湯文凱 王思佳 譚木蘭

（西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，成都 610500）

迫于人口、工業(yè)化、市場(chǎng)等多方壓力，我國(guó)的自然環(huán)境正在不斷惡化。彌漫各個(gè)城市的霧霾，日益干涸的河流，嚴(yán)重的水土流失無(wú)不在給我們敲響警鐘。

近年來(lái)國(guó)家開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)建筑行業(yè)環(huán)境影響的重視。綠色建筑理念被大家逐步重視起來(lái)，綠色建筑指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。[1]所以我們將目標(biāo)轉(zhuǎn)為如何通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)既有建筑進(jìn)行分析，確定合理的運(yùn)維方案，對(duì)既有建筑進(jìn)行科學(xué)高效的管理，從而達(dá)到綠色運(yùn)營(yíng)的目的。

本文我們選取西南石油校園作為參考，運(yùn)用 BIM技術(shù)對(duì)既有的教學(xué)樓-“明志樓”進(jìn)行能耗、光照、疏散三方面的分析，以分析結(jié)果為參照依據(jù)進(jìn)行教學(xué)樓運(yùn)維管理方案設(shè)計(jì)。并且假設(shè)在未來(lái)校內(nèi)新能源汽車(chē)趨于飽和時(shí)，如何布設(shè)充電樁才能在節(jié)能的前提下滿足大部分教師的車(chē)輛充電需求。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1 明志樓項(xiàng)目模型渲染

本次研究主要以西南石油大學(xué)校園及校園二期工程的5層綜合教學(xué)樓-明志樓為主體進(jìn)行分析。明志樓總建筑面積30 800㎡，地上建筑5層，占地20 690㎡，高22.7m；地下建筑1層，占地4 930㎡。其負(fù)1層作為地下停車(chē)場(chǎng)使用、1-3層為實(shí)驗(yàn)與教學(xué)用地、4-5層為院系教師辦公室與研討室，目前明志樓完全滿足日常教學(xué)授課使用與教師辦公的能力。明志樓模型渲染圖如圖1所示。

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

本項(xiàng)目作品涉及專(zhuān)業(yè)多，需要建筑，結(jié)構(gòu)，機(jī)電等各專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)配合；軟件涉及較多，學(xué)習(xí)掌握難度大；研究問(wèn)題新，探索過(guò)程需克服問(wèn)題多。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

通過(guò)這次研究我們主要為了達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)：1）使既有教學(xué)樓-明志樓的運(yùn)維更加高效合理；2）假設(shè)在未來(lái)校園新能源汽車(chē)飽和時(shí)，布設(shè)的充電樁既能滿足正常需求又盡量節(jié)約。

2.2 實(shí)施方案及應(yīng)用措施

1）對(duì)于運(yùn)維研究部分：我們通過(guò)對(duì)明志樓進(jìn)行精細(xì)化建模，對(duì)其進(jìn)行：能耗、光照、人員疏散三方面分析，對(duì)分析結(jié)果中的可優(yōu)化因素進(jìn)行改進(jìn)，提出優(yōu)化方案使教學(xué)樓的運(yùn)維更加高效合理。

2）對(duì)于充電樁布設(shè)部分：我們通過(guò)無(wú)人機(jī)建立全校GIS模型，對(duì)重要的建筑物進(jìn)行建立BIM模型，在3Ds Max上將兩者整合，配合我們前期調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，提出充電樁布置方案。

2.3 人員組織

為達(dá)到以上目的我們組成了包含：土木工程、工程管理、測(cè)繪工程及建筑能源與環(huán)境應(yīng)用工程四大專(zhuān)業(yè)的10人團(tuán)隊(duì)，通過(guò)指導(dǎo)老師的統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排，從不同的角度完成分析設(shè)計(jì)。

2.4 軟件環(huán)境

所使用的軟件包括 Revit、Lumion、InfraWorks 360、Autodesk Insight 360、Green Building Studio、Pathfinder、DeST、Ecotect Analysis、DJI GO等軟件。

