晏路曼，舒 蓉

(1.上海思博職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程與管理學(xué)院，上海 201300；2.甘肅省建筑科學(xué)研究院 甘肅建研建設(shè)工程有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，全球各行各業(yè)制定節(jié)能降耗的發(fā)展道路，建筑節(jié)能倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的建筑節(jié)能設(shè)計由于信息化程度不高，難以對建筑制定出因地制宜科學(xué)合理的節(jié)能方案。利用建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的優(yōu)勢可以對建筑整個生命周期的相關(guān)信息進行集成與模擬，可以獲得優(yōu)化的節(jié)能效果，BIM技術(shù)為建筑節(jié)能設(shè)計開辟了新思路，基于BIM模型的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用的研究具有重大意義與價值[1-2]。

建筑項目從立項開始，歷經(jīng)規(guī)劃設(shè)計、工程建造、驗收交付、運營維護等全生命周期的過程。傳統(tǒng)的建筑建設(shè)模式是各階段相互割裂，信息共享程度低，而BIM技術(shù)就是一個包含了建筑全生命周期，包括建筑項目規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營、拆除等全部相關(guān)信息，大大提高了整個項目信息的集成化程度，真正做到了建筑項目全生命周期的管理?；贐IM技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合我國現(xiàn)階段建筑業(yè)的現(xiàn)狀，提出利用BIM理念進行建筑項目節(jié)能設(shè)計具有重大意義。

1 項目背景

該綜合體主要以商業(yè)和辦公為主體，建筑結(jié)構(gòu)類型主要分成A座、B座和裙樓及地下室，其中A座和B座為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，裙樓及地下室為框架結(jié)構(gòu)。A座建筑高度99.40 m，B座建筑高度98.80 m，裙樓高度為19.60 m。總建筑面積101 916 m2，該項目效果圖與見圖1所示[3]。

圖1 該商業(yè)綜合體項目效果圖Fig.1 Effectiveness map of the business complex project

1.1 項目BIM設(shè)計

圖2 BIM設(shè)計步驟圖Fig.2 BIM design step diagram

建立建筑BIM模型主要是根據(jù)導(dǎo)入的CAD圖紙進行繪制,BIM模型的設(shè)計過程如圖2中所示，通過不同系統(tǒng)的模型整合后，最終形成商業(yè)綜合體的BIM模型。

1.1.1 墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在繪制墻體之前，需要是區(qū)別不同類型的墻體。對不同材質(zhì)的設(shè)置，墻體詳細的參數(shù)設(shè)置如圖3(a)所示[4]。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，墻體的選取也各有不同，因為本項目結(jié)構(gòu)復(fù)雜，墻體的種類也較為復(fù)雜，在繪制過程中，把所需墻體都按照其功能不同劃分命名，如圖3(b)，以便以后的繪制方便統(tǒng)一。如圖4、圖5中所示，借助CAD圖紙繪制出本項目一層的建筑模型和結(jié)構(gòu)模型。

圖3 項目墻體屬性設(shè)計Fig.3 Attribute design of project wall

圖4 項目一層建筑模型Fig.4 One-storey building model of project

圖5 項目一層結(jié)構(gòu)模型Fig.5 One-tier structure model of project

1.1.2 幕墻BIM模型

幕墻嵌板就是幕墻的基本元素，如玻璃幕墻其嵌板就是玻璃，根據(jù)不同的設(shè)計與需求，幕墻嵌板可以替換為不同材質(zhì)。本商業(yè)綜合體繪制的幕墻系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 項目幕墻模型Fig.6 Project curtain wall model

1.2 BIM優(yōu)化設(shè)計

利用BIM模型可視化的特點，如圖7中所示，可以進行建筑天花板高度的優(yōu)化設(shè)置。通過各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，可以更直觀的統(tǒng)籌合理安排管線的布置，做到充分利用可用空間，提高建筑空間的使用效率[5]。

