基于BIM技術(shù)的綠色建筑性能方案優(yōu)化研究

孫倩倩 曹 寧 于保俏 于保磊

（1.棗莊職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277800；2.棗莊市金成置業(yè)有限公司，山東 棗莊 277800；3.棗莊海利頤養(yǎng)健康服務(wù)有限公司，山東 棗莊 277800）

建筑業(yè)作為高能耗行業(yè)，不僅在建材生產(chǎn)和建筑建造過(guò)程中消耗大量能源，其運(yùn)行階段的能源需求也占據(jù)了能源消耗的主要比例。在這一背景下，綠色建筑設(shè)計(jì)的重要性愈加凸顯，通過(guò)合理選擇建筑材料、優(yōu)化建筑布局和提高設(shè)備效率等方法，可以降低建筑能耗。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)流程依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，并且往往在設(shè)計(jì)階段忽略了對(duì)綠色建筑性能的綜合評(píng)估，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率不高和模型與圖紙不一致的問(wèn)題[1]。本研究聚焦于利用BIM 技術(shù)優(yōu)化綠色建筑性能，通過(guò)集成化的信息流對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全階段的設(shè)計(jì)和模擬。BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地整合和分析建筑風(fēng)場(chǎng)、光照等關(guān)鍵環(huán)境因素，在早期設(shè)計(jì)階段進(jìn)行更加精確的方案選擇和優(yōu)化，旨在為綠色建筑設(shè)計(jì)提供更高效的支持，以促進(jìn)建筑業(yè)向更加節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。

1 工程概況

我國(guó)東部地區(qū)某居民安置點(diǎn)位于城區(qū)南側(cè)，占地面積約為25.6萬(wàn)m2，計(jì)劃新建建筑面積總計(jì)75.8萬(wàn)m2。項(xiàng)目規(guī)劃包括地上建筑面積58.2萬(wàn)m2和地下建筑面積18.4萬(wàn)m2，共有4棟商業(yè)樓、1棟22班幼兒園和68棟住宅樓，分布于1#、2#、3#、4#四個(gè)區(qū)域，如圖1 所示。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和規(guī)劃充分考慮了綠色建筑的要求，特別著重于建筑的能源效率和環(huán)境影響。利用BIM 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑場(chǎng)地的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境和光照環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，以確保建筑設(shè)計(jì)在提供舒適的居住和工作環(huán)境的同時(shí)，也能達(dá)到高效節(jié)能和環(huán)境友好的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 項(xiàng)目所在區(qū)域狀況

2 基于BIM的氣候條件分析

2.1 場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境

場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境對(duì)于綠色建筑的設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)重要，直接影響建筑物的通風(fēng)效率、能源消耗、以及居住者的舒適度。合理的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)可以顯著提高建筑的自然通風(fēng)，減少對(duì)人工空調(diào)和加熱的依賴(lài)，降低能源消耗，并提供更加宜人的室內(nèi)環(huán)境。此外，有效的風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)也有助于減少建筑物溫室氣體的排放，進(jìn)一步推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

在綠色建筑設(shè)計(jì)中，通過(guò)BIM 技術(shù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)環(huán)境模擬，不僅可以提供三維視角觀察和分析建筑物，還能夠整合建筑物的物理和功能特性，設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)階段就對(duì)建筑物的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行模擬，從而做出更加科學(xué)合理的設(shè)計(jì)決策[2]。

在進(jìn)行BIM 技術(shù)的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境模擬時(shí)，首先需要收集和分析場(chǎng)地的風(fēng)速、風(fēng)向等氣候數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)氣象站提供的歷史數(shù)據(jù)獲得，或者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)環(huán)境測(cè)試來(lái)測(cè)定，設(shè)計(jì)人員可以利用BIM 軟件中的特定工具和算法，如計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD，模擬風(fēng)在建筑物及其周?chē)h(huán)境中的流動(dòng)，展示風(fēng)在不同建筑布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的流動(dòng)路徑和速度分布?；谀M結(jié)果，對(duì)建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以?xún)?yōu)化風(fēng)場(chǎng)效果。例如，通過(guò)調(diào)整建筑物的朝向、形狀或布局，引導(dǎo)風(fēng)流更有效地穿過(guò)建筑物或周?chē)鷧^(qū)域，不僅能提高自然通風(fēng)效果，還可以防止風(fēng)力造成的結(jié)構(gòu)壓力，從而提高建筑的能源效率和居住者的舒適度。

該地區(qū)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境特征表明，西北風(fēng)是主導(dǎo)風(fēng)向，而東南和西北方向的風(fēng)頻也相對(duì)均衡，該地區(qū)風(fēng)速一般保持在20m/h以下，盡管東北方向偶爾出現(xiàn)最高風(fēng)速超過(guò)35km/h的情況，但這種強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，全年累計(jì)超過(guò)35km/h的風(fēng)時(shí)長(zhǎng)不足70h。