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

GIS是一種特定而十分重要的空間信息系統(tǒng)。其主要功能是采集、存貯、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層）與空間分布有關(guān)的數(shù)據(jù)。[2]而B(niǎo)IM技術(shù)則是將建筑物可視化，并在將相應(yīng)的建筑信息關(guān)聯(lián)到了模型中，相較 GIS信息而言，更注重建筑微觀信息，兩者相結(jié)合就構(gòu)成了建筑的全部信息。首先通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍正射影像、傾斜攝影等方式對(duì)學(xué)校進(jìn)行近地面遙感數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)軟件生成相應(yīng)的三維模型；其次校園中的重要建筑，例如：四大明樓、圖書(shū)館、學(xué)生食堂等我們均使用Revit進(jìn)行了模型建立。最終將兩部分共同導(dǎo)入3Ds Max完成整合，并將整合好的文件導(dǎo)入Lumion完成最終的校園渲染漫游。如圖2所示：

圖2 校園模型渲染

3.2 BIM應(yīng)用情況

3.2.1 運(yùn)維管理

（1）能耗分析

通過(guò)使用 Autodesk Insight 360、Green Building Studio等能耗分析軟件，我們得到了明志樓的全年能耗情況為：

表1 明志樓全年能耗成本比例

通過(guò)系統(tǒng)能耗分析得出，能耗成本中電量占比91%，燃料占比9%；年耗電量中HVAC占比78%，照明占比12%，其他設(shè)備占比10%。

從表 1中可以發(fā)現(xiàn)明志樓的最主要能耗為空調(diào)系統(tǒng)的消耗，所以我們從該方面入手，通過(guò)正向設(shè)計(jì)為明志樓建立了更高效綠色的空調(diào)系統(tǒng)。

（2）光照分析

明志樓照明系統(tǒng)耗電量主要包括：教室照明、實(shí)驗(yàn)室照明、辦公照明耗電量。其中教室照明耗電量較大，教學(xué)樓單位面積平均照明功率為11.0 W/m2。一間典型教室有功率為40 W的粗管日光燈共12盞,總功率為480 W,平均每天開(kāi)燈時(shí)間為9 h。整間教室白天開(kāi)燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成較大的電能浪費(fèi)。

因此，我們以Ecotect軟件為基礎(chǔ)對(duì)明志樓光照條件進(jìn)行分析，將分析結(jié)果作為依據(jù)驗(yàn)證自動(dòng)控制照明系統(tǒng)的可行性。如圖3所示。

圖3 Ecotect中光照分析圖

（3）疏散分析

對(duì)該教學(xué)樓按照Pathfinder的要求建模，導(dǎo)入軟件發(fā)現(xiàn)擁堵點(diǎn)，與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證軟件的精確度。再對(duì)各個(gè)造成擁堵的原因進(jìn)行分析，改變這些條件并重復(fù)建模、驗(yàn)證的過(guò)程，最后得到一個(gè)相對(duì)最為合理的人員疏散方案及路線，最大程度上保證在疏散時(shí)，人員撤離最快、最安全。

3.3.2 新能源汽車(chē)充電樁布置方面

通過(guò)現(xiàn)有的全校園模型我們找到其中具備布設(shè)充電樁條件的區(qū)域共13個(gè)。以大量的問(wèn)卷及市場(chǎng)調(diào)查為依據(jù)我們得到了車(chē)位與充電樁的兩種布設(shè)比例，并將這兩種布設(shè)方式進(jìn)行比選，得出最終方案。如圖 5所示（布設(shè)圖太大，截取一部分圖）。

圖5 明志樓充電樁布設(shè)圖

4 應(yīng)用效果

4.1 空調(diào)系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)

在暖通空調(diào)專(zhuān)業(yè)中，運(yùn)用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行管線碰撞分析，能很好地提高暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工作完成度，減少施工工作量，提高效率，減少返工，節(jié)約成本?？照{(diào)通風(fēng)、排水設(shè)計(jì)局部如圖6、圖7所示：

