基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)*

韓風(fēng)毅，林書(shū)帆

(長(zhǎng)春工程學(xué)院 能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

近些年，全球氣候變暖與能源危機(jī)持續(xù)爆發(fā)，嚴(yán)重影響了能源供應(yīng)[1].建筑能量消耗在總能源消耗中占據(jù)的比例很大，從上個(gè)世紀(jì)的七十年代末開(kāi)始，建筑能源使用量上升趨勢(shì)變得十分明顯[2].傳統(tǒng)方法基于氣候變化的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，根據(jù)近幾年世界常用的氣候模擬方式對(duì)未來(lái)氣候數(shù)據(jù)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析氣候變化對(duì)建筑能耗產(chǎn)生的影響，并將氣候?qū)ㄖ芎漠a(chǎn)生的影響定量化，以此得到建筑能耗影響參數(shù)，再依照現(xiàn)有的各類(lèi)參數(shù)完成建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì).傳統(tǒng)方法中，建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)與實(shí)際節(jié)能的擬合程度較低，且不具備持續(xù)性.如今，各個(gè)城市的建筑群構(gòu)建速度極快，導(dǎo)致建筑節(jié)能問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重.

曹秀麗等[3]提出基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)輔助的方式對(duì)建筑形體以及布局等進(jìn)行定量分析，案例分析結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)單，但該節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)果偏差較大；王娟等[4]提出基于信息熵的建筑節(jié)能決策方法，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法建筑總體能耗較少，但節(jié)能的持續(xù)性較差；馬書(shū)寒等[5]提出基于IPLV指標(biāo)的建筑能耗控制方法，通過(guò)面積指標(biāo)法與IPLV指標(biāo)法實(shí)現(xiàn)能耗測(cè)算，并根據(jù)預(yù)算結(jié)果完成建筑能耗結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì).該方法能耗預(yù)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但該方法下能源利用率較低，導(dǎo)致建筑能源使用量并沒(méi)有大幅度減少.

上述建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到當(dāng)前社會(huì)發(fā)展需求，整體性能不是十分完善，為此提出基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì).

1 建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 建筑結(jié)構(gòu)多指標(biāo)能耗數(shù)據(jù)采集

為提升建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)與實(shí)際節(jié)能結(jié)果的擬合程度，需要對(duì)建筑內(nèi)主要耗能指標(biāo)進(jìn)行采集[6].其中，將建筑能耗數(shù)據(jù)的采集大致劃分為空調(diào)能耗采集和采暖能耗采集，以空調(diào)傳熱量與采暖傳熱量計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，得到空調(diào)傳熱指標(biāo)值和采暖傳熱量的指標(biāo)值.計(jì)算建筑耗冷量指標(biāo)與建筑耗熱量指標(biāo)，并獲取建筑多指標(biāo)耗能函數(shù)，以此完成建筑總能耗數(shù)據(jù)的采集.

在計(jì)算建筑空調(diào)與采暖能耗過(guò)程中，需要對(duì)建筑中的空調(diào)傳熱量Eoc與建筑中采暖傳熱量Eob進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算表達(dá)式為

Eoc=Ewe+Efe

(1)

Eob=Ewh+Eth+Erh

(2)

式中：Ewe為空調(diào)設(shè)備自身傳熱量；Efe為太陽(yáng)光線傳熱量；Ewh為外墻的傳熱量；Eth為窗戶(hù)的傳熱量；Erh為采暖設(shè)備傳熱量.

利用式(1)、(2)對(duì)空調(diào)傳熱指標(biāo)Hc與采暖傳熱量的指標(biāo)Hb進(jìn)行計(jì)算可得

(3)

(4)

式中，F(xiàn)0為建筑面積.

結(jié)合上述空調(diào)傳熱指標(biāo)Hc與采暖傳熱量指標(biāo)Hb可得到建筑年耗能總量，其中，建筑耗冷量指標(biāo)與熱量指標(biāo)表示為

p″=Hc+pi+pr+px

(5)

p?=-(Hb+pi+pr+px)

(6)

式中：pi為內(nèi)熱源，包含室內(nèi)人員和視聽(tīng)設(shè)備傳輸出的熱量；pr為室內(nèi)照明，本文取0.59 W/m2；px為空氣滲透?jìng)鳠?

