BIM技術(shù)在超低能耗建筑中的應(yīng)用★

瞿蕭羽 劉子恒 周圣易 隋廷偉

(1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130000)

1 超低能耗建筑

隨著全球變暖現(xiàn)象加劇，健康舒適的超低能耗建筑成為各個(gè)地區(qū)建筑發(fā)展的重點(diǎn)。超低能耗建筑是指在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源利用和設(shè)備系統(tǒng)、照明等方面將各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)集成應(yīng)用，它通過適應(yīng)氣候特征和自然條件，采取主動(dòng)式和被動(dòng)式技術(shù)手段，大幅降低建筑供暖供冷需求，提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率。超低能耗建筑的能耗水平遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑，從能耗來看介于低能耗建筑和零能耗建筑之間。

我國的超低能耗建筑是指以年為計(jì)算期，以終端用能形式作為衡量指標(biāo)，新建建筑采暖供冷能耗比按照節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建造的建筑節(jié)能70%以上的建筑，即建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)可從目前普遍執(zhí)行的65%提升到90%以上。

2 BIM技術(shù)

BIM建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)建立的三維建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的所有真實(shí)信息，它能夠?qū)?shù)字化的信息進(jìn)行提取及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)應(yīng)用。在建筑工程的整個(gè)周期中，BIM技術(shù)可以將建筑物的信息模型與管理模型進(jìn)行匹配，通過參數(shù)規(guī)則對(duì)信息進(jìn)行調(diào)整，并可以用于建筑的設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)字化方法。

自2014年起，各地就頒布了推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用的各項(xiàng)文件，規(guī)定了民用建筑信息模型的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用出臺(tái)了一系列的相關(guān)制度及指導(dǎo)意見，強(qiáng)調(diào)加快建筑業(yè)BIM技術(shù)的實(shí)施和廣泛應(yīng)用，開展建立在BIM基礎(chǔ)上的協(xié)同設(shè)計(jì)?；诮ㄖ畔⒛Ｐ偷募苫O(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，超低能耗建筑的BIM技術(shù)應(yīng)用將被集成為一個(gè)功能，真正起到輔助和優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的作用。

3 基于BIM的建筑設(shè)計(jì)過程

3.1 建筑前期設(shè)計(jì)

建筑的前期設(shè)計(jì)主要針對(duì)建筑環(huán)境及性能分析，常采用的Ecotect Analysis等性能軟件均可與BIM軟件直接進(jìn)行模型互相導(dǎo)入，使分析結(jié)果更加全面準(zhǔn)確。根據(jù)場地、照明和風(fēng)環(huán)境等，利用BIM技術(shù)進(jìn)行采光和日照分析，可以進(jìn)行建筑布局方式的多方案比較及優(yōu)化選取。通過BIM還可以針對(duì)不同的建筑體量進(jìn)行初步模擬分析，綜合考慮采光、通風(fēng)與能耗之間的關(guān)系，從而確定合適的建筑體量。

3.2 建筑方案設(shè)計(jì)

在建筑方案的設(shè)計(jì)中，需要整體考慮建筑的平面布局、建筑外部及內(nèi)部的空間形態(tài)，通過建筑節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)建筑能耗進(jìn)行定量分析，以指導(dǎo)下一步的方案設(shè)計(jì)。在建筑的表皮設(shè)計(jì)中考慮采用被動(dòng)式技術(shù)手段從而有效地降低建筑能耗，利用被動(dòng)式自然通風(fēng)改善建筑內(nèi)部的通風(fēng)效果，最終通過建筑形體、空間形式、表皮設(shè)計(jì)來滿足建筑內(nèi)部的自然采光通風(fēng)等。

3.3 建筑細(xì)部設(shè)計(jì)

在進(jìn)行建筑細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)，通過BIM軟件選擇門窗洞口的具體尺寸和適宜的門窗形式，可以有效地降低建筑能耗，提高建筑的保溫隔熱效果，確保室內(nèi)空氣的自然流通；提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，如采用適宜的墻體蓄熱材料和新型的墻體保溫系統(tǒng)、多層玻璃幕墻等；通過利用被動(dòng)式太陽能技術(shù)，如太陽能光伏與建筑一體化設(shè)計(jì)達(dá)到增加室內(nèi)的自然采光，利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電供建筑自身使用等，從而提高建筑能源利用率。

4 BIM在超低能耗建筑中的能耗模擬分析及應(yīng)用

建筑能耗模擬是指通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出不同情況下的建筑能耗，同時(shí)對(duì)建筑物的外部環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備和建筑系統(tǒng)等的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬計(jì)算。在使用BIM軟件建模過程中，不同的建筑構(gòu)件其界面材質(zhì)屬性、形狀尺寸、材料構(gòu)造等特征參數(shù)不同，通過BIM技術(shù)可將不同界面材質(zhì)的熱工數(shù)據(jù)代入建筑模型，對(duì)建筑能耗進(jìn)行整體的比對(duì)分析，進(jìn)而調(diào)整和選擇模型中能耗較低的構(gòu)件及技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)降低整個(gè)建筑物的能耗。

