BIM技術(shù)助力于建筑節(jié)能化發(fā)展

李光輝 李曉杰 龍正熠 鄧滔文

南華大學(xué) 土木工程學(xué)院

0 引言

近年來，全球氣候升溫，極端天氣頻發(fā)，圖1[1］統(tǒng)計的1990-2020 年我國地表年平均氣溫距平，顯示1951-2020 年中國地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫速率為0.26 ℃/10 年。近20 年是20世紀(jì)初以來的最暖時期，1901 年以來的10 個最暖年份中，除1998 年，其余9 個均出現(xiàn)在21 世紀(jì)。減少溫室氣體的排放、應(yīng)對環(huán)境危機(jī)已刻不容緩，我國更是制定了力爭在2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。而“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的主要著力點(diǎn)在于減少建筑業(yè)的碳排放[2］，建筑節(jié)能化發(fā)展對緩解天氣環(huán)境惡化、減少建筑碳排放具有重要意義。

此外，隨著建筑結(jié)構(gòu)、功能、形式的多樣化發(fā)展，建筑節(jié)能對原本就復(fù)雜的建筑過程中的核算要求更加嚴(yán)格，然而建筑技術(shù)也發(fā)生了革命性的變化，BIM技術(shù)助力于建筑節(jié)能化發(fā)展，使得建筑節(jié)能化發(fā)展有了更多的可能性。BIM應(yīng)用現(xiàn)已貫穿建筑的設(shè)計、施工到運(yùn)行維護(hù)、后續(xù)改造直至拆除的全生命周期，實(shí)現(xiàn)了更直觀的從建筑全生命周期角度考量建筑的價值，有效整合建筑過程中的資源，實(shí)現(xiàn)了建筑過程中的各個參與方真正意義上的協(xié)同，促進(jìn)了建筑節(jié)能化發(fā)展。

1 BIM技術(shù)及建筑節(jié)能

1.1 BIM技術(shù)概述及其優(yōu)勢

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型，是指在營建設(shè)施(包括建筑物、橋梁、道路、隧道等)的生命周期中，創(chuàng)建與維護(hù)營建設(shè)施產(chǎn)品數(shù)字信息及其工程應(yīng)用的技術(shù)。BIM 技術(shù)具有協(xié)同性、可視化、模擬性、優(yōu)化性、節(jié)約成本等優(yōu)勢。協(xié)同性是指BIM 已集成建模、造價分析、能耗分析等一套完整的軟件，可實(shí)現(xiàn)一模多用，使建筑各專業(yè)、各階段的交流更簡潔有效，也使得整個建筑過程中的資源更有效分配（如圖2）。可視性是指BIM 可以建立各階段的三維模型，且模型可通過渲染得到更實(shí)際的觀感（如圖3、圖4）。模擬性、優(yōu)化性、節(jié)約成本是在通過預(yù)演建筑的設(shè)計、施工、節(jié)能改造等各個階段、各個環(huán)節(jié)并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的過程中體現(xiàn)的。BIM 現(xiàn)已不再局限于3D實(shí)體模型，4D-進(jìn)度、5D-造價、6D-碳排、7D-運(yùn)維等也已在國內(nèi)逐漸推廣、應(yīng)用，且還在不斷地向nD 發(fā)展。

圖2 BIM集成軟件圖

圖3 REVIT 模型圖

圖4 Enscape渲染圖

1.2 建筑節(jié)能概述

建筑節(jié)能是指在建筑材料生產(chǎn)、房屋建筑和構(gòu)筑物施工及使用過程（即設(shè)計、施工、運(yùn)維）中，滿足同等需要或達(dá)到相同目的條件下，盡可能降低能耗。在建筑的全生命周期內(nèi)，建筑節(jié)能的體現(xiàn)主要集中在設(shè)計、施工階段及后續(xù)可能的建筑改造。設(shè)計階段的建筑節(jié)能主要通過應(yīng)用空心砌塊、相變材料透氣混凝土等節(jié)能材料及太陽能煙囪、熱泵、種植屋面等被動式節(jié)能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。施工階段的建筑節(jié)能主要是通過優(yōu)化施工技術(shù)、加強(qiáng)資源消耗管理、合理安排施工順序[3］等來實(shí)現(xiàn)。既有建筑改造的建筑節(jié)能主要是對建筑能耗高的部分替換應(yīng)用節(jié)能技術(shù)、節(jié)能材料，以降低建筑能耗。

傳統(tǒng)建筑技術(shù)無法對節(jié)能材料、節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行量化分析，而BIM 技術(shù)可以對多個節(jié)能設(shè)計方案從節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行綜合評估節(jié)能效果，最終得到最優(yōu)設(shè)計、施工、改造方案，BIM技術(shù)極大地促進(jìn)了建筑節(jié)能化發(fā)展。

2 BIM技術(shù)在建筑節(jié)能的應(yīng)用

2.1 BIM在設(shè)計階段中的節(jié)能應(yīng)用

在設(shè)計階段，可利用BIM 進(jìn)行多方案參數(shù)化建模，通過BIM 集成軟件對不同專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行碰撞檢查，避免繪圖上的沖突，BIM在設(shè)計階段最重要的應(yīng)用是可以對設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)、能耗、造價等進(jìn)行分析，綜合分析方案的可行性。

周琦等[4］將BIM 在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用分為采光分析，室內(nèi)外風(fēng)模擬，日照、朝向分析，熱工分析，太陽輻射分布分析等五個方面，逐點(diǎn)說明BIM 可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的模擬、計算，有效降低成本，提高效率。

