管昌生，張海華，華 虹，王曉明

（1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430070）

1 引言

近來(lái)我國(guó)一年建成的房屋建筑面積，比所有發(fā)達(dá)國(guó)家一年建成的房屋建筑面積的總和還要多，既有城鄉(xiāng)建筑中99%為高耗能建筑，新建成的房屋95%以上還是高能耗建筑。由于空調(diào)的快速發(fā)展，夏季高峰用電問(wèn)題愈益嚴(yán)重。根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心編的《中國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展研究報(bào)告2011》，我國(guó)城鎮(zhèn)建筑冬季采暖是我國(guó)建筑能耗的最主要構(gòu)成部分，也是我國(guó)建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)[1]。

目前建筑節(jié)能的推廣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)展的要求，大多數(shù)建筑都是參考已有的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的案例和技術(shù)手法，而沒(méi)有對(duì)它的方案和工程進(jìn)行分析與計(jì)算，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果是否節(jié)能、是否經(jīng)濟(jì)、是否綠色等。傳統(tǒng)的2D軟件，只能由專業(yè)人士通過(guò)手工輸入的方式將建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到專業(yè)軟件中，才能進(jìn)行能量分析。大量的專業(yè)數(shù)據(jù)、繁瑣的輸入工作使得能量分析與模擬對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)是可望而不可及的。能效計(jì)算通常安排在設(shè)計(jì)的最終階段，由專業(yè)人士進(jìn)行操作和分析、模擬，但此時(shí)建筑設(shè)計(jì)方案已經(jīng)很難改變。隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3DCAD軟件日趨完善和成熟，為綠色建筑設(shè)計(jì)中能量分析的自動(dòng)化、智能化提供了基礎(chǔ)和平臺(tái)[2，3]。本文以武漢地區(qū)一棟典型辦公樓建筑為例，研究了該建筑基于BIM的建筑太陽(yáng)能利用和空調(diào)系統(tǒng)能耗分析。

2 建筑節(jié)能研究的背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量與日劇增，全球能源短缺的狀況日益突顯，能源問(wèn)題已經(jīng)成為了關(guān)乎國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問(wèn)題。與此同時(shí)，建筑耗能占總能耗的比例不斷增加，建筑節(jié)能成為了國(guó)家節(jié)約能源戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。由于不同建筑的建筑設(shè)計(jì)方案在能耗方面會(huì)有巨大的差別，因此需要在建筑方案階段就對(duì)建筑進(jìn)行能耗模擬，判斷建筑是否滿足節(jié)能要求。然而，傳統(tǒng)的能耗分析軟件對(duì)建筑進(jìn)行節(jié)能分析并不是容易的事情：傳統(tǒng)能耗分析軟件需要大量的專業(yè)數(shù)據(jù)，輸入繁瑣，專業(yè)性強(qiáng)，建筑師很難花大量精力研究能耗模擬軟件并完成每種方案的能耗分析工作。另一方面，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，建筑專業(yè)和設(shè)備專業(yè)是脫節(jié)的，設(shè)備工程師需要在輸入建筑數(shù)據(jù)后使用能耗分析軟件進(jìn)行能耗分析，而分析結(jié)果并不能直接反映到建筑模型中，導(dǎo)致能耗分析通常安排在設(shè)計(jì)的最終階段，不能起到及時(shí)為建筑師提供方案設(shè)計(jì)依據(jù)的作用。

隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3D軟件日趨完善和成熟。邱相武等人研究了基于BIM的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)[4]，曾旭東等對(duì)BIM技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究[5]，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、智能化提供了基礎(chǔ)和平臺(tái)，使方案設(shè)計(jì)階段的建筑節(jié)能更快捷方便，準(zhǔn)確。

由于建筑朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、自然通風(fēng)狀況、建筑體形系數(shù)、窗墻面積比等都是影響建筑能耗的重要因素。而基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可以通過(guò)建筑師的建筑信息模型來(lái)獲取建筑朝向，構(gòu)件幾何尺寸、建筑材料、功能分區(qū)等建筑信息，因此可以用來(lái)進(jìn)行建筑節(jié)能分析計(jì)算，使建筑全年能耗滿足規(guī)定性指標(biāo)或性能化指標(biāo)要求。如果建筑不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可以將對(duì)模型的修改建議反饋給建筑師，而建筑師根據(jù)反饋意見(jiàn)修改建筑模型，如此反復(fù)，直到建筑滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求為止。因此基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能還可以解決建筑設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，提高工作效率；對(duì)建筑的太陽(yáng)能利用、舒適度和空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，為建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

3 BIM技術(shù)節(jié)能應(yīng)用研究

3.1 工程背景

本文是以位于武漢地區(qū)的一棟10層的典型辦公樓為背景，總建筑面積12260m2，屋面高度為39.6m，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立該辦公樓的BIM模型，并將其導(dǎo)入到綠色節(jié)能分析軟件進(jìn)行模擬分析，研究了該辦公樓的太陽(yáng)能被動(dòng)利用，以及其空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。

3.2 BIM 建模

依據(jù)該樓的建筑圖紙建立BIM信息模型，為了進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)與節(jié)能分析的研究，所建立的BIM模型具有該樓的所有真實(shí)信息，不僅包括幾何形狀描述的視覺(jué)信息（材質(zhì)、構(gòu)造、尺寸等），還包含大量的非幾何信息如材料的強(qiáng)度、性能、傳熱系數(shù)、構(gòu)件的造價(jià)、采購(gòu)信息等，如圖1所示。

3.3 Revit與Ecotect模型間的數(shù)據(jù)交換

作為BIM的應(yīng)用軟件，Ecotect除了能夠?qū)ㄖ锏臒岘h(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響等進(jìn)行模擬；在方案設(shè)計(jì)階段，在各種數(shù)據(jù)尚未確定之前，可以利用簡(jiǎn)單的塊體對(duì)建筑物的多種性能進(jìn)行大致的預(yù)測(cè)，對(duì)不同樣式的建筑進(jìn)行對(duì)比分析，為建筑師設(shè)計(jì)提供依據(jù)，還集成了氣候分析和轉(zhuǎn)換軟件Weather Tool，為建筑師被動(dòng)設(shè)計(jì)提供可行性信息。

利用Ecotect Analysis對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行建筑節(jié)能分析，需要把Revit Architecture建立好的模型導(dǎo)入Ecotect Analysis中。在將建立好的BIM模型導(dǎo)入到Ecotect軟件之前，需要對(duì)BIM模型進(jìn)行相應(yīng)的處理：

（1）關(guān)閉導(dǎo)出的三維視圖中與分析無(wú)關(guān)的房間、面積和地形等的可見(jiàn)性，這樣可以減少導(dǎo)入到其他應(yīng)用程序的對(duì)象數(shù)目和數(shù)據(jù)量，減少數(shù)據(jù)丟失。

（2）可以利用剖面框?qū)С瞿Ｐ椭械哪硞€(gè)特定部分進(jìn)行分析。

將Revit Architecture建立好的模型分別以DXF格式和gbxml格式導(dǎo)出。由于gbxml格式的文件是以空間為基礎(chǔ)的模型，所以它適合于光環(huán)境分析、聲環(huán)境、資源消耗與環(huán)境影響分析等。而DXF格式的文件是詳細(xì)的建筑3D模型，建筑構(gòu)件都是具有厚度的，因此可以用于熱環(huán)境分析、陰影遮擋分析、可視度分析等。在該項(xiàng)目中在被動(dòng)設(shè)計(jì)分析時(shí)采用的是gbxml格式文件，而在熱環(huán)境和能耗分析時(shí)采用的是DXF文件[6]，如圖2、圖3所示。

4 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的Ecotect分析

4.1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)內(nèi)容

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求判斷建筑設(shè)計(jì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法是否滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。目前國(guó)內(nèi)外建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法可分為兩種：規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)和性能化指標(biāo)設(shè)計(jì)。在規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)方法中只需使建筑體形系數(shù)、窗墻面積比、建筑朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)和設(shè)備照明均滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的指標(biāo)要求，則可滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是不必進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算分析，可節(jié)省大量的時(shí)間和精力。性能化指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)時(shí)允許部分指標(biāo)（如體形系數(shù)、窗墻面積比、部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工指標(biāo)）超出標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性規(guī)定的限值，但需要保證設(shè)計(jì)方案的節(jié)能綜合指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值或參照建筑的節(jié)能綜合指標(biāo)。

圖2 Ecotect分析模型

圖3 Ecotect可視化模型

作為建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要內(nèi)容，被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑主要通過(guò)建筑物的布置、內(nèi)外造型、構(gòu)造及材料選擇有效地采集、儲(chǔ)存和分配太陽(yáng)能，使建筑物具有溫暖、明亮的環(huán)境。被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑與一般建筑沒(méi)有絕對(duì)界限，只是利用太陽(yáng)能的多少、節(jié)約效益存在高低而已[7]。由于Ecotect Analysis集成了氣候分析和轉(zhuǎn)換的軟件工具Weather Tool，因此該項(xiàng)目的被動(dòng)太陽(yáng)能設(shè)計(jì)研究主要進(jìn)行了該建筑的太陽(yáng)輻射分析、焓濕圖策略分析、建筑的遮擋投影分析以及熱環(huán)境分析。