通過對(duì)超低能耗建筑的能耗模擬，可以對(duì)已建成超低能耗建筑進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，同時(shí)能夠?qū)υ摻ㄖ哪芎乃健⒔?jīng)濟(jì)性、舒適度和表現(xiàn)效果等進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。針對(duì)新建建筑，通過能耗模擬分析可以進(jìn)行多種不同方案的優(yōu)化比較，滿足建筑經(jīng)濟(jì)性等方面的問題；而對(duì)于現(xiàn)有建筑優(yōu)化方面，可以進(jìn)行改造前、改造后，甚至多種方案的對(duì)比分析。

4.1 建立施工模型及能耗分析

利用BIM軟件建立施工設(shè)計(jì)模型，可以模擬建筑各構(gòu)件之間的組建與安裝過程，根據(jù)設(shè)計(jì)要求模擬施工建造流程，同時(shí)根據(jù)模型對(duì)現(xiàn)場平面布置進(jìn)行分析，結(jié)合平面施工圖檢驗(yàn)施工現(xiàn)場是否存在安全問題，還可以用來監(jiān)測超低能耗建筑的施工運(yùn)行情況、防護(hù)做法、綠化覆蓋等各項(xiàng)施工措施，有效確保超低能耗建筑的綠色施工及施工進(jìn)度。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)建造模式中，從建筑設(shè)計(jì)到模擬轉(zhuǎn)換的過程需要重新建立模型，對(duì)建筑性能分析尤其是對(duì)能耗的分析是在方案最終確定以后，難以依據(jù)建筑能耗的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行變更，建筑性能分析對(duì)降低建筑能耗影響不大。而應(yīng)用BIM技術(shù)通過專業(yè)的數(shù)據(jù)交換，通過模擬軟件可以從模型中提取相應(yīng)參數(shù)，便于指導(dǎo)以自然采光和節(jié)能為目的選取的參數(shù)設(shè)計(jì)，分析建筑各變量和不舒適度影響下的能源消耗指標(biāo)之間的相互關(guān)系。

4.2 BIM與其他軟件的結(jié)合應(yīng)用

將其他軟件與BIM軟件結(jié)合使用，如在BIM建模軟件中安裝外墻建模插件，從插件中可以生成建筑外墻的各構(gòu)造層次以及層中的導(dǎo)熱系數(shù)。將導(dǎo)熱系數(shù)輸入，再根據(jù)外墻構(gòu)造層厚度，通過BIM軟件可以直接計(jì)算得出外墻的傳熱系數(shù)，將外墻傳熱系數(shù)與現(xiàn)行節(jié)能建筑設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，看是否滿足規(guī)范要求。通過在BIM軟件中安裝插件，可以更加準(zhǔn)確、便捷地得出計(jì)算結(jié)果(見圖1)。

還可以將能耗模擬軟件(如eQUEST)直接鏈接到施工設(shè)計(jì)模型軟件BIM中，可對(duì)超低能耗建筑的結(jié)構(gòu)安全性、能耗水平、立面形式等進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。對(duì)建筑設(shè)計(jì)中的材料、構(gòu)造、技術(shù)、能耗及安全進(jìn)行綜合控制。

4.3 BIM+裝配式的被動(dòng)式超低能耗綠色建筑

將BIM與裝配式建筑結(jié)合，建造被動(dòng)式超低能耗綠色建筑也是對(duì)BIM新的應(yīng)用和嘗試。中建科技產(chǎn)業(yè)園綜合樓項(xiàng)目就是一座裝配式的被動(dòng)式超低能耗綠色建筑示范項(xiàng)目，工程由辦公、宿舍和食堂組成，綜合裝配率達(dá)72%以上，大幅減少人工及建設(shè)周期。通過運(yùn)用BIM技術(shù)在計(jì)算機(jī)中先行模擬施工運(yùn)行等建筑相關(guān)階段，優(yōu)化施工管理，減少資源浪費(fèi)。

建筑外墻采用集保溫、結(jié)構(gòu)、裝飾和防水于一體的新型墻板，通過對(duì)建筑的體型、朝向、窗墻比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用Revit軟件進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算、模型信息綜合分析利用及能耗分析，使建筑造型簡約，滿足節(jié)材、節(jié)地均為20%，建筑節(jié)水80%。通過BIM能耗分析合理選擇優(yōu)化供暖、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)，降低設(shè)備能耗，使建筑能耗控制在40萬度以內(nèi)，節(jié)能達(dá)70%以上，每年節(jié)約電量25萬度，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤60 t，減少二氧化碳排放量220 t。通過BIM+裝配式技術(shù)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式超低能耗綠色建筑的建造，使該項(xiàng)目成為國內(nèi)智能建筑的先驅(qū)，真正實(shí)現(xiàn)建筑冬暖夏涼。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)通過信息化手段將建筑工程變成虛擬化的數(shù)字模型，它與超低能耗建筑的共同點(diǎn)在于都是強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工全過程中的能耗檢測與數(shù)據(jù)管理。BIM模型中所包含的建筑構(gòu)件物理信息，在建筑方案設(shè)計(jì)階段就能為超低能耗建筑的能源消耗提供性能分析和評(píng)估數(shù)據(jù)，從而提高了超低能耗建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)效率。因此，BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠推動(dòng)超低能耗建筑的發(fā)展，為建筑的低能耗設(shè)計(jì)建造和綠色評(píng)價(jià)提供有效支撐。