何立華，崔 蕭，胡清暢

（1.中國石油大學（華東） 經(jīng)濟管理學院，山東 青島266580，E-mail：lihuahesd@163.com；2. 中國石油大學（華東） 能源經(jīng)濟與政策研究院，山東 青島266580）

目前，能源消耗問題在世界各國備受矚目，其中建筑行業(yè)所消耗的能源總量巨大，對能源造成的負擔較重，并對生態(tài)文明建設產(chǎn)生重大影響。據(jù)2017 年由中國建筑節(jié)能協(xié)會能耗統(tǒng)計專業(yè)委會發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告（2017 年）》可知：2016 年，中國建筑能源消費總量為8.57 億噸標準煤，占全國能源消費總量的19.93%；建筑碳排放總量為19.6 億噸CO2，約占全國能源碳排放量的19.0%。此外，公共建筑是城市進行公共活動的主要建筑場所，在人民生活水平不斷提高的同時，公共建筑的結(jié)構(gòu)和功能也在不斷更新，這導致了公共建筑的能耗成為建筑總能耗的主要貢獻力量，且近年來一直保持增長的趨勢[1]。因此，為了實現(xiàn)建設低碳經(jīng)濟，完成節(jié)能減排的目標，保持經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，如何解決公共建筑能耗量大以及高性能需求的問題，提高公共建筑的能源利用效率迫在眉睫。

近年來，諸多學者就建筑能耗的影響因素以及各因素間的相互作用進行了大量研究，建筑能耗的影響因素眾多，不同的學者所研究的側(cè)重點不盡相同。劉菁等[2]基于系統(tǒng)動力學的原理對影響建筑能耗的不同因素設置不同的仿真場景來預測建筑碳排放的發(fā)展趨勢，并驗證了模型和實際情況相吻合，為建筑實現(xiàn)節(jié)能減排提供了理論依據(jù)。王霞等[3]通過定性與定量相結(jié)合的方法研究建筑能耗增長驅(qū)動因素，定性分析緩解建筑能耗增長的影響因素，定量分析其對節(jié)能的貢獻程度，從總體、時間區(qū)間分解以及各因素的影響程度3 個不同方面進行解析。此外，一些學者又分析了與建筑能耗相關的各因素間的影響關系，如馮亞娟等[4]利用相關分析理論研究城市居民建筑能耗因素間及其與能耗間的相關程度，并借鑒魚骨圖分析原理，得出各因素與能耗間的潛在關系，從而確定其權重，利用SVM原理建立城市住宅能耗預測模型，對進一步確定建筑能耗影響因素的權重提取與確定具有重要意義。上述研究均采用傳統(tǒng)的能耗分析方法，對于建筑能耗復雜的動態(tài)變化過程無法有效模擬，因此會給計算結(jié)果帶來較大的誤差，即在建筑能耗情景分析的開展上存在局限性。

自從BIM 軟件在建筑業(yè)得到大力發(fā)展與應用后，國內(nèi)外學者基于BIM 工具就建筑能耗進行了大量的研究：楊文領[5]通過分析比較基于傳統(tǒng)技術的建筑能耗評價方法和借助BIM 平臺綠色建筑能耗評價方法，通過AHP 方法確定影響能耗指標的權重程度，提出了BIM 技術下的綠色建筑能耗評價模型，以實際案例驗證了所提模型的科學性和可行性。高明[6]從建筑圍護結(jié)構(gòu)、氣候與天氣條件、建筑朝向與形體選擇及遮陽設計等不同角度進行建筑能耗分析，應用BIM 進行了節(jié)能策略的選擇分析。梁玉美[7]在以往BIM 的平臺上結(jié)合Dynamo for Revit 可視化編程平臺，實現(xiàn)對建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動化設置與提取，并建立模型確定各參數(shù)與建筑耗電量和能源消耗量的關系，為建筑節(jié)能定量分析措施提供理論參考。在對基本的能耗性能分析的基礎上，一些學者著眼于建筑能耗的其他不常見的影響因素及建筑性能，并證明這對建筑能耗的研究工作具有深遠意義。還有一些學者對建筑的聲學性能及太陽輻射性能等其他方面也進行了定量分析，從而實現(xiàn)建筑的可持續(xù)設計，如Habibi S[8]利用BIM工具來對建筑物的自然通風、日光效率、聲學性能和材料熱性能等方面進行分析，通過基于BIM 的建筑性能分析的開發(fā)和內(nèi)部遮陽元素的驗證及改造策略，來提高能源效率并改善居住舒適條件。Sanhudo L[9]對BIM 軟件以及能耗估算軟件進行全面審查與對比，并通過對既有建筑現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合BIM 以及數(shù)據(jù)傳輸技術完成建筑能源模型的生成、建筑節(jié)能以及能源改造的工作。

