BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中性能分析研究*

林乙玄（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，福建南平 353000）

在經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展下，建筑工程數(shù)量與日俱增，規(guī)模不斷擴(kuò)大，對建筑質(zhì)量的要求也在不斷攀升，因此融入最新興的科學(xué)技術(shù)迫在眉睫。建筑工程需要與現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求相結(jié)合，利用BIM技術(shù)對建筑節(jié)能設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行深入研究，并將節(jié)能設(shè)計(jì)和綠色建筑的理念積極推廣[1]。將BIM技術(shù)引入到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中來，能夠更好地促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，BIM技術(shù)以網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)為引擎，包含不同維度的信息數(shù)據(jù)，將這些同源異構(gòu)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)與關(guān)聯(lián)，隨時(shí)調(diào)取運(yùn)用，能夠?yàn)榻ㄖ慕ㄔO(shè)和運(yùn)營提供良好的支撐。運(yùn)用相關(guān)軟件導(dǎo)入模體來獲得建筑具體信息，才能夠?qū)⒔ㄖ母鱾€(gè)環(huán)節(jié)更好地體現(xiàn)出來，有效解決傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中的弊端，使得建筑整體得到優(yōu)化。

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目基地位于福建省南平市，東側(cè)毗鄰中學(xué)，西臨南平市西橋南路，場地周邊主要分布教學(xué)建筑和學(xué)生公寓及民居住宅建筑，場地西側(cè)和東側(cè)分布一些商業(yè)經(jīng)營建筑。前期調(diào)研分析確定該場地定義為社交、參觀、游覽、健身等功能為一體的社區(qū)活動中心。通過收集編制WEA氣象數(shù)據(jù)文件，使用Ecotect軟件對南平市各朝向太陽輻射進(jìn)行分析對比[2]，以及獲取風(fēng)向玫瑰圖和全年氣候綜合圖，為后期規(guī)劃設(shè)計(jì)做指導(dǎo)。通過分析可得：最優(yōu)朝向?yàn)?62°，最劣朝向?yàn)?2.5°；南平屬于亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候，夏秋季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南季風(fēng)，冬春季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)[3]。

該項(xiàng)目的概念意向分為設(shè)計(jì)意向和技術(shù)意向兩個(gè)部分。在設(shè)計(jì)意向方面，其外部形體為方盒子下的參數(shù)化動態(tài)表皮，內(nèi)部空間為陽光、綠色、透明的尊重性社交空間。在BIM信息協(xié)同技術(shù)支持下，打造綠色節(jié)能建筑。

項(xiàng)目基地周邊現(xiàn)有住宅區(qū)、教學(xué)區(qū)、商業(yè)區(qū)，基于對場地的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)該場地周邊缺少自由、開敞的活動空間，故希望該活動中心的融入能激活周邊業(yè)態(tài)，豐富居民及學(xué)生的日常生活。設(shè)計(jì)以“消隱的邊界”為概念，致力于打造尊重性的社交空間，從功能公共性與服務(wù)公共性入手，通過空間交錯(cuò)營造活潑、豐富的社交體驗(yàn)感。在技術(shù)上，運(yùn)用CadnaA軟件對周邊噪聲進(jìn)行模擬，為前期設(shè)計(jì)做指導(dǎo)，為了增加建筑的采光和自然通風(fēng)，經(jīng)過Ecotect和Phoenics等軟件分析后，建筑內(nèi)部插入風(fēng)筒狀電梯井，形成拔風(fēng)效果，加強(qiáng)被動式通風(fēng)效果，減少建筑能耗。考慮到周邊商業(yè)區(qū)帶來的噪聲以及遮陽的需要，在玻璃幕墻外加入了新型的表皮形式。利用BIM可視化的優(yōu)點(diǎn)，針對閱覽室的采光要求，選擇合適的燈具與燈具排布方式，滿足照度與能耗要求。結(jié)合Pathfinder對觀演報(bào)告廳疏散進(jìn)行模擬，驗(yàn)證是否滿足消防要求。團(tuán)隊(duì)結(jié)合Revit可視化、參數(shù)化等優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)方案中不斷分析與優(yōu)化，希望社區(qū)活動中心能聚集周邊凝聚力與活力，為周邊民眾提供開放、包容、尊重性的社交平臺。BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析，在此項(xiàng)目中能夠得以充分的展現(xiàn)，更好地進(jìn)行可視化圖紙的表達(dá)，以及模擬在自然條件下的聲環(huán)境和光環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)行材料選擇的優(yōu)化和表皮設(shè)計(jì)的優(yōu)化，增加項(xiàng)目特色與創(chuàng)新點(diǎn)。

