基于BIM技術(shù)的被動(dòng)式建筑敏感因子模擬與分析

孫少楠，吳家偉

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000)

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化水平快速發(fā)展和人們對居住環(huán)境舒適性要求的提升，建筑能源消耗日益增加。2016年建筑運(yùn)行總商品能耗(標(biāo)準(zhǔn)煤)已經(jīng)達(dá)到9.06 億t，約占全國能源消耗總量的20%，且隨著生活水平的提高將逐步增加到30%以上。面對建筑耗能增長，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)愈發(fā)重要，而建筑能耗仿真模擬是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的有效依據(jù)。BIM技術(shù)是我國在綠色建筑方向的研究前沿，建筑能耗模擬與BIM技術(shù)的結(jié)合為建筑性能分析帶來新的數(shù)據(jù)來源和模擬流程。

目前針對BIM與建筑能耗模擬的研究，主要集中在Revit和Ecot ect的結(jié)合，但Ecot ect采用DOE-2模擬引擎，且在2011年停止更新。而EnergyPlus從2001年開始一直進(jìn)行迭代，在建筑能耗模擬方面帶來優(yōu)秀的表現(xiàn)，但EnergyPlus操作界面較差，參數(shù)輸入繁瑣復(fù)雜，對專業(yè)要求較高，而OpenStudio以EnergyPlus為內(nèi)核，為能耗模擬的模型構(gòu)建及參數(shù)輸入提供便利。Jung等通過Revit建模，在EnergyPlus環(huán)境下進(jìn)行能耗模擬，基于遺傳算法對建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。Kamel等基于OpenStudio開發(fā)新的工具ABEMAT，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，通過導(dǎo)入gbXML文件，進(jìn)行建筑能耗評價(jià)。Park對同一小型辦公樓的四個(gè)Revit模型，分別導(dǎo)出gbXML文件，以O(shè)penStudio為中間軟件生成IDF文件，使用EnergyPlus進(jìn)行模擬對比分析，結(jié)果表明BIM模型到建筑能耗模型無法實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過干預(yù)。但通過gbXML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使BIM與OpenStudio進(jìn)行結(jié)合，分析其可靠性，進(jìn)行建筑能耗分析的研究并不多。

本文以寒冷地區(qū)典型城市鄭州作為研究的氣候條件，南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局辦公樓為例，使用氣候分析軟件Climate Consultan t進(jìn)行氣候分析，在原Revit模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗模型的構(gòu)建，以gbXML數(shù)據(jù)格式向OpenStudio進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，通過OpenStudio在SketchUp平臺上的建模插件SketchUpPlugin對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整及補(bǔ)充，導(dǎo)入OpenStudio主程序試運(yùn)行，對模型及參數(shù)屬性進(jìn)行調(diào)試，最后通過OpenStudio的參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool依照正交實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行批量仿真模擬，如圖1所示。對模擬結(jié)果進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析，明晰各因子的敏感程度及各因子的最優(yōu)水平組合。

圖1 基于BIM的建筑能耗模擬流程

2 BIM與建筑能耗模擬

2.1 BIM軟件與能耗模擬軟件的選取

以Revit作為BIM軟件進(jìn)行建筑能耗模型的構(gòu)建和參數(shù)輸入，案例辦公樓已建立土建、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等相關(guān)BIM模型，為能耗分析提供基礎(chǔ)。此外，Revit模型材質(zhì)中包含部分用于建筑能耗模擬的熱工屬性，且本身具有建筑能耗分析模塊，以空間、分區(qū)為分析單元的建筑能耗模型的建立更加便捷和智能，自動(dòng)劃分建筑表面類型，解決了建筑能耗模型表面類型劃分困難的問題。

以O(shè)penStudio為建筑能耗分析軟件，該軟件是美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)領(lǐng)導(dǎo)多家單位參與開發(fā)的開源軟件，集成EnergyPlus為內(nèi)核進(jìn)行建筑能耗分析，以SketchUp為平臺的SketchUp Plugin插件建立能耗模型及進(jìn)行空間劃分和參數(shù)輸入。通過OpenStudio的參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool組合不同的模型屬性，進(jìn)行批量仿真模擬，契合正交實(shí)驗(yàn)流程。

