基于BIM技術(shù)的廣西某高校公共建筑外墻隔熱性能模擬研究

□ 李程程 魏 煒 彭 來(lái)

我國(guó)的建筑能耗約占世界建筑總能耗的35%[1]，其中，公共建筑物不僅能耗高而且能源利用率低，在建筑業(yè)中能耗占比較大[2]。相關(guān)調(diào)查研究指出，現(xiàn)今建筑外墻熱量消散問(wèn)題在所有建筑問(wèn)題中占據(jù)非常高的比例，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能好壞對(duì)建筑節(jié)能、建筑暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)、室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量高低等均有重要影響[3]。近年來(lái)，隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，高校公共建筑的需求越來(lái)越大，能耗問(wèn)題也日益突出[4]，因此研究和解決高校公共建筑的能耗問(wèn)題十分必要。

由于外墻的構(gòu)造形式多，選用的節(jié)能保溫技術(shù)復(fù)雜[5]，這對(duì)傳統(tǒng)的外墻的熱工性能評(píng)價(jià)帶來(lái)很大的困難。因此，應(yīng)嘗試將BIM技術(shù)引入能耗計(jì)算中，主動(dòng)提取三維模型中的關(guān)鍵信息，快速準(zhǔn)確模擬評(píng)估建筑節(jié)能性能。本文以廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院昆侖校區(qū)交通實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目為例，采用BIM技術(shù)對(duì)路橋建筑樓外墻的隔熱性能進(jìn)行定量評(píng)估。

1 ??外墻隔熱性能評(píng)價(jià)理論

1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

建筑物隔熱是減少室內(nèi)高溫和太陽(yáng)輻射的有效方法，主要通過(guò)提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能實(shí)現(xiàn)限制溫度上升的目標(biāo)，保持室內(nèi)的溫度，進(jìn)而提升室內(nèi)的體感舒適度。對(duì)于外墻隔熱性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目前根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）的相關(guān)要求，以外墻內(nèi)表面最高溫度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)判。對(duì)于需要空調(diào)調(diào)節(jié)的房間，在給定外墻兩側(cè)空氣溫度及變化規(guī)律的情況下，重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度不能高于室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)2℃，輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度不能高于室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)3℃[6]30。

1.2 評(píng)價(jià)理論

熱量在外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳遞時(shí)，會(huì)因?yàn)楸煌鈮ξ铡鬟f、散出而發(fā)生改變，外墻的隔熱性能會(huì)對(duì)熱量的傳遞產(chǎn)生一定的影響。評(píng)價(jià)外墻的隔熱性能好壞，主要是以熱量經(jīng)過(guò)外墻后對(duì)內(nèi)表面產(chǎn)生的溫度進(jìn)行衡量，按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）規(guī)定，其主要的計(jì)算理論[6]45主要如下：

（1）對(duì)于建立常物性、無(wú)內(nèi)熱源的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的內(nèi)部微分方程，微分方程的求解可采用有限差分法：

α：材料的導(dǎo)溫系數(shù)，

（2）對(duì)于建立第三類邊界條件隱式差分格式邊界節(jié)點(diǎn)方程（邊界節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)n可參照）：

式中，Cp：材料的比熱， J /（kg·K）；

ρ：材料的密度，kg/m3；

α：材料的導(dǎo)溫系數(shù)，

Δx：差分步長(zhǎng)，m；

λ：材料的導(dǎo)熱系數(shù)，［W/（m·K）］；

：對(duì)流換熱溫度，℃。

（3）對(duì)于各內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和邊界點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)方程，并求解節(jié)點(diǎn)方程組得到外墻、屋頂內(nèi)表面溫度值。

式中，ti：差分節(jié)點(diǎn)溫度值，℃。

2 ??工程案例

2.1 工程概況

本次研究的工程案例項(xiàng)目為廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院昆侖校區(qū)實(shí)訓(xùn)樓建設(shè)項(xiàng)目，位于廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院昆侖校區(qū)校園內(nèi)。本項(xiàng)目規(guī)劃總用地面積63951.26m2，總建筑面積66354.36m2,計(jì)算容積率建筑面積63527.67m2，占地面積17834.95m2，由2棟實(shí)訓(xùn)樓組成。汽車、軌道實(shí)訓(xùn)樓共7層，建筑高度23.6m，路橋建筑實(shí)訓(xùn)樓共8層，建筑高度33.5m，結(jié)構(gòu)類型都為框架結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目所在氣候區(qū)為夏熱冬暖區(qū)，外墻太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)為0.75。本次研究?jī)H選用路橋建筑實(shí)訓(xùn)樓，一層平面圖和三維模型圖分別見(jiàn)圖1和圖2。

