基于BIM技術(shù)的既有居住建筑節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)

張學(xué)順， 方廷勇， 徐 俊， 王 毅

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基于BIM技術(shù)的既有居住建筑節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)

張學(xué)順1， 方廷勇1， 徐 俊2， 王 毅3

(1. 安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601； 2. 安徽建筑大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 238076；3. 中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710018)

提出基于BIM技術(shù)的既有居住建筑節(jié)能改造方案，探討基于BIM既有居住建筑的節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)流程。以某小區(qū)居住建筑節(jié)能改造為研究案例，對居住區(qū)建筑現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，同時分析其節(jié)能潛力，依據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和建筑節(jié)能改造技術(shù)導(dǎo)則等規(guī)范設(shè)計(jì)出3套方案，利用BIM技術(shù)對比3套方案的節(jié)能效果和節(jié)能改造費(fèi)用，結(jié)合節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析，最終選擇第1套方案。

建筑信息模型；既有居住建筑；節(jié)能改造

2006年以來，全國各地陸續(xù)開展既有居住建筑節(jié)能改造，但是這些改造還停留在建筑1.0時代。隨著既有居住建筑改造越來越多，建筑功能越來越復(fù)雜，使用傳統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計(jì)施工方法也日益暴露出許多不足之處。

建筑信息模型(BIM)[1-3]的出現(xiàn)改變項(xiàng)目參與各方的協(xié)作方式，使每個人都能夠提高生產(chǎn)效率并獲得收益。在既有居住建筑節(jié)能改造中，BIM技術(shù)優(yōu)勢明顯，可分析、實(shí)現(xiàn)最低能耗，并借助通風(fēng)、采光、氣流組織以及視覺對人心理感受的控制，最終得到最佳的改造方案[4-5]。

1 項(xiàng)目概況

某小區(qū)共建有居住建筑6棟，均為6層住宅樓，設(shè)計(jì)使用年限50年。建造于1997～1999年，總建筑面積為6 381 m2。結(jié)構(gòu)形式為普通框架結(jié)構(gòu)，未采取保溫措施。外墻采用燒結(jié)普通磚，清水墻體分化嚴(yán)重，外觀情況比較差。屋面為加氣混凝土層平屋面，使用過程中重新做過防水。外窗構(gòu)造形式各戶情況不一，大多依舊采用老式普通鋁合金窗戶，保溫性能比較差，氣密性也不好，漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)項(xiàng)目原始圖紙內(nèi)容進(jìn)行繪制，注意標(biāo)高等參數(shù)設(shè)置。在模型創(chuàng)建過程中，針對原工程竣工項(xiàng)目實(shí)際情況及分部分項(xiàng)工程在使用過程中已改造部分進(jìn)行修正。

2 節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分析

將Revit中的模型導(dǎo)入到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件Pbeca中,可以計(jì)算出建筑物各朝向的窗墻面積比、建筑物體形系數(shù)、考慮熱橋影響后墻體的平均傳熱系數(shù)等，比較判斷計(jì)算結(jié)果是否滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)果表明，屋頂構(gòu)造、外墻構(gòu)造、可開啟面積、外窗氣密性及綜合權(quán)衡均不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，該建筑需要進(jìn)行節(jié)能改造。

3 改造方案設(shè)計(jì)

既有居住建筑改造原則[6]需要同時考慮改造效果和改造費(fèi)用2方面因素，由于各地區(qū)氣候條件、經(jīng)濟(jì)條件不同，建筑物特點(diǎn)也不盡相同，各地區(qū)需要結(jié)合本地實(shí)際情況因地制宜的原則，制定節(jié)能改造方案。本項(xiàng)目節(jié)能改造設(shè)計(jì)方面應(yīng)該盡可能地不破壞原有的建筑結(jié)構(gòu)，同時不改變原來的居住功能。

3.1 節(jié)能改造目標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]要求，對既有居住建筑提出節(jié)能改造方案，根據(jù)對節(jié)能潛力分析設(shè)定項(xiàng)目改造目標(biāo)，具體目標(biāo)見表1所列。對于外墻綜合遮陽系數(shù)，設(shè)計(jì)值為0.40/0.45，規(guī)范限值為0.40/0.45。

表1 節(jié)能改造目標(biāo) W/(m2·K)

3.2 方案初步設(shè)計(jì)

根據(jù)既有居住節(jié)能改造措施和相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本地區(qū)的氣候條件、居住習(xí)慣和住戶對改造費(fèi)用預(yù)算，設(shè)計(jì)3套不同方案，主要包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、可再生能源和室內(nèi)布局等方面設(shè)計(jì)。具體方案見表2所列。

表2 節(jié)能改造方案措施

3.3 方案對比優(yōu)化

(1) 節(jié)能性分析。將提出的節(jié)能改造方案，建造出相應(yīng)的Revit三維模型。在Pbeca、Ecotect、 斯維爾Vent和Energy plus等軟件中，分別驗(yàn)證熱工參數(shù)、采光遮陽、室內(nèi)通風(fēng)和建筑全年能耗是否滿足要求[9]。