對(duì)建筑能耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)，還需考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮擋造成的影響，該因素會(huì)影響外墻對(duì)太陽(yáng)光線輻射的吸收以及窗戶(hù)對(duì)太陽(yáng)光線輻射的傳入[7].在計(jì)算建筑能耗時(shí)，需要引入形狀修正系數(shù)，并將建筑分成蝶形和條形等模式，由此可知建筑年耗能總量為建筑H指標(biāo)、大氣滲透?jìng)鳠?、建筑形狀修正系?shù)等因素結(jié)合而成的函數(shù)，該函數(shù)表達(dá)式為

E″=(H，p″，p?，t″，υ，l′)

(7)

式中：E″為建筑年耗能總量函數(shù)；t″為空調(diào)采暖設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)；l′為大氣的滲透?jìng)鳠崃?；υ為建筑形狀修正系?shù).

建筑形體是指建筑物的外表面積和外表面積所包的體積之比，將其公式化為

T=F/V

(8)

式中：F為建筑物的外表面積；V為建筑物外表面積所包的體積.

以此為基礎(chǔ)，可得建筑形狀修正系數(shù)為

(9)

式中：L0為建筑物底面周長(zhǎng)；S0為建筑物底面面積.

經(jīng)由類(lèi)似建筑形狀修正系數(shù)等多方面數(shù)據(jù)的采集，可有效提升建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)精度，進(jìn)而提升建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際節(jié)能結(jié)果的擬合程度，使能源利用率得到最大程度地提升.

依據(jù)大量分析測(cè)算結(jié)果，在確定換氣次數(shù)的前提下，可得到建筑結(jié)構(gòu)多指標(biāo)能耗數(shù)據(jù)采集結(jié)果為

E?=p″p?E″

(10)

1.2 建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方案

在基于BIM技術(shù)對(duì)建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中，將BIM建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層，并獲取建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方案智能優(yōu)化流程.選取建筑地點(diǎn)及建筑類(lèi)型，將采集到的建筑能耗相關(guān)數(shù)據(jù)輸入至模擬軟件中，在滿足建筑規(guī)定性標(biāo)準(zhǔn)前提下，采用建筑規(guī)定性指標(biāo)和建筑能耗總量獲取建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)最佳方案.

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和有關(guān)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)能夠經(jīng)BIM信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn).在此將建筑節(jié)能設(shè)計(jì)劃分為數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層兩個(gè)部分，兩者利用具有IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM建筑信息數(shù)據(jù)交換體系完成建筑數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以此保障建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)的持續(xù)性[8-9].本文設(shè)計(jì)的BIM架構(gòu)如圖1所示.

圖1 BIM架構(gòu)Fig.1 BIM architecture

根據(jù)圖1可得到基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方案智能優(yōu)化流程，如圖2所示.圖2中，BIM智能處理單元能夠?qū)⒏黜?xiàng)耗能構(gòu)件屬性的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行修改，并調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)物性參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化計(jì)算，直到建筑節(jié)能滿足當(dāng)前節(jié)能標(biāo)準(zhǔn).其主要步驟為：首先選取建筑地點(diǎn)以及建筑類(lèi)型，接著將υ、l′、t″、建筑H指標(biāo)等參數(shù)輸入至模擬軟件中，得到建筑規(guī)定性指標(biāo)為

A(H)=υl′t″H

(11)

如果建筑規(guī)定性指標(biāo)大于建筑規(guī)定性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，則表示建筑規(guī)定性指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)；反之，則需要重新對(duì)建筑規(guī)定性指標(biāo)進(jìn)行判別.

在不需要對(duì)建筑規(guī)定性指標(biāo)重新判別的情況下，將建筑規(guī)定性指標(biāo)和建筑能耗數(shù)據(jù)采集結(jié)果E?引入能量指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)與否的判斷中，以此得到建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)最佳方案表達(dá)式為

b(k)=AHE??″

(12)

式中，?″為建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的持續(xù)性因子，可進(jìn)一步增強(qiáng)建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定程度.

