BIM技術在BIPV領域中應用的研究現(xiàn)狀

摘 要：建筑信息模型（BIM）技術在光伏建筑一體化（BIPV）領域的應用，不僅優(yōu)化了設計和建設流程，還推動了建筑行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。梳理了BIM技術在BIPV領域應用的相關文獻，并闡述國內(nèi)外相關研究的進展，對BIM技術在BIPV項目中的優(yōu)勢特征、發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題等進行較為詳細的分析和歸納。最后，基于文獻統(tǒng)計和研究現(xiàn)狀，對BIM技術在BIPV領域應用的未來發(fā)展趨勢進行了展望，旨在為BIM技術在BIPV領域的推廣和應用提供參考和指導。

關鍵詞：建筑信息模型；光伏建筑一體化；光伏光熱建筑一體化；建筑節(jié)能

中圖分類號：TU18/TM615/TU111.4+8 文獻標志碼：A

0" 引言

近年來，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術在建筑行業(yè)得到廣泛應用，其在項目周期內(nèi)的成本、資源、進度等方面發(fā)揮了重要作用。隨著BIM技術在節(jié)能減排方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，其在工程項目建設過程中的應用被進一步發(fā)掘，尤其在光伏建筑一體化（building integrated photovoltaic，BIPV）中的應用逐漸受到學者們的關注，并嘗試利用BIM技術對BIPV產(chǎn)品及其工程項目的模型、施工、管理等方面進行優(yōu)化。

BIM技術與光伏發(fā)電技術的結合，使BIPV建筑成為有機整體，促進了建筑從現(xiàn)有的耗能建筑向近零能耗建筑轉(zhuǎn)變，并逐步推動零能耗建筑邁向產(chǎn)能建筑的發(fā)展歷程。BIM技術應用范圍廣泛，能夠以不同形態(tài)參與工程項目的全生命周期建設，從而輔助工程順利完成；通過BIM技術可以幫助建筑設計實現(xiàn)美觀、經(jīng)濟、節(jié)能等功能于一體的綜合目標。

目前，BIM技術在BIPV建筑項目中的應用主要分為以下幾種：提高光伏發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化效率、提高BIPV建筑節(jié)能效果、美化建筑外觀、降低BIPV產(chǎn)品及工程項目建設成本、實現(xiàn)零碳綠色智能建筑目標。本文通過梳理國內(nèi)外BIM技術在BIPV領域中應用的研究現(xiàn)狀，以期為該項技術的推廣和應用提供參考思路。

1" 技術說明

1.1" BIM技術

BIM技術是基于建設項目全壽命周期中各個階段的虛擬與現(xiàn)實信息數(shù)據(jù)交互集成和項目各方協(xié)同處理的數(shù)字化、智能化建設過程[1]，以3D精細化的仿真模型為建設工作的核心，結合行業(yè)其他先進技術，圍繞智慧工程、智慧樓宇展開的一系列數(shù)字化、智能化和可視化的工程活動。BIM技術不僅能夠以3D幾何數(shù)據(jù)模型為信息集成平臺，整合與工程建筑相關的物理特征、功能要求及其他參數(shù)，而且還可以幫助企業(yè)實現(xiàn)設計、施工、協(xié)調(diào)及其他各種任務的有效運行，為建筑行業(yè)提供了一種全新高效的集成管理模式，提升了建設工程項目的整體效率與質(zhì)量。

1.2" BIPV

BIPV是一種新穎的設計理念，其是將光伏發(fā)電技術與建筑相結合，通過在建筑外圍安裝定制的光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能供建筑內(nèi)部使用，不僅能降低建筑能耗，還可以延長建筑的全生命周期[2]。這種一體化設計在滿足外圍保護結構功能的同時，還能為用戶提供日常的電力需求，實現(xiàn)清潔的、高效的、便捷的節(jié)能模式。

此外，基于BIPV還延伸出光伏光熱建筑一體化（BIPV/T），其是一種可同時提供電能與熱能的建筑一體化系統(tǒng)，將光伏發(fā)電和太陽能低溫熱利用相結合，構建出新型的PV/T組件。

