基于BIM 技術(shù)的全生命周期綠色建筑評價研究

孫德熙，王聰聰，杜培群，藺漢清，于慧俐

青島理工大學(xué)，山東 青島 266033

我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，市場龐大，而建筑能耗也更加受到人們的關(guān)注。運(yùn)用BIM 技術(shù)，對建筑環(huán)境（建筑負(fù)荷，建筑采光，建筑日照，建筑風(fēng)環(huán)境）進(jìn)行模擬分析，采集綠色建筑的全生命周期數(shù)據(jù)，大大提高了綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的可靠性。

1 BIM 用于綠色建筑分析的優(yōu)勢

BIM 技術(shù)即建筑信息模型技術(shù)，本質(zhì)上是一種基于數(shù)據(jù)庫的建筑工程信息化解決方案，而不僅僅是三維建筑模型。綠色建筑要求建筑從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維到廢棄等各個階段，都實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源與能源、減少污染排放。根據(jù)這些定義，可以進(jìn)一步分析出BIM 技術(shù)在綠色建筑應(yīng)用中的優(yōu)勢。

1.1 覆蓋建筑的全生命周期

由上文所述，綠色建筑對全生命周期中的每個階段都提出了較高要求。在規(guī)劃時，要考慮建筑的選址、地勢、周邊能源條件，以及建筑群的室外風(fēng)環(huán)境、日照情況等。在設(shè)計(jì)階段，需要明確圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性，以及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案等。在運(yùn)行維護(hù)階段，建筑內(nèi)部的照明、設(shè)備、人員變化，以及外部的氣候變化都會對能耗帶來影響。在建筑拆除階段，需要統(tǒng)計(jì)建筑廢物的材料、種類和數(shù)量。以上種種信息，都是綠色建筑應(yīng)用過程中對能耗和污染排量產(chǎn)生主導(dǎo)影響的參數(shù)［1］。而BIM 技術(shù)恰巧具有強(qiáng)大的建筑相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精細(xì)化儲存和實(shí)時化修正，也可將建筑模型中的每個圖元進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)入導(dǎo)出，便于互聯(lián)其他軟件，進(jìn)行綠建指標(biāo)的模擬計(jì)算。

1.2 各專業(yè)協(xié)同工作

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)模式下，建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、機(jī)電等各專業(yè)需按照一定的先后順序依次開展工作，專業(yè)之間的不了解會帶來不可避免的誤會與矛盾，往往需要大量地修改返工。同時，設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行階段也相互割裂，信息共享不順暢、不精準(zhǔn)。BIM 技術(shù)則可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互通共享改善這些問題。各專業(yè)可在同一模型內(nèi)同時進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)時提出修改意見，縮短設(shè)計(jì)周期。在設(shè)計(jì)階段可以通過模擬施工、模擬計(jì)算等手段尋找謬誤、迅速改正，減少施工返工帶來的額外工作量。在運(yùn)行階段也可參考設(shè)計(jì)與施工參數(shù)，因地制宜地確定運(yùn)行方案。

1.3 可視化

BIM 技術(shù)在3D 建模方面有突出的優(yōu)勢，可在平、立、剖面圖的基礎(chǔ)上形成精細(xì)的立體模型，還可對各構(gòu)件、機(jī)電設(shè)備管件進(jìn)行空間位置的碰撞檢查，并導(dǎo)出三維漫游視圖，有利于施工人員更加形象地了解設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行準(zhǔn)確施工。綠建分析軟件的基礎(chǔ)往往都是建筑的三維模型，只要通過一定的模式將BIM 模型導(dǎo)出為軟件可以識別的格式，就可直接進(jìn)行分析，避免二次建模的麻煩。

2 BIM 綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

主流的BIM 綠建信息標(biāo)準(zhǔn)有IFC 與gbXML。IFC 標(biāo)準(zhǔn)存在一定的問題，包括無法精準(zhǔn)定義某些建筑實(shí)體、模型與分析軟件之間互通性較差等，因此不能很好地滿足協(xié)同工作、數(shù)據(jù)共享的要求。為此，gbXML 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，該格式可將BIM 建筑模型的綠建信息完整導(dǎo)出，直接應(yīng)用于其他綠建分析軟件?，F(xiàn)在最新的gbXML 版本為2017 年1 月發(fā)布的6.01，其包含的主要節(jié)點(diǎn)元素如表1 所示［2］。

