基于BIM技術的建筑工程能耗分析

蔡毓劍，楊太華

(上海電力學院，上海 200090)

1 引言

近年來，隨著國家經濟社會的發展，民眾的生活水平日益提高，城市化的進程也是有了大跨越。城市的快速發展，使得基礎設施的建設量也是與日俱增。據統計，房屋建筑、橋梁道路等市政設施所消耗的能源占自然界能源供應的1/2，而建筑物日常運行消耗的能源遠大于全球能源的50%。建造過程中產生的污染物占據了全球污染總量的1/3。就現在我國現狀來看，建筑業的需求仍在以20%的速度增加，但是對于建筑的信息化管理還是止步于初級階段，與國際平均水平相比更是有10倍的差距。

目前來看，在歐美發達國家中，整個工程建設行業在制定規范時，都已經接受了BIM技術，并且在使用BIM技術時很快見到了效果。根據Autodesk公司所統計出的數據來看，使用BIM技術提高了項目產出、提升了企業的競爭力、減少了施工的周期、縮短專業之間的協同設計協調時間。本研究利用BIM技術，通過三維數字信息化模型對建筑物進行設計前的模擬和能量消耗的分析，這對傳統節能分析方法難以提前判斷其建筑設計能耗問題，實現了BIM 技術的預演。利用Revit軟件對于建筑工程進行能耗分析，且可以進行有效的調整。

2 BIM技術在國內外應用情況

中國城市化進程的飛速發展帶動了基礎建設需求持續增長，長久以來，我國建筑行業的能耗情況同發達國家相比還是有較大的差距。在國內，研究建筑能耗分析的模擬大多在項目的施工圖階段，能耗分析模擬的優勢無法體現，也達不到模擬起初想要達到的目的，并且施工圖階段能耗分析模擬出的結果很難再對施工圖進行修改。從張蓓紅等的研究觀點來看，現有的傳統能源統計和通過建筑能耗實例的抽樣方法對現有建筑進行研究，顯然目前的建筑能耗分析手段還是較為落后的。而相較于傳統方法不適用于項目設計階段，BIM技術則能在項目設計之初就提供模擬并且改善建筑能耗情況[1-3]。

國外的相關學者對于BIM相關方面的研究較國內更早，更深入，建筑體系相較于國內也是愈來愈完善。國外將建筑能耗分析的提前模擬作為建筑行業的一些硬性規定。美國總務管理局(General Services Administration，GSA)最早推出了國家3D-4D-BIM計劃，并且陸續發布了系列BIM指南。將BIM技術的應用放在設計之初，進行協同設計，以達到建筑能耗控制的目的。

3 BIM技術的概述

近些年來，BIM也就是建筑信息模型在工程建設業界掀起了軒然大波，隨著BIM的迅速發展也是得到了業界的廣泛關注。大家對于BIM達成了統一的認識，認為BIM將是引領建筑信息化的方向標。但建筑信息模型有著怎樣的特點，有著多大的延伸性，如何去界定建筑信息模型的范圍就成了隨之而來的新問題。

建筑信息模型這個概念是由卡內基梅隆大學建筑和計算機科學專業的教授Chuck Eastman提出的BDS概念衍生而來的。美國的BIM標準委員會對BIM作出了這樣的定義：建筑信息模型是利用計算機數字技術建立包含建筑生命周期內所有的物理屬性和功能特性，建設單位通過該模型來對建筑物整個生命周期進行管理[4]。

建筑信息模型(BIM)是在一定的基礎和標準的前提下，通過建立、完善、利用建筑物的電子信息模型，參與各方從自身的需求出發對電子信息模型進行插入、提取、更新和修改信息的一個過程，來實現自己的需求。BIM技術是一項高效的3D數字化技術，通過運用貫穿項目整個周期都通用的數字格式，從項目一開始到項目結束，建立和收集建筑物的所有電子信息，進行信息利用，如以此為基礎對各方工作的協調和后續各項決策的制定。BIM技術的5大特點[5]如下。

3.1 可視化

平面圖紙信息在現有的建筑行業中是常見的設計和傳遞信息的手段，而圖紙的種類的多樣性也造成了傳統施工信息傳達時，大量的圖紙被運用，信息的傳遞達不到高效的標準。而在BIM技術中建筑信息模型在計算機軟件的處理下，建筑構件轉化為可視的三維圖形。項目設計、建造、運營等多方面的參與者可以從不同的層面，以不同的視角在項目的整個生命周期中直接交流、決斷。極大程度上避免了錯誤和返工情況的發生，大大地節約了各方的時間和精力，提升了效率。