2" 研究現(xiàn)狀及趨勢分析

2.1" 文獻綜述

本研究以“BIPV”“BIPV/T”“BIM，BIPV”“BIM，BIPV/T”等關鍵詞作為索引，分別在Science Citation Index （SCI）、The Engineering Index （EI）、Scopus和中國知網(wǎng)等權威數(shù)據(jù)庫檢索到相關文獻千余篇，對其進行文獻有效性篩選和閱讀歸納后，發(fā)現(xiàn)近5年文獻居多。這表明當下國內(nèi)外對于BIPV領域的研究熱度逐年增加，其原因不僅與相關制造業(yè)技術的成熟、光伏組件生產(chǎn)和安裝的成本大幅下降有關，還得益于各國相關政策的支持與引導。

通過進一步篩選，與本文主題相關的有效文獻共59篇。其中，文獻[3-4]是世界上較早將BIM技術與BIPV結合并實現(xiàn)應用的研究；此后，BIM技術應用于BIPV領域中的文獻成果逐年遞增，文獻發(fā)表總數(shù)在2022年達到近10年的峰值，如圖1所示。

由圖1可知：BIM技術與BIPV或BIPV/T相結合的文獻總量較少；隨著時間總體呈緩慢上升狀態(tài)，表明BIM技術在BIPV領域中的應用研究仍處于初步階段，但具有較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2" 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀分析

隨著中國大力推進交叉學科的學術理念，學科技術的融合已成為當前科技發(fā)展的顯要特征。目前，BIM技術與BIPV的結合，是建筑行業(yè)與新能源行業(yè)合作進步的探索路徑之一。國內(nèi)針對BIM技術在BIPV領域應用的研究主要分布在以下兩個方面：基于BIM技術的BIPV應用和基于BIM技術的BIPV/T應用。BIM技術在模型設計、仿真檢測分析、建筑信息平臺集成管理及系統(tǒng)能力對比分析等方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。

2.2.1" 模型設計和仿真檢測分析應用

早期發(fā)表的文獻研究集中于利用BIM技術對BIPV或BIPV/T建筑進行設計階段的模型優(yōu)化和能耗模擬。例如：龍承潮等[5]利用BIM技術的可視化、參數(shù)化特點創(chuàng)建了一種“可定義光伏預測模型”，提高了光伏組件發(fā)電量預測的準確性；趙樂[6]則在前者研究結果的基礎上結合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術，對基于BIM技術的BIPV模型進行了仿真模擬分析，更準確地演示了BIPV產(chǎn)品的使用效果。

然而，早期僅在仿真模型的創(chuàng)建和分析上對BIPV產(chǎn)品進行嘗試研究，還并未充分展現(xiàn)BIM技術參與的優(yōu)勢。陽素梅[3]曾依托“2010太陽能十項全能競賽”，首次將BIM-BIPV的設計仿真模型應用于實際項目中：通過參賽作品，基于整體視野下提出了BIM-BIPV的設計原則與流程。張先勇等[7]結合廣州市某住宅項目，使用BIM技術對項目中BIPV構件的安裝環(huán)境、位置朝向等開展了輔助設計和建筑能耗分析，有效降低了設計成本。海濤等[8]以南寧市某公司的BIPV項目為例，將BIPV建筑屋頂利用BIM技術得到的的模擬數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行對比，驗證了BIM技術的準確性。崔艷秋等[9]基于濟南市某公寓樓項目創(chuàng)建了BIM光伏組件族庫，以提高裝配式住宅光伏一體化的設計效率。

由此可見，BIM技術在BIPV中的模型設計優(yōu)化、光伏組件族庫創(chuàng)建、仿真模擬分析等方面的應用具有可行性，并且在實際項目中通過成本降低、效率提高等也使BIM技術的優(yōu)勢也得到驗證。