3 BIM 技術(shù)在綠色建筑的工程實(shí)例

表1 gbXML 主要節(jié)點(diǎn)元素介紹

3.1 工程概況

以某3 層辦公樓作為應(yīng)用對象，設(shè)計(jì)地點(diǎn)為青島市，建筑面積約2057m2。建筑BIM 模型如下圖所示，使用的綠建分析軟件有鴻業(yè)全年負(fù)荷計(jì)算及能耗分析軟件、鴻業(yè)CFD 風(fēng)環(huán)境模擬軟件、鴻業(yè)日照分析軟件［3］。

圖1 建筑BIM 模型示意圖

3.2 建筑負(fù)荷與能耗分析

通過對全年逐時負(fù)荷的模擬計(jì)算，得到了冷、熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)值與最大值，如表2 所示。

表2 負(fù)荷結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將該建筑的制冷季設(shè)定為5 月1 日至9 月30 日，采暖季設(shè)定為11 月15 日至3 月15 日，其余時間為過渡季。排除過渡季之后，全年逐時負(fù)荷的分布情況如下圖所示。

圖2 全年逐時負(fù)荷

可以看出，建筑的熱負(fù)荷與常規(guī)建筑相比較大，冷熱負(fù)荷比有些偏低，冬季保溫措施需要加強(qiáng)，比如采用外墻復(fù)合保溫材料、空氣滲透量小的門窗等。

對建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬。冷熱源采用空氣源熱泵系統(tǒng)，末端采用風(fēng)機(jī)盤管+獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。同時，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求選定一參考系統(tǒng)，冷熱源采用電制冷機(jī)、熱水鍋爐，與設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行對比。系統(tǒng)能耗結(jié)果如下表所示。

表3 能耗對比結(jié)果

結(jié)果顯示該建筑空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能幅度達(dá)到46.92%，有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。

3.3 風(fēng)環(huán)境分析

本部分的主要目的是模擬建筑周邊室外風(fēng)環(huán)境以評價是否滿足綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)的要求。

夏季工況下，1.5m 人行高度主要活動區(qū)域通風(fēng)流暢，周圍沒有形成較大的渦流區(qū)域。風(fēng)速基本都處于合理的范圍之內(nèi)，風(fēng)速分布在0～4.6m/s 之間，弱風(fēng)區(qū)較少，非常適合人們在室外進(jìn)行活動。風(fēng)速放大系數(shù)在0～1.5 之間，均小于2，滿足要求。迎風(fēng)側(cè)高層建筑前后表面靜壓差均在5Pa 以上，有利于夏季室內(nèi)自然通風(fēng)。

圖3 夏季1.5m 高度風(fēng)速云圖

冬季工況下，人行高度通風(fēng)流暢，冬季風(fēng)環(huán)境較好，局部風(fēng)速分布在5m/s 以上，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。風(fēng)速放大系數(shù)在0～1.6 之間，均小于2，滿足要求。冬季風(fēng)最多風(fēng)向情況下最高層門窗內(nèi)外壓差均在5Pa 以上。綜上所述，該建筑在冬季需要采取一定的防風(fēng)措施。

圖4 冬季1.5m 高度風(fēng)速云圖

3.4 日照分析

太陽輻射對建筑負(fù)荷以及室內(nèi)采光都有重要影響，需要考慮建筑之間的遮擋、朝向等因素對日照的作用。對該建筑及周邊建筑群進(jìn)行日照分析，得到日照等時線。分析結(jié)果顯示，該建筑南向和西向的周邊地面日照時數(shù)在2-4h 之間，最低層也能獲得良好的日照；北向由于建筑自身的遮擋，日照時數(shù)為0，無法獲得有效日照；紅線范圍內(nèi)的大多數(shù)其他建筑在北向之外均能獲得良好的日照。

進(jìn)一步對主建筑室內(nèi)房間進(jìn)行窗日照時間分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表所示。結(jié)果表明，各窗位最不利條件下總有效日照時間基本在2h 以上，或接近2h，可以較好地滿足室內(nèi)采光需求。

表4 窗日照時間分析

4 結(jié)語

本文對BIM 技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢進(jìn)行了論述，簡單介紹了BIM 技術(shù)在綠色建筑信息方面的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并且以實(shí)際建筑為例對BIM 綠建設(shè)計(jì)分析進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，BIM 技術(shù)與綠色建筑分析技術(shù)有很好的協(xié)同效果，且將BIM 技術(shù)用于綠建分析，可多方位地發(fā)現(xiàn)建筑節(jié)能潛力，有利于設(shè)計(jì)人員提出有效的節(jié)能措施。二者的有機(jī)結(jié)合可以科學(xué)構(gòu)建綠色建筑的環(huán)境評價體系，有助于推動綠色建筑在全社會更好地推廣，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。