4.2 太陽(yáng)輻射分析

太陽(yáng)輻射分析主要是根據(jù)武漢地區(qū)的氣候條件，以及其經(jīng)緯度對(duì)建筑的各個(gè)朝向立面的某一段時(shí)間的太陽(yáng)輻射進(jìn)行分析對(duì)比，根據(jù)全年過(guò)熱期得到的太陽(yáng)輻射較少而過(guò)冷期內(nèi)太陽(yáng)的輻射量較多來(lái)權(quán)衡折中確定建筑的最佳朝向，達(dá)到舒適、節(jié)能的效果。

圖4、圖5所示分別為建筑的太陽(yáng)輻射分析和最佳朝向分析。圖4中淺色和深色區(qū)域分別為過(guò)冷和過(guò)熱區(qū)域，淺色線表示平均曝射量。圖4中淺色箭頭和深色箭頭分別表示最佳朝向和最差朝向，圖中標(biāo)出了最佳朝向165°，最差朝向75°。同時(shí)還顯示了全年平均輻射量最多的朝向（110°），過(guò)冷期輻射量最多的朝向（162.5°），過(guò)熱期內(nèi)輻射最多的朝向（85°），以及各個(gè)朝向的曝射量。

圖4 太陽(yáng)輻射分析

圖5 最佳朝向分析

4.3 焓濕圖策略分析

通過(guò)提供的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行焓濕圖策略分析可以減少建筑對(duì)周圍的影響，減少空調(diào)能耗等，該項(xiàng)目主要是根據(jù)建筑所處武漢地區(qū)的環(huán)境的空氣濕度溫度、流速等來(lái)確定一個(gè)相對(duì)舒適的區(qū)域，為建筑的被動(dòng)設(shè)計(jì)策略提供依據(jù)。

太陽(yáng)能采暖，太陽(yáng)能利用是建筑被動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要方面。主要是針對(duì)某一地區(qū)過(guò)冷時(shí)對(duì)太陽(yáng)能的利用的被動(dòng)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)置人的活動(dòng)量、窗墻的比例，以及太陽(yáng)能采暖效率，根據(jù)氣候數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行分析。我們通常通過(guò)改變窗墻比例和采暖效率來(lái)進(jìn)行被動(dòng)設(shè)計(jì)。如圖6和圖7分別為人體活動(dòng)量為靜坐時(shí)，窗墻比例分別為20%和40%的被動(dòng)太陽(yáng)能采暖分析。由圖6、7可得，當(dāng)將窗墻比例提高到40%時(shí)，3～5月間的室內(nèi)熱舒適度都有很大提高。

自然通風(fēng)，通過(guò)設(shè)置人的活動(dòng)量和不同用途的建筑物的空氣流動(dòng)速度，根據(jù)氣候數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行分析。通過(guò)改變不同時(shí)間空氣的流動(dòng)速度，達(dá)到通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的。如圖8、圖9所示，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速由1m／s增大至2m／s的效果。

除了對(duì)單獨(dú)的某種策略進(jìn)行分析之外，還可以對(duì)這些策略進(jìn)行組合，以找到最佳的節(jié)能、舒適的組合方案。如圖10所示，被動(dòng)太陽(yáng)能采暖在4月份和10月份的效果最好。圖11中淺色和深色分別表示被動(dòng)設(shè)計(jì)前后的舒適度，由此可以看出被動(dòng)設(shè)計(jì)可以提高建筑舒適度3～5倍，效果顯著。

圖6 20%窗墻比的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖效果

圖7 40%窗墻比的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖效果

圖8 1m／s風(fēng)速時(shí)通風(fēng)的效果

圖9 2m／s風(fēng)速時(shí)通風(fēng)的效果

4.4 建筑的遮擋投影分析

在當(dāng)今社會(huì)，各種高樓大廈林立。由于建筑布局不當(dāng)，四周的建筑相互遮擋，使得某些朝向選擇較好的建筑不能獲得較好的日照，采光較差。

圖10 被動(dòng)式設(shè)計(jì)的逐月效果

圖11 各種被動(dòng)策略總的效果

但是日照比不是越多越好，過(guò)量的日照，容易使建筑在夏季過(guò)熱，對(duì)人的學(xué)習(xí)和生活造成不利影響。因此建筑遮擋分析是很必要的。Ecotect Analysis遮擋分析主要是根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡圖，相關(guān)的氣候條件，建筑周圍的環(huán)境，以三維模型的效果圖來(lái)直觀顯示建筑的遮擋及投影情況。該項(xiàng)目中用大小、形狀、高度等相近的塊體來(lái)表示小高層辦公樓周圍的建筑，并且與要研究的辦公樓之間的距離是相同的。通過(guò)模擬來(lái)確定辦公樓的遮擋及投影情況。

