BIM技術(shù)發(fā)展下的建筑能耗評(píng)估與分析變革初探

吳昊

【摘要】目前在我國(guó)，現(xiàn)有的總建筑面積約為400億平方米左右，而其中幾乎90%以上的建筑都屬于能耗較高的建筑。平均單位建筑面積的能耗超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家2-3倍，因此我國(guó)正面臨著十分嚴(yán)峻的建筑節(jié)能問(wèn)題。利用BIM技術(shù)對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)估和分析能夠更好的理解和掌握其熱工性能和影響因素，從而有針對(duì)性的入手，制定節(jié)能的措施，以降低建筑能耗，維持社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；建筑能耗；評(píng)估與分析

前言：建筑能耗的范圍十分廣泛，從建筑物建設(shè)施工所需的建筑材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸、施工過(guò)程中機(jī)械的使用、完工后機(jī)械的拆除等工作，到維持建筑物正常運(yùn)轉(zhuǎn)的采暖、照明、電梯、供水、空調(diào)等設(shè)備的能量消耗，都屬于建筑能耗的范疇。近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，建筑能耗在社會(huì)總能耗當(dāng)中所占的比例越來(lái)越大，已經(jīng)逐漸成為社會(huì)發(fā)展中一個(gè)十分重要的問(wèn)題。這一問(wèn)題能否解決，直接關(guān)系到我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

一、BIM技術(shù)的概述

（一）BIM技術(shù)的定義

BIM技術(shù)，其英文全稱(chēng)為Building Information Model。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)喬治亞理工大學(xué)建筑與計(jì)算機(jī)學(xué)院的一名博士Chuek Eastman，就提出了BIM技術(shù)理論。他提出了，在建筑項(xiàng)目的整個(gè)生命周期之內(nèi)，所有的幾何特點(diǎn)、構(gòu)件性能、功能要求等信息都能夠集中到同一個(gè)建筑信息模型當(dāng)中。而且這個(gè)建筑信息模型還能夠顯示施工進(jìn)度和施工過(guò)程等過(guò)程控制相關(guān)信息。

但是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和項(xiàng)目管理制度的發(fā)展與研究十分有限，技術(shù)水平也不高。所以在BIM技術(shù)的理念提出之后，并沒(méi)有得到十分廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。在進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)和理念的不斷發(fā)展和提高，美國(guó)的一家公司Autodesk重新將BIM技術(shù)提出，并給出了詳細(xì)的解釋。這樣，BIM技術(shù)才開(kāi)始逐漸被人們所接受和應(yīng)用。

到目前為止，世界上關(guān)于BIM技術(shù)仍然沒(méi)有完全統(tǒng)一的定義。美國(guó)著名的建筑公司McGraw-Hill對(duì)BIM技術(shù)的定義是“通過(guò)創(chuàng)建和利用數(shù)字化的模型，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等工作的過(guò)程”。而美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)對(duì)BIM做出的定義則是“建筑信息模型通過(guò)利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)，建立一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，對(duì)工程項(xiàng)目整個(gè)生命周內(nèi)所有的物理特性和功能特性進(jìn)行存儲(chǔ)，從而使業(yè)主對(duì)建筑物生命周期的維護(hù)擁有可用信息”。

（二）BIM技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

發(fā)展和應(yīng)用至今，BIM技術(shù)所具備的幾個(gè)十分明顯的技術(shù)特點(diǎn)主要有完備性、關(guān)聯(lián)性、可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性等方面。具體表現(xiàn)為BIM技術(shù)當(dāng)中包括了建筑項(xiàng)目所有的信息，不但有對(duì)工程對(duì)象幾何信息的描述，還有對(duì)工程信息的描述。在信息模型當(dāng)中，如果某個(gè)對(duì)象發(fā)生變化，那么與之相關(guān)的其它對(duì)象也會(huì)隨之變化[1]。BIM技術(shù)利用形象的三位方式代替了傳統(tǒng)抽象的二維方式，使工作人員能夠更加清晰的進(jìn)行判斷。BIM技術(shù)還可以將各自獨(dú)立的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，并置于同一三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境當(dāng)中，減少了錯(cuò)誤發(fā)生的幾率。同時(shí)，BIM技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在虛擬世界中，可對(duì)建造過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行預(yù)先模擬，以達(dá)到對(duì)工程項(xiàng)目的全面掌握。由此可見(jiàn)，IBM技術(shù)的建筑工程項(xiàng)目當(dāng)中的應(yīng)用，對(duì)于優(yōu)化施工設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)施工過(guò)程，降低生產(chǎn)成本，降低建筑能耗具有十分重要的意義。

（三）BIM技術(shù)的基本原理

BIM軟件所操作的對(duì)象不是低級(jí)幾何繪圖軟件中簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線(xiàn)、面，而是具體的屋頂、墻體、門(mén)窗等建筑結(jié)構(gòu)。這些建筑結(jié)構(gòu)之間并不是獨(dú)立的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。