圖6 空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)局部圖

圖7 空調(diào)排水設(shè)計(jì)局部圖

BIM的可視化功能集成多維信息，精確地儲(chǔ)存了暖通空調(diào)工程中的設(shè)備及管線的屬性及空間信息，進(jìn)行模擬施工組織方案，為后期施工安全管理提供了有力的技術(shù)支持。

表2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

在圍護(hù)構(gòu)造以及其他建筑圖元性能參數(shù)不變的情況下，采用不同的HVAV系統(tǒng)對(duì)明志樓進(jìn)行能耗模擬分析比較。以12 SEER/7.7 HSPF 分體式/整體式熱泵為基準(zhǔn)，分別比較二管制風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)，冷水機(jī)組 5.96 COP，鍋爐效率 84.5；中央 VAV，電阻加熱，冷水機(jī)組 5.96 COP；中央 VAV，HW 加熱，冷水機(jī)組 5.96 COP，鍋爐效率 84.5（默認(rèn)值），將結(jié)果從碳排放量、耗電成本進(jìn)行對(duì)比分析，得出12 SEER/7.7 HSPF 分體式/整體式熱泵最適合目前的教學(xué)樓。結(jié)果對(duì)比如圖8、圖9所示。

圖9 系統(tǒng)分析對(duì)比結(jié)果圖

安裝光敏電阻控制自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈后會(huì)減少明志樓照明年耗電量32 919.18kW·h，費(fèi)用17 667.9元。

4.2 自動(dòng)控制照明系統(tǒng)可行性

我們將得到的數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)并作出相應(yīng)的表格，根據(jù)學(xué)校的作息時(shí)間8：00-22：00，計(jì)算明志樓2017年月平均照明系統(tǒng)耗電量。照明分析流程如圖10所示。

根據(jù)現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的光敏電阻控制自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈系統(tǒng)耗平均耗電量計(jì)算得：明志樓年平均照明耗電量為：54 759.06kW·h，費(fèi)用為29 372.7元。

圖10 照明分析流程圖

圖8 年能耗成本對(duì)比圖

4.3 減少疏散時(shí)間的方案設(shè)計(jì)

通過(guò)疏散模擬我們得知，明志樓現(xiàn)有狀況疏散時(shí)間為160s。明志樓作為綜合型教學(xué)樓分為A、B兩個(gè)區(qū)域，除了最基本的教室外還有實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室、教師及行政辦公室?；窘淌壹性谌龢牵瑳Q定了三樓人流量最多，而A、B區(qū)的連接部分樓梯離兩邊最近，所以平時(shí)使用人數(shù)最多，同時(shí)與該樓梯旁的A311教室容納人數(shù)較多，所以此處的樓梯是一個(gè)擁堵點(diǎn)。A301教室容納人數(shù)較多，且與 B301、B302、B303教室相近，同時(shí)該教室旁的樓梯離 B區(qū)大門(mén)最近但相對(duì)較窄，這也是一個(gè)擁堵點(diǎn)。在明志樓結(jié)構(gòu)無(wú)法改變的情況下我們想要減少疏散時(shí)間只能通過(guò)優(yōu)化排課完成。

具體方案如下：錯(cuò)開(kāi)A301教室與B301、B302的時(shí)間，減輕A301教室旁樓梯的壓力。A311教室有課時(shí)就避免該教室兩側(cè)的 A303、A305的使用。在優(yōu)化了排課后我們最終得到的疏散時(shí)間為 120s，比原方案減少了40s。

4.4 新能源汽車(chē)充電樁布置

校園內(nèi)的車(chē)輛絕大部分來(lái)源于教師，所以我們對(duì)教師進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，得到教師更換新能源汽車(chē)意愿、每周開(kāi)車(chē)到校的平均次數(shù)等數(shù)據(jù)。如表3、表4、圖11、圖12所示。

