏发电技术和太阳能热利用技术相结合，利用BIM技术在产品的不同构造形态中预测节能效率。

国外最初在利用BIM构建模型族库的同时，对BIM-BIPV产品设计软件平台展开了研究，对BIPV/T产品进行能耗模拟分析，并在后期有向开发BIM-BIPV全过程综合管理平台的发展趋势。此外，加拿大和其他国家还将关注点放在BIM-BIPV产品的模型创建类型上，除了尝试致力于优化BIPV产品细部结构这一方面外，也在探索不同的BIM-BIPV建筑类型的模型设计，例如：超高层BIPV建筑项目、古建筑BIPV项目等。由于BIM技术与光伏产品的结合是发展必然趋势之一，光伏建筑市场将会出现汇集多种学科技术于一体的新设计历年，共同为绿色、低碳、环保的目标服务，因此，市场也需要行之有效的统一标准，例如：光伏产品建模标准、流程规定、相关法律法规、产品语言标准等。此类标准的制定，也是当下各国在尝试的研究方向。

3" 结论

目前，BIM技术在BIPV领域的应用不仅显著降低了BIPV建筑项目的成本，还为实现碳循环、绿色环保、节约资源等关键目标提供了有力支持。国内外目前主流研究方向集中于BIM-BIPV相关产品的研发，对于BIM-BIPV/T产品的开发探索尚处于起步阶段。BIM技术应用于BIPV领域的研究不仅在产品本身的研发上具有良好的发展潜力，而且在项目模式的优化、多项学科技术融合、产品规范化、信息化平台创建等方向同样具备广阔的发展空间。

本文通过对相关文献的梳理和分析，归纳了BIM-BIPV的相关定义及国内外发展现状，并推测了此类研究的未来发展趋势。分析结果显示：BIM技术在产品优化、项目模式创新、多学科技术融合及信息化平台建设等方面具有广阔的发展空间。未来，随着技术标准的统一和多学科技术的进一步融合，BIM技术在BIPV领域的应用将更加广泛和深入，为推动建筑行业的可持续发展提供重要支撑。

[参考文献]

[1] 桂玉环. 基于BIM+三维激光扫描技术的云南古桥梁数字档案建设研究[D]. 昆明：云南大学，2022.

[2] 肖潇，李德英. 太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势[J]. 节能，2010，29（2）：12-18.

[3] 阳素梅.基于“整体”的BIM-BIPV研究[D].天津：天津大学，2012.

[4] XUAN X D. Application of building information modeling in building integrated photovoltaics[J]. Advanced materials research，2010，171/172：399-402.

[5] 龙承潮，王佳. 基于BIM技术的可定义光伏预测模型研究[J]. 智能建筑电气技术，2015，9（4）：71-75.

[6] 赵乐. 基于BIM技术的光伏建筑一体化模型应用研究[J]. 铁路技术创新，2017（1）：55-57，60.

[7] 张先勇，陈海生，李丽，等. 基于BIM技术的光伏建筑一体化设计与分析[J]. 建筑节能，2018，46（4）：97-101.

[8] 海涛，周楠皓，周明雨，等. 建筑信息化模型技术在光伏建筑一体化中的研究与应用[J]. 广西大学学报（自然科学版），2018，43（6）：2191-2196.

[9] 崔艳秋，刘晓玥，刘伊，等. 基于BIM技术的装配式住宅光伏一体化设计探讨[J]. 住宅科技，2022，42（12）：73-79.

[10] 何侃. 基于BIM的光伏建筑一体化辅助设计平台开发[D]. 杭州：浙江理工大学，2016.

[11] 王君，王矗垚，季杰. BIPV/T技术在新徽派民居中的应用探索[J]. 新能源进展，2021，9（4）：300-310.

[12] 张元海，段佩怡，李沐林. 基于光伏建设运营全过程的BIM技术应用[J]. 广东水利水电，2021（10）：91-96.

[13] 王江曼. 基于BIM的太阳能建筑发电预测方法研究[D]. 武汉：武汉工程大学，2018.

[14] 陆代泽. 基于物联网的太阳能BIPVT智能建筑的研究与设计[D]. 南宁：广西大学，2022.

[15] 赵家敏. 基于BIM的装配式BIPV质量追溯系统构建[J]. 中国设备工程，2023（14）：89-91.

[16] RADMEHR M，WILLIS K，KENECHI U E. A framework for evaluating WTP for BIPV in residential housing design in developing countries：a case study of North Cyprus[J]. Energy policy，2014，70：207-216.

[17] FITRIATY P，SHEN Z J. Predicting energy generation from residential building attached photovoltaic cells in a tropical area using 3D modeling analysis[J]. Journal of cleaner production，2018，195：1422-1436.

[18] WALKER L，HOFER J，SCHLUETER A. High-resolution，parametric BIPV and electrical systems modeling and design[J]. Applied energy，2019，238：164-179.

[19] KUO H J，HSIEH S H，GUO R C，et al. A verification study for energy analysis of BIPV buildings with BIM[J]. Energy and buildings，2016，130：676-691.

[20] KIM J B，JEONG W，CLAYTON M J，et al. Developing a physical BIM library for building thermal energy simulation[J]. Automation in construction，2015，50：16-28.

[21] GUI N，HE K，QIU Z F，et al. E-BIM：a BIM-centric design and analysis software for building integrated photovoltaics[J]. Automation in construction，2018，87：127-137.

[22] VAHDATIKHAKI F，SALIMZADEH N，HAMMAD A. Optimization of PV modules layout on high-rise building skins using a BIM-based generative design approach[J]. Energy and buildings，2022，258：111787.

[23] SALIMZADEH N，VAHDATIKHAKI F，HAMMAD A. Parametric modeling and surface-specific sensitivity analysis of PV module layout on building skin using BIM[J]. Energy and buildings，2020，216：109953.

[24] MARTÍN-CHIVELET N，KAPSIS K，WILSON H R，et al. Building-integrated photovoltaic （BIPV） products and systems：a review of energy-related behavior[J]. Energy and buildings，2022，262：111998.

[25] LUCCHI E，AGLIATA R. HBIM-based workflow for the integration of advanced photovoltaic systems in historical buildings[J]. Journal of cultural heritage，2023，64：301-314.

[26] YANG R J，IMALKA S T，PABASARA WIJERATNE W M，et al. Digitalizing building integrated photovoltaic （BIPV） conceptual design：a framework and an example platform[J]. Building and environment，2023，243：110675.

RESEARCH STATUS OF BIM TECHNOLOGY

APPLIED TO BIPV FIELD

Gui Yuhuan

（Wanjiang University of Technology，School of Management Engineering，Maanshan 243000，China）

Abstract：The application of building information modeling （BIM） technology in the field of building integrated photovoltaics （BIPV） has not only optimized the design and construction process but also promoted the green transformation of the construction industry. This paper reviews the relevant literature on the application of BIM technology in the BIPV field，and elaborates on the progress of related research both domestically and internationally. It conducts a detailed analysis and summary of the advantages，current status，and existing problems of BIM technology in BIPV projects. Finally，based on the literature statistics and research status，the future development trend of BIM technology application in the BIPV field is prospected，aiming to provide reference and guidance for the promotion and application of BIM technology in BIPV field.

Keywords：BIM；BIPV；BIPV/T；building energy efficiency