圖2 建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方案智能優(yōu)化流程Fig.2 Intelligent optimization process of collaborative design scheme for energy-saving building structures

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的可靠性，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于某市中心建筑群，其中多數(shù)為多層與小高層，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的是2017年6月15日至18日(t1)和2017年12月3日至6日(t2)的建筑信息，具體參數(shù)信息如表1所示.參照該市《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并對(duì)該市進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，獲取了具體的建筑基本參數(shù)，如表2所示.為最大程度保證建筑基本參數(shù)的可靠性，在調(diào)研過(guò)程中，采集大量的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取出最優(yōu)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表1 研究對(duì)象的具體參數(shù)Tab.1 Specific parameters for as-investigated object

表2 建筑基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters for buildings

實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)為模擬結(jié)構(gòu)與實(shí)際節(jié)能結(jié)果的擬合程度、建筑節(jié)能持續(xù)性和能源利用率.擬合程度對(duì)比結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同設(shè)計(jì)擬合度對(duì)比Fig.3 Fitting degree comparison between different designs

從圖3中可明顯看出，在與實(shí)際節(jié)能擬合程度上來(lái)看，基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)于基于計(jì)算機(jī)輔助的設(shè)計(jì).基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)際節(jié)能擬合程度曲線不斷上升，且具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性.

根據(jù)建筑面積可以獲得基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù)和基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù).根據(jù)式(12)結(jié)果可知，節(jié)能持續(xù)性系數(shù)是確保建筑節(jié)能穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo).分別對(duì)基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)和基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的節(jié)能持續(xù)性系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到兩種不同設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表3所示.

表3 不同設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison in energy-saving sustainability coefficients in different designs

注：D代表基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù)，L代表基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù).

根據(jù)表3可知，基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù)平均為0.59，基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)節(jié)能持續(xù)性系數(shù)平均為0.982，表示所提設(shè)計(jì)高效改善了當(dāng)前相關(guān)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，優(yōu)越性較強(qiáng).

能源利用率可以檢驗(yàn)出不同建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方案性能優(yōu)良，圖4為兩種不同設(shè)計(jì)的能源利用率對(duì)比.基于計(jì)算機(jī)輔助的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)隨著天數(shù)和建筑面積的增加，能源利用率并不能保持一定的高度，可靠性較低.基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，能源利用率整體較高，且不隨天數(shù)和建筑面積的增加而產(chǎn)生較大變化，可靠性和可實(shí)踐性較強(qiáng).

圖4 不同設(shè)計(jì)能源利用率對(duì)比Fig.4 Comparison in energy utilization ratios by different designs

由此可見(jiàn)，基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際節(jié)能擬合程度、能源利用率較高，且節(jié)能持續(xù)性較強(qiáng)，與當(dāng)前相關(guān)設(shè)計(jì)相比性能更為完善.

3 結(jié) 論

建筑節(jié)能一直是可持續(xù)發(fā)展中的重點(diǎn)內(nèi)容，針對(duì)當(dāng)前相關(guān)方法中存在的問(wèn)題，本文提出基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì).通過(guò)采集建筑形狀修正系數(shù)等各方面信息數(shù)據(jù)，增強(qiáng)設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際節(jié)能的擬合性，同時(shí)使能源利用率盡可能得到提升，使建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)結(jié)果更加完善.利用具有IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM建筑信息數(shù)據(jù)交換體系實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，初步提升建筑節(jié)能持續(xù)性，將持續(xù)性因子引入建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能持續(xù)性的進(jìn)一步提升.實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)性能較為全面，具有可行性.下一步研究主要從以下幾方面考慮：

1)在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)類(lèi)似粒子群算法或遺傳算法等具有尋優(yōu)特質(zhì)的算法找到最優(yōu)節(jié)能方案，使建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)更具可信性；

2)建筑節(jié)能作為當(dāng)前的討論熱點(diǎn)，需要考慮不同建筑的地域性，將尋優(yōu)算法和不同建筑的地域性相結(jié)合，選取出更優(yōu)質(zhì)的節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.