室內(nèi)通風(fēng)分析(選取安徽省合肥市氣象數(shù)據(jù))如圖1所示；方案1、方案2、方案3分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖1 改造建筑室內(nèi)通風(fēng)分析圖

圖2 方案1室內(nèi)通風(fēng)分析圖

圖3 方案2室內(nèi)通風(fēng)分析圖

圖4 方案3室內(nèi)通風(fēng)分析圖

通過3種方案對比分析,針對在滿足空氣齡不大于1 800 s的要求下，現(xiàn)狀房間與方案3內(nèi)的衛(wèi)生間空氣齡相對于其他區(qū)域而言較大。方案1與方案2改變衛(wèi)生間開啟位置，衛(wèi)生間內(nèi)的空氣齡明顯降低。

室內(nèi)采光分析(選取安徽省合肥市氣象數(shù)據(jù))如圖5所示。

圖5 室內(nèi)自然采光系數(shù)云圖

通過3種方案中的對比分析,按照建筑采光標(biāo)準(zhǔn)，合肥市住宅建筑需滿足采光系數(shù)不小于2.2%，又要考慮建筑遮掩效果，在降低夏季空調(diào)能耗的條件下，現(xiàn)狀案例的采光系數(shù)為3.35%，方案1采光系數(shù)為1.45%，方案2采光系數(shù)為3.30，方案3采光系數(shù)為3.21%。方案3的優(yōu)化效果最好。

對3套方案分別使用Pbeca軟件,分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),結(jié)果見表3、表4所列。表3中,S、K1、K2、K3、K4、K5、K6、D1、D2、Z分別為體系系數(shù)、屋頂傳熱系數(shù)、外墻(包括非透明幕墻)傳熱系數(shù)、屋頂透明部分傳熱系數(shù)分戶墻傳熱系數(shù)、樓板傳熱系數(shù)、門戶傳熱系數(shù)、屋頂透明部分遮陽系數(shù)。

表3 3種方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)分析結(jié)果

表4 外窗(包括透明幕墻)3種方案參數(shù)對比 W/(m2·K)

通過3種方案數(shù)據(jù)分析，可以看出方案1的熱工性能最優(yōu)，其次是方案2，最后是方案3，均滿足安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

(2) 可視化分析。Revit所建三維模型，在軟件里可以進(jìn)行可視化分析，設(shè)計(jì)人員及時對改造方案做出修改意見，并對比不同方案在建筑美學(xué)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對3套方案的渲染圖觀察，加上屋頂綠化和外墻垂直綠化后，整個建筑,色彩更加豐富，外觀效果更好一些。對于屋面形式，坡屋面更好看一些。

(3) 能耗分析。利用Energy Plus軟件，分別對3套方案的全年能耗進(jìn)行分析[10]，根據(jù)文獻(xiàn)[11]對采暖和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行規(guī)定，通過對軟件輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到改造建筑能耗的實(shí)際情況，如圖6所示。

(4) 造價分析。將設(shè)計(jì)方案的 Revit 工程模型導(dǎo)入到算量軟件魯班土建2014中，進(jìn)行清單定額套取并計(jì)算工程量。3套方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別為176.98元/m2、181.21元/m2和152.03元/m2;對于單位經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，方案1與方案2、方案3分別相差3.5%和16.19%。總體而言，方案1與方案2的造價相差不大，方案3造價最低。

圖6 建筑能耗分析對比圖

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)能耗模擬結(jié)果，該項(xiàng)目在進(jìn)行節(jié)能改造后，對于方案1、方案2、方案3的建筑物單位能耗，由70.08 kWh/m2分別降低為39.92 kWh/m2、43.4 kWh/m2、53.86 kWh/m2，按此計(jì)算每年的節(jié)能收益，方案1為114 566元 ，方案2為101 346元，方案3為61 614元。

(2) 根據(jù)投資回收期法進(jìn)行對節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析，動態(tài)回收期計(jì)算考慮資金時間價值、折現(xiàn)率等因素，設(shè)第1年全年為改造期，貨幣的標(biāo)準(zhǔn)折現(xiàn)率為5%，并從第2年產(chǎn)生折現(xiàn)率，計(jì)算節(jié)能改造的支出費(fèi)用和改造后每年收益情況。

運(yùn)用動態(tài)回收期公式得到計(jì)算結(jié)果，方案1動態(tài)投資回收期為13年，方案2動態(tài)投資回收期為15年，方案3動態(tài)投資回收期為21年。

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[11] DB 34-1466-2011,安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

2016-05-19；修改日期：2016-05-30

平板太陽能集熱效率及太陽能光熱建筑一體化研究項(xiàng)目(1503062012)

張學(xué)順(1992-)，男，安徽滁州人，安徽建筑大學(xué)碩士生；

方廷勇(1973-)，男，安徽舒城人，博士，安徽建筑大學(xué)教授．

TU201.5

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1673-5781(2016)03-0379-04