2.2 日照輻射

合理的日照分析可以?xún)?yōu)化建筑的能源使用，減少對(duì)人工照明和加熱的需求，同時(shí)也影響著室內(nèi)的光照質(zhì)量和溫度，進(jìn)而影響居住者的舒適感和健康。例如，充足的自然光可以減少對(duì)人工照明的依賴(lài)，提高空間的視覺(jué)舒適度；而避免過(guò)度的直射陽(yáng)光則可以減少過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，降低冷卻需求。在日照輻射分析中，BIM 技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師評(píng)估日照對(duì)建筑的影響，在建筑設(shè)計(jì)的早期階段模擬陽(yáng)光在不同時(shí)間和季節(jié)下對(duì)建筑物的照射情況，包括直接的日照分析和光照對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，例如照明水平、熱增益和陰影效果[3]。日照輻射分析步驟通常包括以下幾個(gè)方面：

首先，收集地點(diǎn)的日照數(shù)據(jù)，包括地理位置、氣候條件和季節(jié)變化等，然后，在BIM軟件中建立三維建筑模型，并輸入相關(guān)的日照數(shù)據(jù)，再利用BIM軟件中的分析工具，如日照模擬插件，對(duì)建筑的日照接收情況進(jìn)行模擬，分析不同時(shí)間點(diǎn)建筑各部分的日照情況，包括陽(yáng)光直射區(qū)域、半陰影區(qū)域和完全陰影區(qū)域。

通過(guò)日照輻射模擬，可以對(duì)建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以?xún)?yōu)化日照效果。例如，調(diào)整建筑的朝向、窗戶大小和位置，或者設(shè)計(jì)遮陽(yáng)設(shè)施，以控制日照對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。此外，日照分析還可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的建筑材料和玻璃類(lèi)型，以控制熱增益和避免眩光。

2.3 焓濕圖

在綠色建筑設(shè)計(jì)中，焓濕圖可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化建筑的通風(fēng)系統(tǒng)、選擇合適的建筑材料和評(píng)估建筑的能效。將焓濕圖與BIM 技術(shù)結(jié)合，能夠提升建筑環(huán)境分析的精度和效率。通過(guò)在BIM 模型中集成焓濕圖，可以直觀地分析和預(yù)測(cè)建筑內(nèi)部的熱和濕度條件，從而進(jìn)行更準(zhǔn)確的熱舒適度和能效分析。在進(jìn)行焓濕圖分析時(shí)，首先需要確定建筑所處地區(qū)的氣候條件，包括平均溫度、濕度、季節(jié)變化等[4]；然后，在BIM 模型中設(shè)置和模擬不同的環(huán)境條件，如冬季加熱或夏季冷卻情況，并觀察這些條件下的焓濕變化。此外，需考慮建筑內(nèi)部活動(dòng)產(chǎn)生的濕熱負(fù)荷，如人員數(shù)量、設(shè)備使用等，這些都會(huì)影響建筑內(nèi)部的熱舒適度。通過(guò)利用BIM技術(shù)和焓濕圖，可以在建筑設(shè)計(jì)的早期階段評(píng)估不同的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，選擇最適合的方案以實(shí)現(xiàn)最佳的熱舒適度和能效。例如，根據(jù)焓濕圖分析結(jié)果，可以調(diào)整建筑的窗戶尺寸和位置、選擇適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)設(shè)施或調(diào)整建筑的隔熱材料，最大限度地利用自然通風(fēng)和減少能源消耗。

3 基于BIM技術(shù)的綠色建筑性能方案優(yōu)化

BIM技術(shù)在綠色建筑性能優(yōu)化中扮演著關(guān)鍵角色。BIM技術(shù)通過(guò)提供詳細(xì)的建筑信息模型，對(duì)建筑物全生命周期進(jìn)行綜合分析，包括能源消耗、材料效率、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等各個(gè)方面，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)初期就識(shí)別和應(yīng)對(duì)可能的性能問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)更為高效和可持續(xù)的建筑設(shè)計(jì)。

3.1 綠色建筑性能方案優(yōu)化的重要性

綠色建筑性能的優(yōu)化不僅有助于減少運(yùn)營(yíng)成本，還能提高用戶的舒適度和健康。例如，通過(guò)優(yōu)化自然光利用和室內(nèi)空氣質(zhì)量，可以創(chuàng)造更加舒適和健康的居住和工作環(huán)境，對(duì)于提高居住者的幸福感和生產(chǎn)力具有重要意義。此外，綠色建筑的優(yōu)化還能提高建筑物的市場(chǎng)價(jià)值和吸引力，通過(guò)BIM 技術(shù)進(jìn)行能效分析和環(huán)境模擬，能夠有效指導(dǎo)節(jié)能材料的選擇和建筑布局的優(yōu)化[5]。