在BIM技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中，具體的建筑結(jié)構(gòu)是由數(shù)字化的對(duì)象利用編碼進(jìn)行描述和代表的。在對(duì)某個(gè)對(duì)象的屬性進(jìn)行描述的時(shí)候，需要使用很多的參數(shù)，而該對(duì)象的代碼中也必須包含這些參數(shù)。這些參數(shù)通常都是事先進(jìn)行定義，或根據(jù)某些特定規(guī)則制定的[2]。建筑的具體屬性正是由這些參數(shù)構(gòu)成的。例如，一個(gè)墻體對(duì)象，這個(gè)對(duì)象具有實(shí)際墻體的所有屬性，包括長(zhǎng)、寬、厚度等基本的幾何信息，以及較深層次的父子關(guān)系、材料屬性、生產(chǎn)造價(jià)、碳排放量等相關(guān)信息資料。在傳統(tǒng)的CAD繪圖軟件當(dāng)中，對(duì)墻體的顯示是利用兩組平行線(xiàn)的二維方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)線(xiàn)條之間并不存在相互關(guān)聯(lián)。

二、建筑能耗的影響因素分析

在建筑物的日常運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程當(dāng)中，建筑的冷熱負(fù)荷情況，會(huì)受到室外的大氣溫度、太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度、電氣設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)功率、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、以及人均占有面積等各種因素的影響。通過(guò)歸納和總結(jié)，這些因素主要可以分為如下三個(gè)方面：

（一）外部因素

外部因素主要指的是建筑物室外的天氣環(huán)境和氣候狀態(tài)，例如空氣中的溫度和適度、太陽(yáng)光輻射的強(qiáng)度、不同的風(fēng)向和風(fēng)速、以及雨雪等天氣情況。通過(guò)外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以熱對(duì)流、熱輻射等方式與建筑物內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行熱交換，對(duì)建筑物的冷熱負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，從而影響到建筑的能耗大小。

（二）內(nèi)部因素

內(nèi)部因素主要指的是建筑內(nèi)部人員的活動(dòng)和生活消耗，以及建筑內(nèi)的照明、空調(diào)、電梯等電氣設(shè)備在運(yùn)行中所產(chǎn)生的散熱和散濕等情況。在這個(gè)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱作用，主要由潛熱和顯熱兩個(gè)部分[3]。其中潛熱散熱是由散濕的過(guò)程而引起的。而顯熱散熱則通過(guò)兩種不同的方式和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行熱線(xiàn)換。一種方式是直接通過(guò)空氣對(duì)流的方式，將熱量傳遞給室內(nèi)空氣。另一種方式則是通過(guò)熱輻射的方式，向周?chē)膲w等表面?zhèn)鬟f熱量，之后墻體表面再與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給室內(nèi)空氣。

三、利用BIM技術(shù)對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)估的方法

在BIM技術(shù)諸多的技術(shù)特點(diǎn)當(dāng)中，完備性是其最大的特點(diǎn)。它包括了從工程項(xiàng)目開(kāi)始直到結(jié)束期間各個(gè)階段、各個(gè)方面的信息。在實(shí)際工作當(dāng)中，對(duì)建筑物的能耗情況進(jìn)行分析，需要應(yīng)用到建筑物的設(shè)計(jì)圖紙、建筑材料和種類(lèi)、人員的密度等相關(guān)信息[4]。而這些信息都能夠從BIM當(dāng)中獲取。因此，將BIM技術(shù)應(yīng)用到建筑能耗的評(píng)估和分析當(dāng)中，可以大大提高評(píng)估效率和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

BIM可持續(xù)分析軟件是專(zhuān)門(mén)用來(lái)對(duì)建筑物可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)估和分析的軟件，它能夠?qū)ㄖ锏馁Y源消耗、能源消耗、環(huán)境影響等問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)這些軟件的應(yīng)用，可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物冷熱負(fù)荷與光照環(huán)境等進(jìn)行模擬和仿真，對(duì)輸出的直觀(guān)圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察，從而對(duì)建筑物的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

BIM軟件在對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)估和分析的過(guò)程中，需要首先獲得CAD圖紙等相關(guān)的建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)信息，然后根據(jù)這些信息建立三維幾何模型，同時(shí)檢查模型中各個(gè)構(gòu)件的父子關(guān)系是否正確。然后，將影響建筑能耗的外部因素、內(nèi)部因素、以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料等信息輸入其中，對(duì)相應(yīng)的熱環(huán)境進(jìn)行計(jì)算。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行建筑能耗的評(píng)估和節(jié)能性能的分析。在確認(rèn)結(jié)果符合建筑能耗的要求之后，進(jìn)行信息的存檔，為日后的建筑生命周期維護(hù)提供服務(wù)。

總結(jié)：建筑能耗是我國(guó)社會(huì)總能耗當(dāng)中一個(gè)十分巨大的部分，減少建筑能耗，提高建筑節(jié)能性能對(duì)于我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的評(píng)估和分析，在施工開(kāi)始之前對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查，保證建筑物能耗不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，從給對(duì)降低建筑能耗、促進(jìn)建筑節(jié)能帶來(lái)巨大幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉長(zhǎng)城.基于BIM理論的建筑能耗評(píng)估和分析[D].安徽建筑大學(xué)，2013.

[2]何真珍.基于BIM的建筑能耗監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].能效，2011（7）：25-27.

[3]梁波.基于BIM技術(shù)的建筑能耗分析在設(shè)計(jì)初期的應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué)，2014.

[4]龍惟定.建筑節(jié)能與建筑能效管理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013..