目前我國公共建筑的用能強度遠遠高于住宅建筑，尤其對大型公共建筑來說節(jié)能潛力相對較大，公共建筑的高能耗、高性能需求是最主要的關注對象。除此之外，借用BIM 技術可以解決傳統(tǒng)能耗估算方法中的復雜數(shù)據(jù)集成共享、信息可視化、復雜的動態(tài)模擬以及準確性問題?；诖耍疚膶步ㄖ芎挠绊懸蛩剡M行研究，建立公共建筑能耗估算體系，并借助BIM 平臺優(yōu)勢解決了傳統(tǒng)能耗分析方法對能耗數(shù)據(jù)量化不準確的局限性問題，以實現(xiàn)信息處理的可視化以及建筑能耗復雜的動態(tài)變化過程的有效模擬。

1 公共建筑能耗估算體系

1.1 公共建筑能耗影響因素分析

本文通過對國內(nèi)外建筑能耗影響因素的相關文獻進行分析，發(fā)現(xiàn)影響建筑物能耗的因素錯綜復雜，并不是單一的因素決定了建筑能耗水平。不僅建筑物的維護結(jié)構(gòu)材料會對建筑能耗產(chǎn)生影響，外圍護結(jié)構(gòu)的總傳熱系數(shù)、房間內(nèi)部的蓄熱能力、建筑物內(nèi)用電設備的組成及各自的耗電能力對能耗量的貢獻也會起到影響作用，建筑物本身的結(jié)構(gòu)及所處的地理環(huán)境也是一個相當重要的影響因素。

綜上，本文將影響公共建筑能耗的因素總體上概括為3 個方面：環(huán)境因素、設備因素和建筑圍護結(jié)構(gòu)因素，如表1 所示。

表1 公共建筑能耗影響因素

1.2 公共建筑能耗估算指標體系構(gòu)建

通過對公共建筑能耗影響因素的文獻梳理及總結(jié)，建立了公共建筑能耗估算體系。整個體系包含的內(nèi)容較多，本文將從圍護結(jié)構(gòu)因素中的熱工性能與建筑位置，環(huán)境因素中的太陽輻射與太陽利用、通風性能以及設備因素中的光環(huán)境、日照與遮擋以及空調(diào)與采暖系統(tǒng)7 個方面對建筑進行能源消耗估算。對這7 個指標進行細化分析，結(jié)合建筑耗能的特點，進一步刪減得到二級指標，最終指標體系如表2 所示。

表2 公共建筑能耗估算指標體系

2 基于BIM 的公共建筑能耗估算模型

2.1 基于BIM 的公共建筑能耗估算流程

公共建筑能耗估算指標體系確定后，需要對整個估算流程進行確定，為了解決傳統(tǒng)建筑能耗流程的不足，將BIM 工具嵌入其中，而BIM 不僅僅只是應用可視化平臺，整個估算流程的組織包括數(shù)據(jù)的獲取、轉(zhuǎn)換與傳遞，這不僅對情景分析發(fā)揮關鍵作用，也對后續(xù)模型的可傳遞、再利用以及模型的設計變更具有重要意義。

本文所采用的建筑性能分析軟件是Ecotect，Autodesk 公司的一款能量分析軟件，該軟件操作簡便，與傳統(tǒng)的BIM 軟件的操作頁面相仿，頁面簡潔對設計人員較友好，對專業(yè)要求較低，且功能齊全，相比于其他能量模擬軟件，分析功能較全面，增加了傳統(tǒng)軟件無法進行的聲學分析以及經(jīng)濟指標分析的功能。

基于BIM 的公共建筑能耗估算流程分為數(shù)據(jù)的獲取、BIM 軟件與能耗模擬軟件的建模與交互操作以及建筑能耗估算分析三部分，如圖1 所示。借助BIM 平臺，設計師通過3D 信息模型建模并進行可視化情景分析，然后利用Ecotect Analysis 與Revit建模軟件的文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，二者以gbXML 語言進行兼容交互，也可以直接使用Ecotect Analysis 軟件構(gòu)建模型并進行能耗分析，包括圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能、太陽能與太陽輻射、通風性能、光環(huán)境、日照遮擋的分析以及特有的聲學分析和經(jīng)濟指標分析。

圖1 基于BIM 技術的公共建筑能耗估算流程

基于BIM 平臺的公共建筑能耗估算流程確定后，需要將其與構(gòu)建的公共建筑能耗估算指標體系內(nèi)容相結(jié)合，即以通常使用的Revit 或AECOsim Building Designer 工具進行建模，然后以gbXML 語言輸出，從而實現(xiàn)BIM 模型與建筑能耗分析軟件Ecotect 的交互操作。依據(jù)上述所提出的建筑能耗估算體系，在復雜且眾多的影響中識別出最為關鍵的因素進行能耗估算。所提出的建筑能耗估算體系為BIM 工具提供指導，BIM 工具實現(xiàn)了建筑能耗估算體系所提出內(nèi)容的估算工作，二者相輔相成，使建筑能耗的估算工作既做到全面、高效同時又實現(xiàn)可視、精準。BIM 與公共建筑能耗估算體系集成流程如圖2 所示。