圖7 BIM模型層高優(yōu)化設(shè)計Fig.7 Optimum design of BIM model layer height

2 節(jié)能設(shè)計

2.1 項目前期規(guī)劃階段節(jié)能設(shè)計

2.1.1 太陽輻射采光

對于建筑朝向來說，主要考慮光照與通風這兩個方面的因素，也就是在冬季工況下可以接收到較多的太陽光照射，從而利用太陽的熱能幫助達到人們?nèi)粘Ｋ璧臏囟取?/p>

首先在 Ecotect中運行Weather tool，對于不同方向的年太陽輻射計算，Weather tool也給出了方法。通過對西安地區(qū)最冷與最熱的月份設(shè)置得到如下圖8，圖8中可以動態(tài)地顯示出西安地區(qū)全年的太陽輻射情況，其中藍色區(qū)域代表夏季，黃色區(qū)域代表冬季，較粗的藍線表示平均太陽輻射量，較細的藍線為實時的太陽輻射量。左上角的角度表示方向，方向范圍(-180～180)，通過調(diào)節(jié)方向，可以發(fā)現(xiàn)西安地區(qū)冬季南偏西31通(149)左右的輻射量最高，夏季西偏南5左(95)的輻射量最高[6]。

圖8 西安地區(qū)全年輻射圖Fig.8 Annual radiogram of Xi'an area

通過計算得下圖9，圖9中黃色箭頭表示冬季得到輻射量最多的朝向為218，即南偏西38°，細淺藍色箭頭表示夏季得到輻射量最多的朝向為268，即西偏南2即，這與調(diào)節(jié)上圖太陽輻射圖得到的結(jié)果是一致的。

圖9 西安地區(qū)太陽輻射下最佳朝向圖Fig.9 Optimum direction map under solar radiation in Xi'an area

圖9中深藍色箭頭與粗淺藍色箭頭分別表示西安地區(qū)最佳朝向與最差朝向，最佳朝向在210，即南偏西30南，最差朝向在300，即西偏北30西。較好的朝向范圍為155～210，即南偏東25南至南至南偏西30至。

2.1.2 風環(huán)境

建筑朝向還需要考慮風環(huán)境，良好的通風環(huán)境能夠提高建筑的居住質(zhì)量。適宜的通風環(huán)境就需要建筑選擇最佳的朝向，能夠最大限度利用夏季的主導(dǎo)風向，使建筑具有良好的通風環(huán)境，同時盡量避開冬季的主導(dǎo)風向，防止建筑受到過多的冷風侵襲。所以主要考慮分析夏季與冬季的主導(dǎo)風向?qū)ㄖ蜻M行研究[7-8]。

通過Ecotect氣候工具Weather tool加載西安的夏季與冬季的風頻圖，根據(jù)夏季多通風冬季防風的要求，可以得出西安地區(qū)的最佳風環(huán)境建筑朝向為南偏西30西到南偏西55偏方向。

圖10 太陽輻射和風條件下的最佳朝向分析Fig.10 Optimum orientation analysis under solar radiation and wind conditions

如圖10分別為太陽輻射最佳朝向與風條件下最佳朝向。通過結(jié)合太陽輻射與風環(huán)境對建筑朝向的綜合分析，得出下圖11，西安地區(qū)最適宜的建筑朝向為圖中黃線的方向，即南偏西30左右[9]。

圖11 綜合條件下的最佳朝向分析Fig.11 Optimum orientation analysis under comprehensive conditions

下表1是對傳統(tǒng)朝南朝向和以上優(yōu)化分析得出的朝向進行比較，見表1。

以上表1可以看出：在南偏西30偏朝向上，建筑能得到最大程度的日照時間，在夏季能得到更好的通風，在冬季又能夠減少冷風侵襲，從而從各個方面綜合考慮減少建筑制冷制熱以及照明設(shè)備的能耗[10]。由此驗證出西安地區(qū)的最佳朝向為南偏30此。