2 可視化圖紙表達(dá)

2.1 效果圖

工程室外效果圖著重展現(xiàn)光影，室內(nèi)效果圖突出尊重性的交往空間。圖1所示為該項(xiàng)目的室內(nèi)效果圖的可視化表達(dá)與展示，更加清晰地展現(xiàn)了該項(xiàng)目立面的可觀性和市內(nèi)交通的特點(diǎn)，搭配上光影的效果能夠更加真實(shí)地再現(xiàn)項(xiàng)目的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況與交通情況。

圖1 項(xiàng)目工程室內(nèi)效果圖

2.2 平立剖圖

Revit軟件可導(dǎo)出該項(xiàng)目的總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖等，可計(jì)算出該項(xiàng)目用地面積為6820.5m2；建筑面積為14826.5m2；容積率為0.49；綠化率為45.8%。圖2所示為Revit導(dǎo)出的一層平面圖。樓梯房位置沿著樓梯剖切的剖面圖為剖透視圖，通過剖透視圖能夠更加直觀地看出項(xiàng)目形體的構(gòu)造以及交通流線。

圖2 一層平面圖

2.3 分析圖

通過Revit軟件可視化圖紙表達(dá)，可以進(jìn)行體塊分析，首先載入方形體量，在方形體量中植入交通和在內(nèi)置中庭進(jìn)行功能區(qū)域的劃分。通過錯(cuò)層空間，打破樓板之間的隔閡，營造尊重性的交往空間，最后植入表皮來豐富室內(nèi)的光影體驗(yàn)，這一整套的流程就是進(jìn)行的體塊分析。為了打造更加靈活的社交空間，還需要進(jìn)行流線分析，得益于BIM技術(shù)的可視化表達(dá)，這些分析更加直觀準(zhǔn)確。

3 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的性能分析

3.1 場地風(fēng)環(huán)境模擬

場地風(fēng)環(huán)境模擬利用Phoenics，對場地風(fēng)壓和風(fēng)速進(jìn)行模擬。圖3、圖4分別為該建筑夏季的背風(fēng)面和迎風(fēng)面風(fēng)壓圖。由圖3、圖4可得：夏季室外平均風(fēng)速條件下，建筑前后壓差基本大于2Pa，有利于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自然通風(fēng)。在綠建規(guī)范中規(guī)定，建筑周圍人行區(qū)風(fēng)速小于5m/s[4]，最適宜室外行走、活動舒適和建筑自然通風(fēng)，結(jié)合南平地區(qū)風(fēng)速和風(fēng)向條件，可發(fā)現(xiàn)建筑周邊風(fēng)速舒適度較高，場地風(fēng)環(huán)境條件較為優(yōu)越。

圖3 夏季背風(fēng)面風(fēng)壓圖

圖4 夏季迎風(fēng)面風(fēng)壓圖

3.2 噪聲模擬

利用Revit與CadnaA軟件結(jié)合，對場地噪聲進(jìn)行模擬，指導(dǎo)功能分區(qū)。指導(dǎo)該方案的功能分區(qū)布置，將需要安靜的功能，例如閱覽室放置于東北角，打造更加舒適安靜的閱讀環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍。

3.3 光環(huán)境模擬

光環(huán)境模擬指的是利用Revit對各層平面照度進(jìn)行模擬，由Revit中的照度渲染計(jì)算得出開條形窗的平面照度。進(jìn)行建筑轉(zhuǎn)角不開窗的空間照度模擬以及建筑轉(zhuǎn)角開條形窗的空間照度模擬，通過對比擇優(yōu)，使得各個(gè)功能房間的室內(nèi)采光條件得到了一定程度的改善，優(yōu)化視覺感受與交流空間的使用體驗(yàn)。對比建筑轉(zhuǎn)角不開窗的空間照度模擬與建筑轉(zhuǎn)角開條形窗的空間照度模擬，進(jìn)行合理開窗。另外，再進(jìn)行人工照明優(yōu)化，利用Revit與DIALux軟件結(jié)合，分析夜間不同燈具閱覽室照度建筑材料優(yōu)化，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱進(jìn)行分析。對比了LEP09070002鵬輝-60+100、MZ1200-D152明眾840、LED燈盤4000K-舒適型三種不同的燈具，在2.5m×0.8m與2.5m×1.5m兩種間距下，分別對比照度分布平面圖、照度分布立體圖、評價(jià)是否適用。最終得出結(jié)論，間距2.5m×1.5m能夠滿足照明規(guī)范的要求。明眾840燈具耗能較大，Led燈盤舒適性耗能較小，且能滿足照度要求。

3.4 建筑材料優(yōu)化

利用Revit與Ecotect軟件結(jié)合，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱進(jìn)行分析[5]。結(jié)合本項(xiàng)目，擬在其他條件不變的條件下，通過對比不同墻體保溫材料，選擇較為節(jié)能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。對XPS保溫墻、聚氨酯泡沫保溫墻、空氣夾層保溫墻三種不同的材料，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱百分比的比較。得出數(shù)據(jù)如下，XPS保溫墻得熱5%，失熱65.5%；聚氨酯泡沫保溫墻得熱4.7%，失熱53.5%，空氣夾層保溫墻得熱4.3%，失熱47.10%。各方案總能源消耗量如下：XPS保溫墻能量消耗量為440.27kW/h，聚氨酯泡沫保溫墻能量消耗量為419.531kW/h，空氣夾層保溫墻能量消耗量為409.972kW/h。對比可知：空氣夾層保溫墻結(jié)構(gòu)失熱百分比最低，其保溫效果最好，節(jié)能效果最佳。

3.5 建筑表皮優(yōu)化

Revit與Grasshopper結(jié)合，可進(jìn)行建筑的參數(shù)化表皮優(yōu)化。建筑一層由建筑自身形體提供足夠的遮陽效果，在二到五層玻璃幕墻外覆以穿孔鋁板做表皮，并根據(jù)不同功能房間所需的采光條件控制穿孔鋁板的開合角度，從而營造室內(nèi)動態(tài)的光影效果，滿足室內(nèi)采光的不同需求。通過控制窗之間的間距、控制窗的旋轉(zhuǎn)角度、控制窗框的寬度、控制孔洞的數(shù)量、控制圓洞的開窗半徑，營造室內(nèi)動態(tài)的光影效果，優(yōu)化最佳開窗位置。接著對比不同規(guī)格對光環(huán)境的影響，利用Revit對不同工況下表皮模擬分析，選擇最優(yōu)解。對表皮的傾斜角度設(shè)置為45°和60°，空洞大小設(shè)置為20mm和30mm，并將其進(jìn)行光環(huán)境模擬，選擇最優(yōu)的表皮方案，如圖5所示。

圖5 Revit對不同工況下表皮的模擬分析

由圖5可知：方案一照度過小，房間偏暗，遮陽效果很好，方案四亮度偏大，但遮陽效果不佳，方案二與方案三效果相近，出于對形體的考慮，最終選擇方案二最為表皮。圖6、圖7所示為建筑周圍均以通透的玻璃幕墻覆蓋下的空間照度模擬以及建筑體量覆以穿孔鋁板表皮后的空間照度模擬。以建筑三層為例，由Revit中的照度渲染計(jì)算得出覆以穿孔鋁板表皮后的建筑室內(nèi)照度圖，可以看出各個(gè)功能房間的室內(nèi)采光條件得到了一定程度的改善，優(yōu)化建筑內(nèi)部的光影感和使用感體驗(yàn)。

