基于信息化技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計研究

建筑業(yè)耗能占據(jù)社會總能耗較大比例。為節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能建筑應(yīng)運而生，從設(shè)計到施工全周期，為人們提供適用、健康使用空間。特別是在信息化背景下，利用計算機輔助建筑設(shè)計成為必然，能夠提高建筑節(jié)能設(shè)計效果?；诖?，本文簡要闡述了建筑節(jié)能設(shè)計信息技術(shù)優(yōu)勢，提出信息技術(shù)應(yīng)用措施，以期為相關(guān)工作者提供參考。

一、引言

在地球環(huán)境日益惡劣、資源日益枯竭下，頻繁自然災(zāi)害與極端氣候成為常態(tài)，呼吁低碳、節(jié)能成為主流。建筑業(yè)能耗較大，對環(huán)境影響較大，必須探尋節(jié)能建筑設(shè)計，利用自然資源，結(jié)合生態(tài)學(xué)、建筑學(xué)理念，打造和諧高效、環(huán)境友好的建筑。因此，建筑節(jié)能設(shè)計中，可采取BIM信息化技術(shù)，解決建模重復(fù)、傳遞信息斷層、專業(yè)協(xié)同不足問題，優(yōu)化建筑設(shè)計質(zhì)量，從而滿足學(xué)生學(xué)習(xí)、生活空間需求。

二、建筑節(jié)能設(shè)計信息化技術(shù)的優(yōu)勢

（一）協(xié)同設(shè)計

建筑作為跨階段、跨學(xué)科綜合設(shè)計過程，需要綠建咨詢師、建筑師、業(yè)主、景觀工程師、暖通工程師及時溝通，統(tǒng)一節(jié)能理念，利用BIM信息技術(shù)能夠共享模型，實現(xiàn)建筑內(nèi)外聯(lián)系，及時跟蹤整改設(shè)計方案。例如，教學(xué)樓安裝節(jié)能窗戶，夏天通風(fēng)遮陽、保溫性能高，需聯(lián)系設(shè)備專業(yè)人員減少空調(diào)設(shè)備，降低能耗。

（二）方案對比

常規(guī)建筑節(jié)能模擬性能分析中，需要專業(yè)人員手工錄入數(shù)據(jù)，利用性能分析軟件建模，如果修改方案，還要重新校對數(shù)據(jù)，浪費諸多人力物力。而采取信息化技術(shù)能夠直接將材料、構(gòu)件、幾何數(shù)據(jù)錄入模型，將其轉(zhuǎn)換成gxml格式即可獲得分析結(jié)果。高校建筑即便修改方案，模型參數(shù)也隨之修改，加強各方案對比，選擇最佳方案，達(dá)到節(jié)能設(shè)計效果。

三、建筑節(jié)能設(shè)計信息化技術(shù)應(yīng)用措施

（一）搭建軟件平臺

在建筑節(jié)能設(shè)計中，需結(jié)合工程情況采取恰當(dāng)信息化技術(shù)，如BIM和VR技術(shù)等。BIM軟件可以為核心建模軟件，以分析建筑節(jié)能性能，功能較為完善，接口簡單易學(xué)，學(xué)習(xí)資源較多。而VR軟件可選用，開啟VR功能能夠?qū)崟r渲染場景，資源庫較為豐富，覆蓋常用室內(nèi)外建筑材料，配景物體3455種，植物覆蓋南北各地，支持多種3D軟件，體驗感良好。

（二）場地氣候分析

在節(jié)能建筑設(shè)計中，需要分析場地氣候，利用BIM軟件Weather Tool將氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像，助力建筑師了解場地氣象數(shù)據(jù)。還可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換焓濕圖，直觀了解熱舒適區(qū)，基于被動式設(shè)計，確定模擬場地全面各朝向的太陽輻射情況，根據(jù)過冷期、過熱期太陽輻射熱量，計算最佳建筑朝向。以某長春高校工程為例，最佳朝向是南偏西10°，南偏東30°，適宜朝向南偏西45°和南偏東45°，不宜朝西北、東北、北向。

（三）優(yōu)化場地設(shè)計

在場地設(shè)計中，為保證建筑與周圍環(huán)境構(gòu)成有機整體，達(dá)到最佳場地利用狀態(tài)，發(fā)揮最大效益，以往設(shè)計師根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，涉及要素較多，存在一定偏差。而信息化技術(shù)下，采取BIM技術(shù)，能夠構(gòu)建場地模型，優(yōu)化場地設(shè)計。

1.場地建模

建筑設(shè)計中，BIM模型基于三維數(shù)字技術(shù)開展建模，需要創(chuàng)建高程模型，利用Revit等軟件，設(shè)置“絕對標(biāo)高”數(shù)值，導(dǎo)入DGN或DWG格式數(shù)據(jù)，以導(dǎo)入點文件方式，創(chuàng)建地形表面。對于周圍現(xiàn)有建筑、樹形密度、植物層次等，則利用無人機攝影測量和無人機掃描方式，結(jié)合GPS和全站儀確定坐標(biāo)控制點，形成建筑外形。

2.場地分析

考慮高校建筑設(shè)計中，場地存在不平整情況，借助BIM模型能夠分析場地朝向、高程、排水、坡度等，選擇滿足排水防洪、采光良好場地進行布局規(guī)劃。例如，高校建筑高程分析中，可采取Civil3D軟件，在地形曲面特性中，設(shè)定高程分析最值、條件、分組數(shù)等，掌控場地高程差、高程變化，為整體建筑布局提供支持。