2.2 BIM與能耗模擬軟件的數(shù)據(jù)傳遞

隨著不同商業(yè)軟件的普及以及專業(yè)偏向性、基礎(chǔ)理論多樣性，使得出現(xiàn)工具碎片化、模型重用和產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問題。其基礎(chǔ)問題是數(shù)據(jù)流通共享，需要建立通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使建筑數(shù)據(jù)形成延續(xù)性和一致性，達(dá)到“一模多算”的要求，避免重復(fù)建模，打破“信息孤島”。

GBXML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)能夠使BIM模型與綠色節(jié)能分析軟件之間實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)信息的互通，也是大多數(shù)綠色節(jié)能分析軟件之間銜接的格式，但是在實(shí)際使用過程中，會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)丟失，部分屬性無法傳遞等情況。通過多個(gè)模型的實(shí)驗(yàn)，對Revit和OpenStudio之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行分析，見圖2，結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件熱工屬性均可傳遞，熱區(qū)的劃分與空間類型的匹配也可進(jìn)行繼承，但是對應(yīng)的時(shí)間表屬性無法傳遞，例如熱區(qū)的制冷、供暖的溫度設(shè)定時(shí)間表，對應(yīng)空間類型的人員、照明、設(shè)備的載荷及對應(yīng)全年的使用情況時(shí)間表。

雖無法完整的進(jìn)行模型及能耗數(shù)據(jù)的傳遞，但是可以減少模型的構(gòu)建、材料熱工屬性的設(shè)置、熱區(qū)和空間類型的劃分等大部分工作，并且解決了OpenStudio中容易出錯(cuò)的構(gòu)件表面類型劃分的問題，減少重復(fù)建模，深入利用BIM模型數(shù)據(jù)，為建筑能耗分析提供新的數(shù)據(jù)來源。

3 鄭州氣候分析及被動(dòng)式敏感因子識別

對鄭州地區(qū)的辦公樓進(jìn)行研究，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，鄭州屬于寒冷B區(qū)(2B)，應(yīng)以保溫設(shè)計(jì)為主，兼顧隔熱要求。

為了對鄭州氣候進(jìn)行針對性的量化分析，使用建筑氣候分析軟件Climate Consultan t進(jìn)行氣候分析，此軟件由美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)建筑與城市設(shè)計(jì)系開發(fā)，可以將原始?xì)庀髷?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化多種圖示語言，根據(jù)選定的舒適模型，提出被動(dòng)式策略。給出的被動(dòng)式措施是基于歐美國家住宅狀況和舒適標(biāo)準(zhǔn)，對于我國有一定不適應(yīng)性，但是對于被動(dòng)式因子的識別有一定參考意義。

使用Climate Consultan t軟件讀取鄭州CSWD氣象數(shù)據(jù)，選擇具有冬季和夏季兩個(gè)舒適范圍且規(guī)定含濕量上下限的ASHRAE Handbook of Fundamentals Comfort Model up through 2005 舒適模型生成具有被動(dòng)式節(jié)能策略的焓濕圖，見圖3。

從圖3中焓濕圖及16項(xiàng)措施解決全年8760個(gè)小時(shí)氣候的占比可知，藍(lán)色的框圍成的時(shí)間點(diǎn)為不用采取任何措施本身氣候就是舒適的，僅占到全年時(shí)間的10.7%，表明需采取必要的措施，提高建筑舒適性。大部分點(diǎn)落到藍(lán)色舒適區(qū)的左側(cè)，即大部分時(shí)間處于舒適溫度以下，采用主動(dòng)供暖占到37.1%，主動(dòng)制冷占到13%，也印證了鄭州屬于寒冷地區(qū)，主要解決冬天供暖問題，但是也要兼顧夏季的隔熱。由于內(nèi)部的人員、機(jī)械、照明等設(shè)備按需配置，而且內(nèi)部人員、設(shè)備得熱也不屬于建筑物理構(gòu)造措施，不予考慮，辦公建筑也不以自然通風(fēng)為主要手段。則由圖中占比較高的措施可知，合理設(shè)計(jì)遮陽，充分利用太陽能和提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能是被動(dòng)式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖2 Revit與OpenStudio通過gbXML的數(shù)據(jù)傳遞

圖3 鄭州節(jié)能策略焓濕圖

4 實(shí)驗(yàn)方法及流程

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究和處理多因子對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的優(yōu)化，用盡可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，獲得可靠、有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得出各因子的最優(yōu)水平組合。