王文韜等[5］首先綜述了BIM 的發(fā)展現(xiàn)狀，爾后結(jié)合具體實(shí)例介紹了Ecotect Analysis 軟件在設(shè)計階段對建筑的風(fēng)環(huán)境、室內(nèi)光熱環(huán)境、最佳朝向等進(jìn)行模擬分析，并針對模擬結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能設(shè)計方案。

武琳等[6］介紹了BIM 技術(shù)在裝配式建筑的節(jié)能應(yīng)用，裝配式建筑墻體接縫處理是其降低建筑能耗的重要途徑，且多層裝配式住宅存在體型復(fù)雜、戶型單一、工業(yè)化體系不完全等問題，BIM技術(shù)可助力于裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，提高工作質(zhì)量、工作效率，從而降低造價。

2.2 BIM在施工階段的節(jié)能應(yīng)用

BIM技術(shù)在施工階段的節(jié)能化應(yīng)用主要體現(xiàn)在場地、成本、進(jìn)度、質(zhì)量管理及信息交流等方面，使各專業(yè)在施工階段可實(shí)現(xiàn)信息共享，協(xié)同工作，還可避免在施工過程中出現(xiàn)時間或空間上的沖突，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度精細(xì)化管控。

崔現(xiàn)沅[7］介紹了BIM 在施工管理中的應(yīng)用，其中建筑節(jié)能有所體現(xiàn)的有工程設(shè)計優(yōu)化、施工模擬、物料跟蹤、成本分析、工程進(jìn)度、質(zhì)量等方面，可實(shí)現(xiàn)節(jié)地、節(jié)材、節(jié)時等。

張濤等[8］以某大型裝配式三甲醫(yī)院為工程實(shí)例，應(yīng)用BIM 技術(shù)，對現(xiàn)場臨建布置、場地道路、材料堆放、加工區(qū)、機(jī)械設(shè)備布置等進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃，對施工耗材進(jìn)行動態(tài)化管理，即用即供，既滿足了施工需要，又減少了占地。BIM 技術(shù)應(yīng)用于施工中實(shí)現(xiàn)了節(jié)地、節(jié)材、節(jié)能、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)等目標(biāo)。

2.3 BIM在既有建筑改造中的節(jié)能應(yīng)用

老舊建筑在我國占比較大，且普遍存在能耗高、居住舒適性差等問題，急需對其進(jìn)行改造，而如何實(shí)現(xiàn)老舊建筑在其“半生命周期”內(nèi)合理改造是其主要的問題，BIM技術(shù)就很好地解決了這一問題。

彭靖[9］、于波[10］認(rèn)為對老舊住宅節(jié)能改造主要集中在外墻、外窗、屋面、樓梯間、單元門，及結(jié)合可再生能源的利用等方面，利用BIM 對老舊住宅建筑進(jìn)行建模，導(dǎo)入到節(jié)能分析軟件，對其聲光環(huán)境、日照分析、建筑通風(fēng)、能耗計算、暖通負(fù)荷、住宅熱環(huán)境等進(jìn)行綜合分析，制定改造方案，再次模擬，對比效果，不斷優(yōu)化設(shè)計方案。

張學(xué)順等[11］以某小區(qū)為例，對其進(jìn)行BIM 建模模擬能耗，發(fā)現(xiàn)屋頂、外墻、可開啟面積、外窗氣密性及綜合權(quán)衡均不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求，對其制定了3 套改造方案，對比不同方案的節(jié)能效果及投資回收期，綜合對比得出最優(yōu)改造方案。馬樂原等[12］也得出了相似的結(jié)論，通過對魯中地區(qū)典型農(nóng)宅的綜合能耗模擬，發(fā)現(xiàn)合院式布局農(nóng)宅是最佳的布局形式，在既有建筑節(jié)能改造中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是其節(jié)能改造的關(guān)鍵，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造集中于對屋頂和外窗的改造。

Sy-Jye Guo 等[13］以某建筑為例，首先對現(xiàn)有大樓進(jìn)行建模模擬能耗并驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，然后對其設(shè)計了多種改造方案進(jìn)行模擬分析，不斷優(yōu)化改造方案，但Sy-Jye Guo 發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮成本因素時，最節(jié)能的設(shè)計方案并非成本最低，認(rèn)為節(jié)能效益必須與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合來綜合考慮。

另外，BIM 與其他技術(shù)結(jié)合更具優(yōu)勢。BIM 與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合可以獲得真實(shí)三維環(huán)境感覺，與GIS軟件集成可以更好地規(guī)劃城市內(nèi)部綠化及外部與自然環(huán)境的融合。然而，BIM 與建筑節(jié)能化發(fā)展也各存在一定的不足，如BIM 基礎(chǔ)建模過程煩瑣、復(fù)雜，綠色建材評價標(biāo)準(zhǔn)及綠色體系不完善，綠色建材市場發(fā)展不成熟，還需進(jìn)一步完善。

3 結(jié)論

1）BIM 技術(shù)在建筑的設(shè)計、改造階段的節(jié)能體現(xiàn)可歸結(jié)為如圖5所示。

圖5 BIM技術(shù)在建筑設(shè)計、改造階段的節(jié)能體現(xiàn)

2）BIM 技術(shù)在建筑施工階段的節(jié)能體現(xiàn)可歸結(jié)為如圖6所示。

圖6 BIM技術(shù)在建筑施工階段的節(jié)能體現(xiàn)