圖6 通透的玻璃幕墻覆蓋下空間照度模擬

另外，項(xiàng)目建筑內(nèi)部利用交通核形成拔風(fēng)筒，形成拔風(fēng)效應(yīng)[6]，加強(qiáng)自然通風(fēng)，增強(qiáng)人體舒適度，降低建筑能耗，優(yōu)化室內(nèi)風(fēng)環(huán)境。

圖7 穿孔鋁板表皮覆蓋下空間照度模擬

4 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

項(xiàng)目利用了多個(gè)軟件，例如Revit、Ecotect、CadnaA、Phoenics、SU、CAD、Lumion、Photoshop、DIALux、Pathfinder等，應(yīng)用面廣泛，應(yīng)用于場地前期分析、聲環(huán)境、熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、疏散模擬、建筑表皮等。多個(gè)不同維度軟件的應(yīng)用能夠很好地解決多個(gè)維度同源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化問題，更加全面地細(xì)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，協(xié)同多個(gè)軟件的應(yīng)用，能夠讓設(shè)計(jì)少出錯(cuò)，設(shè)計(jì)的初期檢查出問題所在，從而降低成本和不必要的設(shè)計(jì)失誤。又能提高效率，可以協(xié)同多個(gè)軟件，無接縫的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，縮短了整個(gè)建筑建造的時(shí)間。使得可視化，通過使用高分辨率的可視化性能可看到非常早期的建模形態(tài)和設(shè)計(jì)輪廓。使得參見各方都能夠清晰地知曉項(xiàng)目的特點(diǎn)，有利于不同專業(yè)的工作人員進(jìn)行溝通和交流，有助于決策。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新亮點(diǎn)在于：①設(shè)計(jì)初期的方案階段，用Ecotect分析場地現(xiàn)有環(huán)境條件，在前期規(guī)劃階段為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，使得建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的分析更加因地制宜，基于實(shí)地的環(huán)境條件；②功能排布階段，用CadnaA和Phoenics分析場地現(xiàn)有的聲環(huán)境條件和風(fēng)環(huán)境條件，為功能的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；③針對圖書館對于采光和聲環(huán)境要求比較高的特點(diǎn)，運(yùn)用DIAlux對室內(nèi)照度進(jìn)行模擬，具體優(yōu)化燈具的型號及排布方式，在節(jié)能的基礎(chǔ)上滿足照度要求。同時(shí)，經(jīng)過多方對比，選擇最優(yōu)的室內(nèi)照度，通過篩選燈具的型號及排布方式，提高經(jīng)濟(jì)性；④鏤空鋁板表皮的應(yīng)用：運(yùn)用Grasshopper對表皮的傾斜角度，孔洞大小分別進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境；⑤優(yōu)化室內(nèi)消防疏散，選取觀演報(bào)告廳為對象，運(yùn)用Pathfinder模擬室內(nèi)人員疏散情況，驗(yàn)證疏散口是否滿足消防安全距離。

5 結(jié)語

通過活動中心的項(xiàng)目，BIM技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能性能設(shè)計(jì)的優(yōu)勢不言而喻，它能夠清晰地進(jìn)行可視化圖紙的表達(dá)，展現(xiàn)平、立、剖等效果圖，亦能有助于進(jìn)行結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)中的性能分析，包括場地風(fēng)環(huán)境模擬、噪聲模擬、光環(huán)境模擬、建筑材料優(yōu)化、建筑表皮優(yōu)化、綠色建筑等方面。從熱工性能來說，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能遠(yuǎn)不能達(dá)到我國節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。在建筑節(jié)能改造領(lǐng)域，BIM技術(shù)大有可為。針對很多老式建筑保溫性能差，氣密性不佳，漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，BIM技術(shù)都可以找到原始圖紙，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，查找圖紙疏漏，不斷完善建筑節(jié)能方面的改造，通過計(jì)算各朝向窗戶的面積、形體系數(shù)等指標(biāo)來判斷建筑是否滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，及時(shí)修改優(yōu)化方案，使之滿足遮光、采光、遮陽、通風(fēng)和建筑能耗的相關(guān)要求，并對比不同方案在建筑美學(xué)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，打造優(yōu)化的節(jié)能設(shè)計(jì)方案。