構(gòu)建正交實(shí)驗(yàn)，應(yīng)提前規(guī)劃正交表，以致達(dá)到正交性，使各列的地位平等，搭配均衡，使實(shí)驗(yàn)具有代表性，還應(yīng)考慮各因子之間的交互作用，合理進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方案。

依照正交實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行仿真模擬生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過極差法和方差分析法的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析，得出影響被動(dòng)式因子敏感次序及最優(yōu)水平組合。

5 實(shí)證研究

5.1 建筑模型參數(shù)設(shè)定

以鄭州市南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局辦公樓為例，只對地上部分進(jìn)行能耗分析，此樓由主樓和裙樓兩部分組成，主樓16層，高度69.3 m，裙樓4層，高度20.7 m，建筑朝向北偏西120°。因《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對建筑節(jié)能提出了更高的要求，本文大部分的參數(shù)設(shè)置均參照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，在文中簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》。

圖4 建筑空間類型劃分

將所有房間劃分了9種空間類型，如圖4每種空間類型的人員、照明、設(shè)備等的荷載和使用情況均不相同，參照《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)定，其中食堂、衛(wèi)生間、走廊、樓梯間這些輔助空間，《標(biāo)準(zhǔn)》沒有給予具體規(guī)定，參照ASHRAE進(jìn)行設(shè)定。熱區(qū)一般按照供暖、制冷的控制溫度與供應(yīng)時(shí)間的不同進(jìn)行劃分，如圖5。熱區(qū)1為人們經(jīng)?；顒?dòng)的辦公室、會(huì)議室等空間，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對各房間類型的制冷供暖時(shí)間及逐時(shí)溫度控制有詳細(xì)的說明，參照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。熱區(qū)2為走廊、樓梯、衛(wèi)生間等不進(jìn)行供暖空調(diào)的房間，熱區(qū)3為全年保持一定低溫的倉庫等用房。由于主要對被動(dòng)式因素進(jìn)行研究，對于室內(nèi)熱擾及主動(dòng)式控制不做細(xì)致處理，均參照《標(biāo)準(zhǔn)》及軟件內(nèi)置的庫進(jìn)行設(shè)定。

圖5 建筑熱區(qū)劃分

5.2 Revit模型與OpenStudio的數(shù)據(jù)傳遞

建筑能耗模擬以熱區(qū)為單位，由于建筑模擬的特殊性，不需要曲面等一些復(fù)雜的平面，但對模型的質(zhì)量要求比較高，建筑能耗模擬的房間需要是封閉的空間，如果模型表面不符合規(guī)則，則無法進(jìn)行仿真計(jì)算。刪除Revit土建模型中不需要的地形、基礎(chǔ)、室外設(shè)施等構(gòu)造，對復(fù)雜曲面做簡化處理。將所有房間均按照建筑類型放置空間，對于沒有放置空間的構(gòu)造，將被轉(zhuǎn)化為OpenStudio中的遮陽構(gòu)件。把處理過的Revit模型導(dǎo)出gbXML格式，如圖6所示。

圖6 Revit能耗模型導(dǎo)出

以SketchUp為平臺，使用OpenStudio的插件SketchUp Plugin將生成的gbXML導(dǎo)入，對缺少材質(zhì)的進(jìn)行補(bǔ)充，多余的構(gòu)件進(jìn)行刪除和簡化，檢查空間類型和熱區(qū)是否正確傳遞。將設(shè)置好的模型加載到OpenStudio Application主程序中，補(bǔ)充空間類型與熱區(qū)的屬性。試運(yùn)行主程序，根據(jù)錯(cuò)誤提示進(jìn)行修改。

5.3 正交實(shí)驗(yàn)

5.3.1 實(shí)驗(yàn)因子水平的選定及正交實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)上文的氣候分析，選定外墻傳熱系數(shù)(K值)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(K值)、外窗傳熱系數(shù)(K值)、外窗的太陽得熱SHGC為圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)因子。劉立等研究表明，寒冷地區(qū)南立面在夏季由于太陽高度角變大，對建筑夏季的制冷帶來不利影響，則以傳統(tǒng)的遮陽板為遮陽措施，其中太陽平行光線會(huì)因遮陽板距離窗頂?shù)拇怪本嚯x，對投射到玻璃的太陽輻射產(chǎn)生影響。則選取南向的遮陽系數(shù)和南向的遮陽板偏移的距離為另外的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因子。遮陽板偏移距離為遮陽板距離窗頂?shù)木嚯x。

R

L/H

(1)