3.2 協調性

建筑行業是一個特殊的行業，這一性質在傳統的方式下設計單位、施工單位和業主多方通常需要在工程進行中彼此相互關聯，時刻保持三方的聯系通力合作。遇到問題后往往需要組織在一起協調去具體問題怎么補救。運用BIM技術可以在項目未開工之前進行工作組的協調安排，實現工作組織設計的最合理化。在建筑物建造前期進行碰撞檢測、分析和協調，協調數據快捷生成，避免問題的發生，發現各專業設計工作之間的不匹配，提前對問題進行修正。

3.3 模擬性

BIM的模擬性除了建筑物的模型模擬仿真，更可進行一些實際操作中無法模擬的情況，從現實世界的情況出發，模擬自然災害。在整個設計的過程中BIM模擬日照光強和冷熱傳導，得出所需要的設計參數。在施工過程中，BIM進行施工方案的模擬，篩選出最恰當的施工方案。模擬建筑信息后期的運維中，可以進行災害情景演練的模擬。

3.4 優化性

在設計、建造、運營過程中無論是傳統的分析模式還是運用BIM技術都是一個循環優化的過程。項目參與者如果不依靠現代數字技術工具，沒法對現實復雜情況下的工程進行全面的高質量優化處理，而BIM技術提供了這個工具，也提供了全面優化建筑的可能性。BIM技術可以對建筑物進行優化處理，從而對其有更加全面的認識。BIM技術不僅僅針對工程的過程，還對設計變更所帶來的一系列包括工期和成本的增加、圖紙修改等問題做出了提前一步的預測和評價。

3.5 可出圖性

BIM的出圖，不單單是用模型幫助建筑設計院的生成設計圖紙，BIM技術更可能對建筑物存在的問題進行一系列處理之后，針對綜合管線圖、綜合結構留洞圖進行出圖。

結合五大特點綜合分析得出，BIM技術具備兩大優勢。第一，將建筑物的模型進行3D立體化的呈現，結合進度、成本等相關信息可以實現多維化，信息更加詳細可視。第二，真實的模擬度，傳統條件下，項目建設參與方只能依照建筑物實際情況和經驗來斷定建筑自身、建筑物構件布局是否合理、建筑物的設備安裝是否合理，而BIM技術只需要掌握建筑物信息而不需要建筑物實物的存在，就可以分析判斷出以上問題。

4 工程協同設計中的BIM能耗分析

以某三層樓自住別墅為主體，通過Revit軟件建立建筑物BIM模型并且在Revit軟件中生成建筑物能量模型，對建筑主題能量模型進行設置。隨后將Revit軟件中的能量模型導入到Ecotecct軟件，對建筑整體的能耗進行分析。為了保證Ecotect軟件能耗分析結果的代表性，對于建筑物主體能量設置包括項目的地理坐標、項目坐標位置的氣象條件資料，建筑物的外墻和室內結構。MEP系統中能量的設定全部采用系統默認的自然類型(包含熱力類型，鍋爐類型，冷卻類型和通風方式等)。以此依據來對建筑進行建模。

Revit軟件是應用在建筑信息模型的基礎下的一款開發建模軟件，他支持可持續設計、碰撞檢測、施工規劃和建造，Revit軟件所搭建的建筑信息模型平臺，包括了整個工程設計的過程，從三維建模到二維平面繪制再到文檔系統的儲存，從建筑、結構、給排水、暖通、電氣到各個專業的全部信息，從最開始的設計方案、工程項目的研究再到最終的施工圖紙和材料清單的統計等。

圖1～3展示了三層別墅建筑的大體建筑物信息，圖4～7則是通過對建筑物進行熱工分析、光照分析和全年太陽軌跡進一步分析得出建筑物最佳朝向和較優的能耗方案。

圖1 別墅三維模型

圖2 建筑物二層平面

圖3 建筑物立面

圖4 太陽光照視

圖5 太陽全年軌跡

5 結語

研究了包括BIM技術的發展、BIM技術的特點、BIM對于建筑行業的益處，另外，還完成了三維模型的建設，對于整個建筑物的能耗分析，并且對其進行了優化。在完成設計的過程中自己本身對于BIM技術信息化有了更深的認識。研究得出兩點結論：第一，建筑行業內目前大多都在使用CAD圖紙，CAD與三維軟件BIM等之間存在軟件接口的問題，使得兩者之間的轉換比較困難；第二，就目前的硬件設施來說，由于數字化程度高，數據龐大，三維軟件對存儲和數據處理容量要求較高，是目前技術的挑戰。在BIM應用的能耗分析中，三維建模的確起到了較為突出的作用，通過前期的各項參數模擬，從而達到建筑能耗在目前技術可以達到的最優解決方案。這一成果可以在今后的工程協同設計和施工中推廣應用。

圖6 輻射數值表

圖7 建筑物最佳朝向