圖2 BIM 與公共建筑能耗估算體系集成流程

2.2 基于BIM 與傳統(tǒng)公共建筑能耗估算流程對比

傳統(tǒng)的建筑能耗估算分析（流程見圖3）是在施工圖設計完成后進行，有的甚至在建筑項目竣工并移交后才進行，建筑能耗估算分析后，如果不符合建筑節(jié)能的設計標準需要對建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)設計進行返工修改的話會很繁瑣，這個過程耗時相對較長，并影響后續(xù)的建筑能耗分析工作；此外，建設項目是一個多方參與的項目，一旦需要設計變更，會要求設計方、施工單位乃至后續(xù)的運營單位進行協(xié)調(diào)，如果避免這種協(xié)調(diào)而修改標準，不利于建筑的節(jié)能發(fā)展，如果對設計進行修改，各方工作的統(tǒng)籌也是一個關鍵問題，否則會影響項目的進度安排。

圖3 傳統(tǒng)公共建筑能耗估算流程

與傳統(tǒng)能耗分析流程不同，借用BIM 軟件對建筑能耗進行估算分析時，設計人員在建筑設計階段即可介入，早期介入不僅省時，減少不必要的工作且利于后期設計變更；此外，BIM 模型有利于各方的相互交流，擴展了彼此的溝通渠道并減少交流的壁壘，BIM 模型還具有后續(xù)使用性，設計階段進行能耗分析后，模型可以指導后續(xù)施工階段的安裝以及建筑產(chǎn)品交付使用后的運營和維護。

基于BIM 技術的建筑能耗估算流程相比于傳統(tǒng)的能耗分析得到了更大的簡化，分析結(jié)果相比之前主要用枯燥的數(shù)字表達，生動的動畫與色彩鮮艷的圖表提高了結(jié)果的可讀性，基于BIM 與傳統(tǒng)的公共建筑能耗估算流程對比如表3 所示。

表3 基于BIM 與傳統(tǒng)的公共建筑能耗估算流程對比

2.3 基于BIM 與傳統(tǒng)的公共建筑能耗估算結(jié)果的科學性對比

傳統(tǒng)的建筑能耗估算方法采用穩(wěn)態(tài)傳熱的原理，而影響建筑能耗的因素眾多，建筑能耗模擬過程本身也是復雜動態(tài)的，而該方法沒有考慮復雜因素間的相互作用，因此會對能耗模擬分析結(jié)果帶來較大的誤差?；贐IM 的建筑能耗模擬方法解決了上述傳統(tǒng)方法的不足，借用BIM 情景分析平臺實現(xiàn)建筑能耗復雜的動態(tài)變化過程，Ecotect 軟件使用的是準入系數(shù)法，即動態(tài)模擬法，可以對復雜動態(tài)的過程進行嚴謹?shù)哪M，并考慮復雜因素間的相互作用，相比傳統(tǒng)的方法精確度要高，估算結(jié)果則更具有科學性和嚴謹性

此外，該方法的另一個特點是靈活性較強，它對建筑模型的區(qū)域數(shù)量劃分沒有限制，在對建筑模型進行日照遮擋等操作模擬后，結(jié)果會以圖表以及數(shù)據(jù)的方式快速生成。目前，準入系數(shù)法的精確且靈活的特點使它成為建筑能耗估算方法中最常使用的方法，因此，一些應用此方法的建筑能耗分析軟件得到廣泛應用。

3 案例分析

3.1 背景信息

本文選擇位于撫順市的一棟7 層教學建筑，總建筑面積13000m2，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。通過建立該教學樓的BIM 模型，并導入到Ecotect 能耗估算軟件中對該教學樓進行圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能、太陽能與太陽輻射、通風性能、光環(huán)境以及日照遮擋的分析。

撫順位于遼寧省東部，屬于溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫為5℃~7℃，年平均降水量為760mm~790mm，夏季炎熱多雨，冬季寒冷漫長，四季分明的特點對能耗分析具有典型意義。

3.2 能耗分析

3.2.1 太陽輻射分析

在Ecotect 熱工分析選項中，設置時間與地理環(huán)境后，計算可得出日平均太陽輻射照度圖（見圖4）。太陽輻射能將熱量傳入室內(nèi)，圖中淺色部分表示日平均太陽輻射區(qū)域，該建筑最高太陽輻射照度為241.496W/m2，根據(jù)《建筑采光設計標準》（GB/T 5003-2013）的要求在600W/m2以下，該建筑的屋頂可以不考慮遮陽設計。

圖4 日平均太陽輻射照度圖

3.2.2 日照遮擋分析

通過分析太陽的運行軌跡可以得出房間全年以及全日各個時段的室內(nèi)日照情況。進入分析頁面，通過陰影設定得出全年太陽軌跡圖，并通過設置遮陽構(gòu)件模擬遮陽構(gòu)建的遮擋情況。

已知該教學樓的使用時間為上午7時至晚上10時，通過太陽運行軌跡圖（見圖5 和圖6）結(jié)合直接太陽得熱圖（見圖7），顏色的深淺程度表示太陽得熱程度，即顏色越深表示得熱越高，由此可以看出，該建筑的日照充足，窗戶為南向窗，建筑朝向合理。由圖得出，正午11 時至14 時的直接太陽得熱較高，初步判定為現(xiàn)有的遮陽方式不夠合理，可以考慮改進建筑的遮陽方式。

圖5 冬至日全天太陽軌跡

圖6 全年太陽軌跡

圖7 直接太陽得熱圖

3.2.3 圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能

進入熱工分析界面，設定氣象環(huán)境、時間等參數(shù)后，得出通風得熱圖（見圖8）。根據(jù)通風得熱圖可分析室內(nèi)的熱環(huán)境情況。

圖8 通風得熱圖

圖8 中，顏色深淺表示通風得熱程度，即顏色越深表示通風得熱越高，參考《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015），在無空調(diào)環(huán)境下，夏季得熱較高冬季得熱較低。冬季可減少通風換氣的頻率，夏季可考慮增加空調(diào)通風設備提高人體熱環(huán)境下的舒適度。

3.2.4 光環(huán)境分析

進入Ecotect 分析網(wǎng)格，設置好建筑平面網(wǎng)格參數(shù)，可進行室內(nèi)采光和照明分析。室內(nèi)照明所占建筑能耗的比重較大，陰天的采光模擬分析對建筑的節(jié)能改造具有重要意義。

光環(huán)境分為室內(nèi)光環(huán)境與室外光環(huán)境，建筑光環(huán)境的設計中需要符合人體視覺舒度的要求，合理利用自然光源與人工光源，盡量使用自然光源、節(jié)能燈具。采光模擬分析圖（見圖9）中下方淺色的顯色部分表示采光度，由圖可看出陰天采光系數(shù)大于2%的面積并低于總面積的75%以上，根據(jù)《建筑采光設計標準》（GB/T 5003-2013），應使用人工光源，并適當增加燈具的數(shù)量。

圖9 陰天采光模擬分析效果圖

3.3 結(jié)果分析及建議

在公共建筑的節(jié)能分析中本文通過軟件設置相應系數(shù)，如建筑圍護結(jié)構(gòu)的材料，建筑所處位置地區(qū)、建筑面積，照明設備及遮陽構(gòu)件的分布及數(shù)量，通風換氣的頻率等參數(shù)得到該建筑物全年的太陽輻射、直接太陽得熱以及通風得熱的總能耗結(jié)果，如表4 所示。

表4 能耗評價結(jié)果

通過Ecotect 軟件對建筑的太陽輻射、太陽運行軌跡、直接太陽得熱和室內(nèi)采光情況進行了模擬分析。結(jié)合以上幾個指標的逐月能耗對比圖（見圖10）分析可知，1、2、12 月制熱能耗高，6 月~9 月空調(diào)制冷能源消耗較大。可以得出相關建議，即冬季可適當減少通風換氣的頻率，以降低建筑能耗并實現(xiàn)建筑節(jié)能。

圖10 建筑能耗逐月對比圖

4 結(jié)語

本文建立了公共建筑能耗估算體系，構(gòu)建了基于BIM 的公共建筑能耗估算模型，利用BIM 平臺的優(yōu)勢不僅解決了傳統(tǒng)能耗分析方法中復雜數(shù)據(jù)的集成共享問題，同時實現(xiàn)建筑能耗復雜的動態(tài)變化過程，還能實現(xiàn)了信息的可視化并提高了數(shù)據(jù)量化的精確度，使建筑能耗的估算工作既做到全面、高效同時又實現(xiàn)可視、精準，可為建筑能耗分析工作提供依據(jù)。然而，在進行案例分析時，仍具有一定的局限性，比如所評估的耗能環(huán)境并不充分，未考慮人員行為這一復雜因素，會對能耗評估結(jié)果有所影響；此外，本文在所提出的公共建筑能耗估算體系的基礎上綜合考慮各因素對總能耗的影響，單個因素對建筑能耗的影響作用、各因素間是否存在相互作用及如何相互影響、研究各因素作用時的權重如何科學確定是下一步工作的重點。