L

H

遮陽系數(shù)和遮陽板偏移兩個(gè)實(shí)驗(yàn)因子的變化會(huì)發(fā)生相互作用，對建筑能耗產(chǎn)生額外影響。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)因子和水平及因子間的交互作用，選用標(biāo)準(zhǔn)正交表L(3)。將具有交互作用的A，B實(shí)驗(yàn)因子分別放置在第1、2兩列，依照L(3)兩列間的正交交互表，A、B兩列的交互作用列應(yīng)在第3、4列，實(shí)驗(yàn)因子C、D、E、F為正交表第5、6、7、8列。最后5列空白列，因?qū)嶒?yàn)由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真模擬得出結(jié)果，所以實(shí)驗(yàn)誤差的影響不進(jìn)行分析。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正交表共安排27次實(shí)驗(yàn)，以供暖制冷總能耗為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。OpenStudio有參數(shù)化分析工具Parametric Analysis Tool，使用該參數(shù)化分析工具，利用BCL(在線數(shù)據(jù)庫)內(nèi)置措施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)因子水平控制，批量進(jìn)行27組仿真模擬。

5.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以建筑全年制冷供暖總能耗為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，每個(gè)因子三個(gè)水平的綜合平均值和平均極差見表2；方差分析，見表4。

表1 因子水平表

表2 綜合平均值及平均極差

表3 交互二元表

表4 方差分析表

由表4可知，在95%的置信區(qū)間下，依據(jù)顯著性<0.05的原則，外墻K值(C)、屋頂K值(D)、外窗K值(E)、外窗SHGC(F)具有顯著性，對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響，南遮陽系數(shù)(A)、南遮陽板偏移(B)在顯著性水平下不具有顯著性，但是實(shí)際情況下，窗戶的遮陽措施與其它實(shí)驗(yàn)因子相比，體量較小，總體節(jié)能效果與其它因子相比不顯著，不應(yīng)忽略該兩個(gè)因子的節(jié)能作用。

由表2的R(平均極值)可知，南遮陽系數(shù)(A)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響遠(yuǎn)超因子A、B的交互作用(A×B)，且表4可知，在顯著性<0.05下也不具有顯著性，則南遮陽系數(shù)(A)、南遮陽板偏移(B)的交互作用不需要考慮。

由表4可知，離差平方和或F值越大，對能耗的影響程度越高，則6項(xiàng)變量因子的影響程度為：外墻K值(C)>屋頂K值(D)>外窗SHGC(F)>外窗K值(E)>南遮陽系數(shù)(A)>南遮陽板偏移(B)

由最優(yōu)水平組合可知，外墻K值、屋頂K值、外窗K值、外窗SHGC均取到利于冬天保溫所給水平的最小值。可知冬天供暖能耗的減少量比致使夏天制冷能耗增加量大，而沒有引起因夏天制冷能耗的增加使總能耗增加的情況。

6 結(jié)論

1)在BIM模型基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑能耗模型的建立，通過gbXML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，將BIM模型進(jìn)行深入的利用。面對設(shè)計(jì)變更，可以得到建筑能耗的及時(shí)反饋，減少重復(fù)建模工作量。對于出現(xiàn)模型部分錯(cuò)誤，及涉及時(shí)間表屬性無法傳遞、材質(zhì)丟失等問題，需要根據(jù)具體參數(shù)輸入的特性進(jìn)行具體處理。

2)通過Climate Consultan t氣候分析軟件進(jìn)行氣候分析可知，以鄭州為典型代表城市的寒冷B區(qū)，面對夏季過熱問題應(yīng)充分利用遮陽、通風(fēng)措施，冬天過冷問題應(yīng)提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能。

3)通過正交實(shí)驗(yàn)及OpenStudio能耗計(jì)算，設(shè)定的六項(xiàng)被動(dòng)式敏感因子的影響程度：外墻K值>屋頂K值>外窗SHGC>外窗K值>南遮陽系數(shù)>南遮陽板偏移，最優(yōu)水平組合：南遮陽系數(shù)0.7、南遮陽板偏移400 mm、外墻K值0.1 W/(m·K)、屋頂K值0.1 W/(m·K)、外窗K值0.5W/(m·K)、外窗SHGC 0.3。

4)對于寒冷B區(qū)，考慮制冷供暖總能耗最低為目標(biāo)是不合適，會(huì)忽略夏季制冷能耗增加的影響。