（四）建筑節(jié)能設(shè)計

1.建筑體型

高校發(fā)展下，建筑外形不再是簡單方形體，要求其美觀實用的同時，具備精神象征，成為高校標(biāo)識，對于復(fù)雜建筑需考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形體合理性，采取體型設(shè)計，達(dá)到節(jié)能目的。在Revit軟件中，自適應(yīng)功能可將若干構(gòu)件建模、定位載入構(gòu)件族，將其逐一與目標(biāo)點對應(yīng)，形成新幾何構(gòu)件，做出具有規(guī)律的表皮或體量效果，或疊加參數(shù)變化，迅速高效建模?？梢暬O(shè)計中，視點能夠隨意變換角度，不僅方便局部觀察，也能在相同主題模型內(nèi)，實現(xiàn)多個局部方案設(shè)計，隨時對比切換。并利用VR技術(shù)分析光影、流線、材質(zhì)、空間尺度、家具擺放等，展示渲染效果，有助于設(shè)計師進行判斷。

2.平面布局

在建筑設(shè)計前期調(diào)研周圍環(huán)境與場地后，利用BIM技術(shù)可分析數(shù)據(jù)，模擬通風(fēng)與日照，消除微環(huán)境不利因素的同時，實現(xiàn)能源、聲、熱、光利用最大化，改善建筑性能。

（1）模擬風(fēng)環(huán)境。在節(jié)能建筑設(shè)計中，結(jié)合高校周圍情況，提取室外風(fēng)壓數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入BIM軟件，分析室內(nèi)通風(fēng)模型，構(gòu)建STL或SAT格式數(shù)據(jù)，劃分計算網(wǎng)絡(luò)，確定開口風(fēng)壓數(shù)據(jù)。同時，設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)、輻射、溫度等參數(shù)，涉及K-E湍流模型及收斂條件，進而模擬，保證自然通風(fēng)符合節(jié)能建筑的“每小時換氣兩次數(shù)”要求。

（2）模擬光環(huán)境。學(xué)生長期處于高校教室中，光環(huán)境對其身心健康、學(xué)習(xí)效率具有直接影響。一是自然采光設(shè)計，利用Ecotect Analysis軟件，導(dǎo)出gbXML的BIM文件，包含地理位置、窗戶材質(zhì)等一系列數(shù)據(jù)，構(gòu)建天空模型，考慮周圍遮擋物，開展模擬計算。建筑室凈高越高，采光越好，不影響室內(nèi)外空間基礎(chǔ)上，減少教室進深，增加房間凈高，優(yōu)化自然采光，能夠降低建筑能耗。二是可視度設(shè)計，節(jié)能建筑平面布局中，需要計算可視面積，確定可視視野，尤其是學(xué)生長期處于教室學(xué)習(xí)，必須改善其視覺體驗，減少近視幾率。模擬光環(huán)境獲得自然采光系數(shù)、照度分布圖，確定窗口尺寸、開窗形式，結(jié)合燈具性能設(shè)定，可優(yōu)化人工照明，減少眩光光照，節(jié)省資源。

（3）模擬熱環(huán)境。冬季每降低1℃，或夏季每增加1℃，將會增加6%—10%電量消耗，需優(yōu)化高校建筑熱環(huán)境，降低能耗。此過程中，利用BIM技術(shù)仿真分析建筑表面溫度、日照時間、日照輻射量等，減少熱島效應(yīng)。并且，模擬全年建筑任意時間段日照時間情況，確定建筑間距，避免不合理遮擋，節(jié)約校園土地。

（4）模擬聲環(huán)境。高校建筑聲環(huán)境可為師生提供良好學(xué)習(xí)、生活條件，需做好消聲、吸音、隔振等設(shè)計。此階段，利用Cadna/A軟件，模擬建筑表面噪音分布、校園噪音分布、交通道路噪聲等，繪制聲強線圖、噪聲聲線圖，確定建筑間距，設(shè)置隔音屏障[3]。

（5）模擬建筑能耗。建筑總布置朝向、幾何形狀、節(jié)能材料、遮陽系統(tǒng)等均會對其能耗造成影響。建筑設(shè)計中，需利用EnergyPlus基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建分析能耗模型，適當(dāng)調(diào)整建筑窗墻比、遮陽、布局朝向、節(jié)能材料、圍護結(jié)構(gòu)等，對比全面運行能耗，優(yōu)化單體建筑設(shè)計，降低資源消耗，合理進行生態(tài)模擬，實現(xiàn)建筑精細(xì)化設(shè)計。

（五）用戶VR體驗

設(shè)計師利用“BIM+VR”完成建筑設(shè)計，可開放用戶VR體驗，調(diào)查用戶感受。體驗有兩種，分為動態(tài)與靜態(tài)。其中，動態(tài)是在Mars軟件搭建虛擬場景，設(shè)置VR預(yù)覽模式，利用頭盔顯示器，與手柄配合即可漫游于建筑內(nèi)，不受限制“走動”在場景中，隨意在重要節(jié)點停留，或是選擇最佳視點、最佳流線查看設(shè)計效果。靜態(tài)體驗選擇建筑多個角度，利用Venus與Mars渲染照片，上傳網(wǎng)絡(luò)，生成二維碼，便于用戶利用手機端掃描后，切換VR模式，搭配VR眼鏡觀看全景照片。

四、結(jié)論

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確提出加快普及信息化技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)計技術(shù)新升級。因此，在建筑節(jié)能設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)發(fā)揮BIM+VR等信息技術(shù)作用，從場地氣候分析、優(yōu)化場地設(shè)計、建筑設(shè)計這幾方面出發(fā)，從源頭上推動建筑向健康方向發(fā)展。

作者單位： 西藏民族大學(xué)