2.2 項目深化設(shè)計階段節(jié)能設(shè)計

除了前期低能耗的方案設(shè)計外，在建筑的設(shè)計階段主要考慮利用BIM技術(shù)能夠節(jié)約建筑建造成本和為后期運營提供數(shù)字化支持，同時更加深入優(yōu)化建筑設(shè)計使其更加節(jié)能。因為此項目較大，而研究也主要是研究裙樓平臺，所以利用Revit軟件建立好的體量模型導(dǎo)入到Ecotect中進行太陽輻射的模擬。因為以下要對裙樓的平臺進行太陽輻射的分析，所以將此體量模型導(dǎo)出成gbXML格式文件，再導(dǎo)入Ecotect軟件中[11]。完成對地區(qū)和建筑朝向的設(shè)置，如下圖12(a)所示，即為裙樓平臺的太陽輻射模擬結(jié)果圖，切換到俯視圖如圖12(b)所示。

表1 兩種朝向比較Tab.1 A comparison of two orientations

(a)項目太陽輻射模擬圖 (b)項目平臺太陽輻射平面圖圖12 項目和平臺太陽輻射平面圖Fig.12 Solar radiation plane of projects and platforms

對比圖12(a)和(b)可以看出，兩個子塔的屋頂屋頂太陽能輻射的能量100%利用，裙樓平臺還是受兩個子塔的影響，并不能做到100%的利用，通過模擬分析得到安裝在裙樓平臺上的太陽能設(shè)備，應(yīng)該盡量的遠離兩個子塔。接著對此裙樓平臺進行西安地區(qū)冬至日光照時間模擬，依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015中要求，在冬至日，太陽集熱器光照時間不能少于4 h，太陽能光伏組件不能少于3 h。如圖13所示，在上述太陽輻射確定位置上，光照時間達到了6.2 h以上，大大超出了節(jié)能設(shè)計的要求[12]。

圖13 裙樓平臺冬至日光照時間模擬Fig.13 Sunshine time simulation of skirt platform in winter solstice

2.3 應(yīng)用效果分析

建筑能耗是指建筑在投入運營過程中所消耗的能源，結(jié)合以上的節(jié)能設(shè)計，

主要是對此裙樓二層在節(jié)能措施應(yīng)用前后的空調(diào)采暖與制冷的能耗模擬分析[13]。據(jù)節(jié)能設(shè)計標準中建筑節(jié)能要求，對空間管理參數(shù)設(shè)置以表2為準。

表2 區(qū)域基本條件設(shè)置Tab.2 Regional basic conditions setting

在完成了各項設(shè)置之后，分別對此建筑進行應(yīng)用節(jié)能策略前后兩種情況下的能耗模擬分析，可看出該建筑的能耗情況如圖14所示。

(a)應(yīng)用節(jié)能策略 (b)未應(yīng)用節(jié)能策略圖14 全年能耗總值對比圖Fig.14 Contrast chart of total annual energy consumption

在數(shù)據(jù)列表里有詳細的采暖空調(diào)全年每個月的能耗數(shù)據(jù)，借助Microsoft Excel進行分析對比。兩種情況下逐月能耗對比如圖15所示。

圖15 逐月能耗對比圖Fig.15 Monthly energy consumption contrast chart

從圖15中可以看出,在應(yīng)用了節(jié)能策略之后，建筑的能耗大大減少，特別是在夏季時期，由此可以看出遮陽構(gòu)件的使用在夏季能大大減少建筑的太陽輻射，就此裙樓二層來說每年就將減少能耗69 866 208 W，結(jié)合西安地區(qū)商業(yè)的最低電價，一年就將節(jié)約將近7萬的電費[14-15]。因此，順應(yīng)建筑行業(yè)信息化的發(fā)展趨勢，基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)計工具不僅使建筑設(shè)計和性能模擬相結(jié)合，使設(shè)計更加合理科學(xué)，同時也大大提高了設(shè)計效率。

3 結(jié)論

本文利用建立的BIM模型對具體實際建筑進行被動式節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，通過低能耗建筑的設(shè)計要求，主要從建筑項目概念階段與設(shè)計階段進行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。

其中包括結(jié)合西安地區(qū)的氣候條件，對被動式節(jié)能策略的制定，建筑朝向的優(yōu)化設(shè)計，提高建筑太陽能的利用率以及遮陽構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。同時進行了優(yōu)化前后的對比分析，更加直觀的顯示出利用BIM模型進行被動式節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢。