摘 要：【目的】針對傳統(tǒng)既有建筑綠色改造過程中設(shè)計參數(shù)復(fù)雜、設(shè)計效果可視化低及建筑性能分析不準(zhǔn)確等問題，基于BIM技術(shù)對甘肅省蘭州市區(qū)內(nèi)某單位的行政辦公樓進(jìn)行既有建筑綠色改造的應(yīng)用研究?！痉椒ā客ㄟ^收集獲取既有建筑屬性信息，建立建筑實景三維模型，用于綠色方案設(shè)計選擇，主要從外墻、屋面和窗戶三個方面進(jìn)行了既有建筑的綠色改造分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：經(jīng)過綠色改造后外墻的熱系數(shù)為0.038，屋面的傳熱系數(shù)小于0.30，窗戶的傳熱系數(shù)為1.750，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求?！窘Y(jié)論】研究成果為BIM技術(shù)在西北地區(qū)既有建筑綠色改造中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM；既有建筑；綠色改造；應(yīng)用研究

中圖分類號：TU74" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.015

Research on the Application of BIM Technology in the Green

Reconstruction of Existing Buildings in Northwest China

GUO Dong HUANG Lixin

（1.Gansu Engineering Construction Supervision Co.， Ltd.， Lanzhou 730300，China;

2. Lanzhou College of Information Science and Technology， Lanzhou 730300，China）

Abstract： [Purposes] In view of the complex design parameters， low visualization of design effect and inaccurate analysis of building performance in the process of green transformation of traditional existing buildings， the application research of green transformation of existing buildings in the administrative office building of a unit in Lanzhou city of Gansu Province is carried out based on BIM technology. [Methods] Through collecting the existing building attribute information， a 3D model of the real building was established for the selection of green scheme design. The green transformation of the existing building was analyzed mainly from three aspects： exterior wall， roof and window. [Findings] The results show that the thermal coefficient of the external wall is 0.038， the heat transfer coefficient of the roof is less than 0.30， and the heat transfer coefficient of the window is 1.750， which all meet the requirements of national standards. [Conclusions] This study provides a reference for the application of BIM technology in the green transformation of existing buildings in Northwest China.

Keywords： BIM; existing buildings; green transformation; applied research

0 引言

近年來，在我國社會經(jīng)濟快速增長、城市化水平不斷提高的時代背景下，建筑業(yè)呈井噴式的發(fā)展趨勢［1-2］。隨著國家經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整及“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，建筑市場也將迎來巨大的轉(zhuǎn)型升級。全國各地逐年遞增的存量住房維修、既有建筑綠色節(jié)能改造等市場需求巨大，為建筑業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇［3-4］。既有建筑綠色節(jié)能改造是減少建筑物生命周期內(nèi)能源消耗，實現(xiàn)可持續(xù)建筑環(huán)境發(fā)展的重要措施之一。然而，既有建筑的綠色改造同時面臨著許多挑戰(zhàn)。通常既有建筑綠色化改造是一個比較復(fù)雜的過程，綠色改造的方案總是與其他目標(biāo)相沖突。因此，需要多種策略相互結(jié)合，在能源、經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境、法規(guī)和社會發(fā)展等多個因素之間進(jìn)行權(quán)衡，從而實現(xiàn)高水平、高質(zhì)量和高效率的能源發(fā)展目標(biāo)［5］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是建筑工程行業(yè)公認(rèn)的一種新興技術(shù)，是促進(jìn)綠色建筑發(fā)展、提高建筑產(chǎn)業(yè)信息化水平、推進(jìn)智慧城市建設(shè)和實現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段，可以實現(xiàn)建筑物全壽命周期的綜合動態(tài)管理。國內(nèi)諸多學(xué)者在既有建筑綠色改造方面進(jìn)行了大量的研究分析，王文利等［6］在某老舊辦公樓綠色建筑改造設(shè)計施工中，基于BIM技術(shù)創(chuàng)建三維模型，進(jìn)行了采光和通風(fēng)模擬分析，確定符合綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的改造方案；曹飛［7］通過分析舊工業(yè)建筑改造再利用的可能性，探討了BIM技術(shù)在舊工業(yè)廠房改造設(shè)計中發(fā)揮的作用；張詩達(dá)等［8］將BIM技術(shù)應(yīng)用于既有建筑改造設(shè)計前期，建立了基于BIM技術(shù)的既有建筑綠色化改造輔助診斷模型，提出了相應(yīng)的輔助診斷操作程序，從而更加準(zhǔn)確、高效地對既有建筑性能做出診斷。

既有建筑綠色化改造是一項非常重要的工作，能夠減少能源的消耗，并且對構(gòu)建可持續(xù)建筑環(huán)境有重要的現(xiàn)實意義。雖然BIM技術(shù)為既有建筑綠色改造提供了集成的解決方案，但該技術(shù)在綠色改造中的實際應(yīng)用還相對較少，需要進(jìn)一步的研究和驗證。因此，本研究以西北地區(qū)某單位的行政辦公樓綠色改造工程為例，探討分析了BIM技術(shù)在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用現(xiàn)狀，旨在豐富既有建筑綠色改造的研究方法與策略。

1 BIM技術(shù)的應(yīng)用方法

1.1 選擇綠色改造設(shè)計參數(shù)

既有建筑的綠色改造過程比較復(fù)雜，要涉及各種參數(shù)以實現(xiàn)優(yōu)化性能的目的。與新建筑不同之處是綠色改造的設(shè)計參數(shù)受到現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)、用途和周圍環(huán)境條件等諸多因素的限制，根據(jù)不同的建筑項目會考慮不同的設(shè)計參數(shù)。因此，在設(shè)計過程中需要確定科學(xué)、合理且適用性強的設(shè)計方案，以達(dá)到優(yōu)化改造的目的。根據(jù)已有的研究成果表明，目前既有建筑綠色改造的常用設(shè)計參數(shù)是建筑材料、外墻、窗戶、屋面、采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)等。

建筑材料在既有建筑綠色改造中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。新型的建筑材料如聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板、擠塑XPS板）等質(zhì)量輕、熱損小，安全性、防水性、耐久性和抗腐蝕性等各種性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的建筑材料，這類建筑材料節(jié)能環(huán)保，能夠直接影響建筑的能源消耗和碳排放等多項性能參數(shù)。在建筑綠色改造中基于BIM技術(shù)可以實現(xiàn)建筑材料屬性的參數(shù)化建模，可以快速有效地測試可持續(xù)性能的效果，并且具有多維動態(tài)可視化效果。

建筑物的窗戶保溫隔熱性比較弱，是影響建筑能耗的重要因素之一。西北地區(qū)既有建筑窗戶的形式多為單框單層玻璃，密封性差，熱交換現(xiàn)象明顯，通過改變建筑物窗戶結(jié)構(gòu)中的窗框和玻璃的材質(zhì)，加強窗戶的隔熱保溫性能，增加自然光采集量，從而減少能源照明的使用，減少建筑的熱輻射量。

西北地區(qū)建筑屋面形式多樣，需要綜合考慮屋面保溫隔熱與防水性能的現(xiàn)狀，對于屋面的改造，通常采用鋪裝新型材料的保溫屋面等方法實現(xiàn)，其質(zhì)量輕、成本低、安裝簡單，對建筑自身危險性較小，極大地提高了屋面的保溫隔熱效果。

1.2 數(shù)據(jù)采集與管理

在基于BIM技術(shù)進(jìn)行既有建筑物綠色改造過程中，為了獲得可靠的建筑性能模擬結(jié)果，需要掌握既有建筑精確的屬性特征信息。因此，數(shù)據(jù)采集與管理是BIM技術(shù)在既有建筑綠色改造中的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

如果需要改造的既有建筑保留有完整的施工圖紙，則可以直接根據(jù)圖紙資料通過BIM軟件生成建筑三維模型用于綠色改造方案設(shè)計。但是對于年代久遠(yuǎn)的建筑物，由于保存不善造成施工過程資料遺失、缺少結(jié)構(gòu)建筑施工圖紙信息的情況下，需要依托其他方法來獲取建筑物的屬性信息。目前，最常用的方法是基于三維激光掃描和無人機傾斜攝影測量等技術(shù)獲取建筑物全景三維點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成為BIM軟件可以利用的數(shù)據(jù)源。

2 既有建筑三維模型的建立

2.1 項目概況

該建筑物是位于甘肅省蘭州市區(qū)內(nèi)某單位的行政辦公樓，所在地區(qū)氣候干燥，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差較大。該建筑物始建于2000年，地上七層，無地下結(jié)構(gòu)，平面布局呈矩形，長171.5 m，寬58.5 m，建筑高度為24.5 m；采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土井樁基礎(chǔ)；所在地區(qū)地震基本設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類。在綠色改造前對該建筑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性能測試及評估，結(jié)果顯示該建筑結(jié)構(gòu)性能良好，符合綠色節(jié)能改造的基本條件。通過現(xiàn)場勘察及查閱相關(guān)資料，獲得建筑物的圍護系統(tǒng)和屋面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造參數(shù)見表1。

2.2 BIM三維模型建立

在本項目既有建筑綠色改造BIM模型建立環(huán)節(jié)中，依據(jù)《既有建筑綠色改造評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51141—2015）［9］、《既有建筑綠色改造技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 465—2017）［10］和《既有建筑維護與改造通用規(guī)范》（GB 55022—2021）［11］等規(guī)范中關(guān)于既有建筑物綠色改造節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。根據(jù)初始收集整理的建筑設(shè)計圖、表面紋理、三維點云等各類屬性信息數(shù)據(jù)，采用Revit軟件建立了既有建筑物的外墻、屋面及門窗等結(jié)構(gòu)物的實景三維模型，模型結(jié)果如圖1所示。

3 既有建筑綠色改造應(yīng)用

3.1 外墻綠色改造方案

經(jīng)調(diào)查該建筑物外墻為M5水泥砂漿和燒結(jié)黏土磚砌筑，未設(shè)置保溫層，保溫隔熱效果不明顯，熱工性能差。通過對該建筑的實地調(diào)查及綠色化改造節(jié)能評價分析，外墻圍護結(jié)構(gòu)綠色改造采用粘貼聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板）的外墻外保溫系統(tǒng)改造方案。該方法具有適用范圍廣、耐久性好、能夠提升墻體防水性且對室內(nèi)環(huán)境影響較小等優(yōu)點，外墻保溫材料膨脹EPS板的熱工性能參數(shù)見表2。根據(jù)綠色節(jié)能計算，該方案滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對節(jié)能65%的規(guī)范要求。

3.2 屋面綠色改造方案

屋面綠色改造時結(jié)合西北地區(qū)的氣候特點（冬冷夏熱，雨雪較多），除考慮建筑屋面的保溫和隔熱功能外，還需利于夏季屋面排水。經(jīng)調(diào)查該建筑物的屋面結(jié)構(gòu)層為100 mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，20 mm厚1∶3水泥砂漿找平層，150 mm厚泡沫混凝土保溫層，保溫隔熱效果不明顯，熱工性能較差?；贐IM三維模型通過屋面荷載動力分析，屋面綠色改造方案采用鋪裝聚苯乙烯泡沫板（擠塑XPS板），擠塑XPS板具有較高的抗壓強度、質(zhì)地輕、抗腐蝕性和耐久性強、透濕率小、防水性能好等優(yōu)點，非常適合西北地區(qū)的環(huán)境特點。屋面保溫材料擠塑XPS的熱工性能參數(shù)見表3。根據(jù)綠色節(jié)能計算結(jié)果，該方案滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對節(jié)能65%的規(guī)范要求。

3.3 窗戶綠色改造方案

西北地區(qū)春、秋兩季多沙塵暴天氣，空氣中含有大量的粉塵等細(xì)粒物質(zhì)，因此，對建筑物窗戶的密封性要求比較高，在窗戶綠色改造方案設(shè)計中應(yīng)充分考慮密封性和保溫性。經(jīng)調(diào)查該建筑物的窗戶均為單框外開啟式單層玻璃窗戶，導(dǎo)熱系數(shù)較大，熱量交換明顯，極大地增加了建筑物的能耗。經(jīng)過方案比選，該建筑物的窗戶綠色改造需要更換Low-E雙層節(jié)能玻璃，采用導(dǎo)熱系數(shù)小的塑鋼窗框，加強窗戶的密封性，提高熱阻值，達(dá)到減少窗戶熱損失量的目的。窗戶綠色改造材料性能參數(shù)見表4（朝南方向的窗戶），通過節(jié)能計算，采用的玻璃窗傳熱系數(shù)為1.75 W/（m2·K），窗墻比滿足節(jié)能規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本研究以西北地區(qū)某單位的行政辦公樓綠色改造工程為例，綜合考慮自然環(huán)境和地理環(huán)境的影響，基于BIM技術(shù)建立了既有建筑物的三維模型，對外墻、屋面和窗戶三種結(jié)構(gòu)物綠色改造進(jìn)行了優(yōu)化選擇，確定了外墻綠色改造采用粘貼聚苯乙烯泡沫板（膨脹EPS板），屋面綠色改造采用鋪裝聚苯乙烯泡沫板（擠塑XPS板），窗戶綠色改造采用導(dǎo)熱系數(shù)小的塑鋼窗框，更換Low-E雙層節(jié)能玻璃，對三種結(jié)構(gòu)物的綠色改造方案進(jìn)行了綠色節(jié)能計算，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對節(jié)能65%的規(guī)范要求。

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