4.5 空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展研究報(bào)告，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑能耗的40%，因此空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析對(duì)于建筑節(jié)能是至關(guān)重要的。

本文在Ecotect Analysis進(jìn)行熱環(huán)境分析時(shí)，為了分析結(jié)果的準(zhǔn)確做了一些設(shè)置。

（1）模型的設(shè)置。在進(jìn)行熱分析時(shí)模型空間必須是封閉的，相鄰空間材質(zhì)設(shè)置不沖突，劃分不同的熱量區(qū)域。將BIM模型導(dǎo)入Ecotect中之后，要設(shè)置建筑的材料參數(shù)，并且將這些參數(shù)賦予給相應(yīng)的部分。

（2）材質(zhì)的設(shè)置。在對(duì)材質(zhì)的熱系數(shù)設(shè)置幾乎與實(shí)際情況相同，除此之外有些物理參數(shù)如延遲時(shí)間由Ecomat計(jì)算得到。

（3）熱環(huán)境設(shè)置。室內(nèi)熱環(huán)境條件的設(shè)置對(duì)Ecotect模擬結(jié)果將產(chǎn)生巨大影響。進(jìn)行熱環(huán)境屬性設(shè)置主要包括系統(tǒng)類型、采暖、通風(fēng)等。

（4）區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置。區(qū)域?qū)傩园▍^(qū)域中的系統(tǒng)類型、人數(shù)、設(shè)備及其運(yùn)行的時(shí)間情況等，在同一建筑里面根據(jù)這些將其分成不同的區(qū)域。

如圖12所示，根據(jù)規(guī)范，按照普通辦公樓的人均占有面積、常規(guī)的在室率及不同房間電器的功率，對(duì)該棟建筑進(jìn)行的空調(diào)系統(tǒng)能耗分析。

由圖12可以知道，該建筑中在1、2、11、12月的制冷所耗的能源最多，在7、8月份空調(diào)制冷時(shí)的耗電量較大，與實(shí)際情況相吻合。

圖12 空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

5 結(jié)語(yǔ)

本文按照小高層辦公樓的建筑圖紙建立BIM模型，然后將建立的模型導(dǎo)入到節(jié)能分析軟件中，通過(guò)對(duì)該建筑的太陽(yáng)輻射、建筑遮擋和建筑能耗等分析，研究了基于BIM的建筑節(jié)能的幾個(gè)方面，結(jié)果表明建筑的能耗與建筑的朝向、太陽(yáng)輻射、窗墻比例、室內(nèi)的人員及機(jī)器使用情況等有關(guān)，適當(dāng)?shù)乜刂七@些因素對(duì)建筑節(jié)能有重要意義。但是由于BIM的軟件在國(guó)內(nèi)引進(jìn)時(shí)間不長(zhǎng)，而且并沒(méi)有完全在建筑設(shè)計(jì)、建造以及管理的各個(gè)專業(yè)中使用，導(dǎo)致綠色建筑信息模型在這一系列環(huán)節(jié)中傳遞受阻，模型導(dǎo)入時(shí)可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法真正達(dá)到建筑全生命周期綠色的效果。很多國(guó)內(nèi)的建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有進(jìn)入BIM模型的信息中，使BIM沒(méi)有完全發(fā)揮出它應(yīng)有的能力?？v然基于BIM技術(shù)的綠色建筑還有這么多的問(wèn)題，但是BIM技術(shù)和綠色建筑都一定是大勢(shì)所趨，二者的有機(jī)結(jié)合也一定會(huì)被建筑師很好運(yùn)用到未來(lái)的實(shí)踐中去。

[1]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2011[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]Arno Schlueter，F(xiàn)rank Thesseling.Building information model based energy／exergy performance assessment in early design stages[M].Automation in Construction，2008，18（2）：153～163.

[3]Deke Smith，United States Building Information Model Standard[C].US：The 2nd Congress on Digital Collaboration in the Building Industry，2005，11.

[4]邱相武，趙志安，邱勇云.基于BIM的太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)初探[J].建筑科學(xué)，2012，6，28（6）：24～40.

[5]曾旭東，趙 昂.基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（2）：33～35.

[6]柏 慕.Autodesk Ecotect Analysis 2011綠色建筑分析實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011，3.

[7]王 磊.西藏地區(qū)被動(dòng)太陽(yáng)能建筑采暖研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008，5.