表3 教師每周平均開(kāi)車(chē)至學(xué)校的次數(shù)分布

表4 教師每天開(kāi)車(chē)上班的距離概率分布

圖11 油/電量低于多少時(shí)選擇加油/充電比例

圖12 未來(lái)選擇何種電動(dòng)車(chē)比例

在此基礎(chǔ)上我們對(duì)市面上現(xiàn)有的新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程進(jìn)行調(diào)查，計(jì)算得知目前市面上新能源汽車(chē)平均續(xù)航里程為257.8km。通過(guò)上述數(shù)據(jù)得出每周行駛消耗的理想電量 K=每周開(kāi)車(chē)到校次數(shù)×平均行駛距離/257.8；則理想狀態(tài)下，計(jì)算得出理想剩余電量。在對(duì)教師進(jìn)行的問(wèn)卷調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電量低于 35%時(shí)選擇充電的人數(shù)高達(dá)86%，所以我們選取35%電量作為充電的臨界電量。最后我們通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到：全校現(xiàn)階段車(chē)輛數(shù)2 460輛，校方給出車(chē)位數(shù)約3 000個(gè)。則計(jì)劃一周需充電的汽車(chē)數(shù)量 B=需充電車(chē)數(shù)量百分比（k3+k4）×2460×67.1%= 802.22；充電樁比例=B/3000=0.267。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表5所示。

以得到的比例為基礎(chǔ)我們?cè)O(shè)計(jì)了如下兩種充電樁布置方案：1.13個(gè)區(qū)域均按照基本比例布設(shè)。2.將 13個(gè)區(qū)域的停車(chē)狀況細(xì)分，在車(chē)位集中并便于充電樁布設(shè)的位置加大布設(shè)比例進(jìn)行充電樁布設(shè)。得到如下兩種方案：

將充電樁布置到校園模型后對(duì)比發(fā)現(xiàn)：方案二的布設(shè)方式更方便汽車(chē)充電，同時(shí)充電樁更加集中便于線路的敷設(shè)，所以我們決定將方案二作為最終方案。

表5 考察數(shù)據(jù)結(jié)果

?

?

圖13 四大明樓區(qū)域布局圖

圖14 地下車(chē)庫(kù)充電樁布置圖

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）多專(zhuān)業(yè)參與

團(tuán)隊(duì)成員來(lái)自工程管理、土木工程、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用、測(cè)繪工程四個(gè)專(zhuān)業(yè)從多角度運(yùn)用BIM技術(shù)。

（2）綠色建筑

本次作品我們綜合使用多種軟件，力求貼近綠色建筑理念，使教學(xué)樓乃至學(xué)校運(yùn)行更加高效合理。

（3）GIS+BIM交互

本次作品我們對(duì)GIS+BIM技術(shù)進(jìn)行探索，利用兩個(gè)軟件的交互使用綜合地理及建筑信息為智慧校園打下基礎(chǔ)。

（4）正向設(shè)計(jì)

在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中我們采用了正向設(shè)計(jì)的理念，直接在建筑模型中完成空調(diào)系統(tǒng)的搭建。

5.2 結(jié)語(yǔ)

本次研究中我們著重通過(guò)運(yùn)維階段的管理對(duì)建筑物的進(jìn)行節(jié)能減排設(shè)計(jì)，希望能通過(guò)科學(xué)的方法降低建筑物的運(yùn)維能耗，使其的運(yùn)行更為高效合理。以此作為推廣，進(jìn)行既有建筑綠色改造，能在很大程度上降低建筑物對(duì)環(huán)境的影響。當(dāng)然，新建建筑在此基礎(chǔ)上同時(shí)也要在設(shè)計(jì)及施工中貫徹綠色建筑理念。研究中我們對(duì)GIS+BIM系統(tǒng)做出了初步的探索，為日后的智慧校園打下了基礎(chǔ)。我們認(rèn)為綠色建筑不應(yīng)僅僅是作為建筑本身來(lái)談，而應(yīng)該和其他方面的節(jié)能減排相結(jié)合，所以進(jìn)行了充電樁的分布設(shè)計(jì)。希望在綠色建筑的基礎(chǔ)上為其他方面的節(jié)能減排提供便利，實(shí)現(xiàn)更大層面上的綠色與可持續(xù)發(fā)展。