2.2 外墻材料及參數(shù)

根據(jù)廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院昆侖校區(qū)實(shí)訓(xùn)樓建設(shè)項(xiàng)目路橋建筑樓實(shí)訓(xùn)樓施工圖方案，本次研究所用的工程案例采用的材料類型見(jiàn)表1，表1中有關(guān)材料的性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于《廣西壯族自治區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ 45/029—2016）。

表1 工程案例外墻材料性能及參數(shù)

2.3 空氣室內(nèi)外溫度

2.3.1 室外溫度

夏季室外計(jì)算參數(shù)值應(yīng)為歷年最高日平均溫度中的最大值所在日的室外溫度逐時(shí)值[7]。本次研究按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）配套軟件氣象數(shù)據(jù)取用，詳見(jiàn)表2，逐時(shí)曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3 南寧區(qū)夏季室外溫度逐時(shí)曲線圖

表2 南寧夏季室外溫度逐時(shí)表

2.3.2 室內(nèi)溫度

本次研究的室內(nèi)溫度根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）第3.3.2條的規(guī)定取26℃。

2.4 室外太陽(yáng)輻射照度

室外太陽(yáng)輻射照度采用地球表面法向太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度，包括直射和散射。夏季各朝向室外太陽(yáng)輻射逐時(shí)值應(yīng)為與溫度逐時(shí)值同一天的各朝向太陽(yáng)輻射逐時(shí)值[8]。本次研究按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）配套軟件氣象數(shù)據(jù)取用，見(jiàn)表3，各朝向室外太陽(yáng)輻射照度時(shí)刻曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4 各朝向室外太陽(yáng)輻射照度時(shí)刻曲線圖

表3 項(xiàng)目所在區(qū)域室外太陽(yáng)輻射照度（W/m2）

2.5 BIM軟件及建模

本次研究使用的BIM軟件是能耗計(jì)算BESI。能耗計(jì)算BESI軟件[9]由北京綠建軟件有限公司開(kāi)發(fā)，用于建筑節(jié)能與能耗計(jì)算的專業(yè)軟件，以三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)導(dǎo)入項(xiàng)目所在區(qū)域系一列的相關(guān)數(shù)據(jù)后，可以模擬計(jì)算出建筑能耗相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出節(jié)能率，如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目案例三維圖導(dǎo)入BIM軟件模型

在本次研究中，通過(guò)Revit軟件構(gòu)建工程案例的三維模型，然后以gbXLM的格式輸出，再導(dǎo)入能耗計(jì)算BESI中，計(jì)算建筑的墻窗的面積比、外墻結(jié)構(gòu)的保溫性能、外墻的熱阻、建筑體形系數(shù)、光氣候地區(qū)以及內(nèi)表面的最高溫度等數(shù)據(jù)，跟規(guī)范要求對(duì)比得出結(jié)論。

2.6 模擬計(jì)算結(jié)果

將模型及參數(shù)導(dǎo)入計(jì)算軟件，經(jīng)過(guò)運(yùn)行得到各朝向不同時(shí)段的外墻表面溫度，對(duì)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4，外墻各方向不同時(shí)刻溫度曲線圖見(jiàn)圖6。

2.7 結(jié)果分析

根據(jù)表1可知，工程案例外墻構(gòu)造熱惰性指標(biāo)為3.328，為重質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其空調(diào)房間內(nèi)表面最高溫度允許極限為在室內(nèi)溫度的基礎(chǔ)上提升2℃，故本次研究外墻的內(nèi)表面溫度限制值為28℃。根據(jù)表4和圖6模擬計(jì)算結(jié)果可知，工程案例東、西、南、北向的內(nèi)表面溫度都沒(méi)有超過(guò)限制溫度28℃，說(shuō)明都滿足《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）的相關(guān)要求。

表4 工程案例外墻各方向不同時(shí)段內(nèi)表面溫度計(jì)算結(jié)果（℃）

圖6 外墻各方向不同時(shí)刻溫度曲線圖

由表3可知，一天中太陽(yáng)的輻射照度峰值為9∶00—10∶00，室外溫度峰值在14∶00—17∶00，外墻內(nèi)表明溫度峰值在19∶00—20∶00，具有2h～5h的延后，說(shuō)明工程案例的外墻熱惰性性能比較好。

3 ??結(jié)論

（1）公共建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體量較大，其熱工性能的計(jì)算比較復(fù)雜，采用BIM技術(shù)來(lái)進(jìn)行信息提取及計(jì)算，能高效率地進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）本次研究以廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通實(shí)訓(xùn)基地路橋建筑樓為工程案例進(jìn)行模擬計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，該建筑物能夠符合《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）中有關(guān)熱工性能的要求。