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 建筑總平面布局方案比選

在綠色建筑設(shè)計(jì)中，建筑總平面布局的選擇對(duì)其綠色性能具有決定性影響。不同的布局方案會(huì)導(dǎo)致建筑在能效、自然光利用、通風(fēng)效果以及環(huán)境影響等方面的顯著差異。有效的布局設(shè)計(jì)不僅能夠提高能源效率，還能提升居住者的舒適度和健康。在該項(xiàng)目中，根據(jù)建筑朝向，提出三種不同的布局方案，具體見(jiàn)表1。

表1 建筑朝向方案

采用BIM 技術(shù)對(duì)三種方案進(jìn)行分析：①方案A 室內(nèi)光照均勻，但夏季可能會(huì)有過(guò)熱問(wèn)題，特別是西向窗戶，冬季舒適，但夏季可能需要額外的冷卻措施，如遮陽(yáng)設(shè)施和空調(diào)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響較小，主要受建筑群體布局和周邊環(huán)境影響，冬季能耗較低，但夏季因冷卻需求較高，總體能耗較高，夏季室內(nèi)溫度可上升至28℃，冬季能降至18℃，冷卻能耗增加高達(dá)30%；②方案B 南面獲得充足光照，但北面可能較暗，夏季較為涼爽，冬季可能稍顯寒冷，南北朝向?qū)︼L(fēng)場(chǎng)的引導(dǎo)效果一般，冬季因加熱需求而能耗上升，但夏季能耗較低，總體平衡，夏季室內(nèi)溫度可保持在25℃以下，冬季加熱能耗比方案A增加20%；③方案C 提供了較為均勻的光照，避免了嚴(yán)重的過(guò)熱或過(guò)暗問(wèn)題，夏季和冬季都相對(duì)舒適，方向的選擇有利于引導(dǎo)自然通風(fēng)，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，該方案實(shí)現(xiàn)了年度能耗的最優(yōu)化，夏季和冬季的能耗都相對(duì)較低，年均室內(nèi)溫度保持在理想范圍，夏季不超過(guò)27℃，冬季不低于20℃，年能耗比方案A 和B 平均降低15%。

3.2.2 建筑窗墻比方案比選

為了評(píng)估不同窗墻比對(duì)建筑能效和室內(nèi)環(huán)境舒適度的具體影響，在方案C的基礎(chǔ)上，針對(duì)窗墻比進(jìn)行方案比選，采用五種不同的窗墻比0.2、0.25、0.3、0.4 和0.5。為了確保比選方案的一致性，均采用相同類(lèi)型的玻璃，即6+12A+6 中空Low-e 玻璃，同時(shí)，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料也保持一致。不同建筑窗墻比的能耗情況如圖2所示。

圖2 不同窗墻比的建筑能耗

由圖2 可知，隨著窗墻比的增加，建筑內(nèi)部對(duì)熱量的需求逐步上升，采暖供熱、空調(diào)制冷和通風(fēng)系統(tǒng)能耗量相應(yīng)增加。具體而言，窗墻比為0.2 時(shí)，供熱能耗為155.46kW·h，制冷能耗為1684.26kW·h，通風(fēng)系統(tǒng)能耗為1748.14kW·h；當(dāng)窗墻比達(dá)到0.5 時(shí)，供熱、制冷和通風(fēng)能耗分別上升至178.68kW·h、1825.37kW·h 和1803.04kW·h，增幅分別為12.26%、8.45%和3.11%。

在照明能耗方面，則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。隨著窗墻比的增加，照明能耗逐漸降低，從窗墻比0.2 時(shí)的687.32kW·h 下降至窗墻比0.5 時(shí)的578.93kW·h，減少了約15.92%。這主要是由于窗墻比較高時(shí)，自然光照的增加減少了對(duì)人工照明的依賴(lài)。

另外，在各窗墻比工況下，室內(nèi)設(shè)備的能耗保持不變，均為713kW·h。整體而言，單位面積的能耗量與窗墻比呈正相關(guān)關(guān)系，窗墻比越大，建筑的能耗也越高。然而，過(guò)高的窗墻比可能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，在實(shí)際工程中，本方案將窗墻比設(shè)為0.30。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文通過(guò)運(yùn)用建筑信息模型（BIM）技術(shù)，針對(duì)綠色建筑性能的優(yōu)化進(jìn)行了深入探討。結(jié)合具體工程案例，詳細(xì)分析了建筑的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境和光照環(huán)境，并通過(guò)數(shù)值仿真分析提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。研究表明，通過(guò)調(diào)整建筑總平面布局和窗墻比等參數(shù)，可以有效提升建筑的綠色性能。此外，BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度和效率，還確保了方案選擇的科學(xué)性和合理性，為類(lèi)似的工程建設(shè)提供了寶貴的參考。