2.2.2" 建筑信息平臺集成管理應用

BIM技術的信息化特征促使研究人員探索使用BIM技術對BIPV項目全生命周期進行信息化和智能化的動態(tài)管理。已發(fā)表文獻中：何侃[10]通過將BIM技術與BIPV的數(shù)學模型結合，開發(fā)了BIM-BIPV的輔助設計平臺，旨在實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑本身的協(xié)同設計。王君等[11]利用BIM軟件對新徽派民居結合BIPV/T新型技術后的建筑能耗進行模擬研究，研究結果結果表明：BIPV/T新型技術的節(jié)能效果顯著。此外，張元海等[12]通過光伏電站建設項目，建立了以光伏電站的建設運營方為主導的BIM應用管理新模式，從業(yè)務架構、信息架構、應用架構、技術架構等方面對光伏電站建設進行了全方位管理，有效提升了工程效率，具有較高的推廣價值。

當下，由于BIPV本身仍然處于發(fā)展階段，BIPV項目建設周期相較一般建筑更長且更復雜，因此結合BIM技術的信息化、智能化管理研究也處于初步嘗試階段。但相較于應用BIM技術可視化、參數(shù)化特點的研究成果，此類研究則具備更加廣闊的發(fā)展空間。

2.2.3" 其他方向應用

與前兩個方向的應用相比，國內(nèi)關于BIM技術在BIPV領域的研究還涵蓋其他多個方向。例如：王江曼[13]以貴陽省高新技術開發(fā)區(qū)的某“回”字形建筑為研究對象，利用BIM技術設計光電建筑模型輻射量仿真發(fā)電能力預測方案，并與傳統(tǒng)光伏建筑發(fā)電能力預測分析方案進行了對比。實驗結果顯示：應用BIM技術預測方案的具有明顯優(yōu)勢。

此外，還有研究嘗試將BIM-BIPV/T與其他技術相結合，形成多學科交叉的研究成果。例如：陸代澤[14]利用BIM技術，生成BIPV/T信息數(shù)據(jù)預測和分析模型，結合物聯(lián)網(wǎng)技術搭建了智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對BIPV建筑的智能化控制和安全化監(jiān)測；趙家敏[15]對目前國內(nèi)裝配式BIPV產(chǎn)品結合BIM技術的規(guī)?；Ⅲw系化、標準化產(chǎn)業(yè)路徑，利用互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)等技術構建了產(chǎn)品的質(zhì)量追溯系統(tǒng)。

由于BIM技術能夠與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、GIS等技術融合，而BIPV產(chǎn)品本身依托于建筑，因此在其他方面的相關研究中，多技術融合和多學科交叉將是圍繞BIPV進行探索研究的重要方向之一。

2.2.4" 小結

綜上所述，從一系列結合BIM技術的BIPV研究的整體角度來看，雖然BIPV建筑的實驗和研發(fā)已初步形成體系，并成功應用于多種建筑類型，但目前此類工程仍面臨成本高、效率低、周期長等問題；國內(nèi)在十幾年前開始關注利用其他學科技術改善這些困境，BIM技術與BIPV結合應用是較為合適的研究方向。發(fā)展至今，多數(shù)文獻研究集中在使用BIM技術結合實際工程項目，開發(fā)BIPV的信息化仿真模型，用于預測數(shù)據(jù)并優(yōu)化工程設計；少數(shù)文獻則利用BIM技術的可視化和信息化平臺參與BIPV建筑項目的整體建設周期，并在后期運維中持續(xù)發(fā)揮作用；此外，利用BIM技術參數(shù)化設計及優(yōu)化光伏組件、開發(fā)BIPV建筑BIM軟件、結合多學科交叉理念進行擴展性研究等也是目前國內(nèi)研究初步探索的內(nèi)容。由此可見，基于BIM技術的BIPV應用研究在國內(nèi)的發(fā)展趨勢是積極的。

2.3" 國外發(fā)展現(xiàn)狀分析

國外在BIPV的推廣和研究方面，以日本、德國、美國等國家為發(fā)起者。德國是世界上最早建造光伏建筑國家之一，在光伏建筑發(fā)展政策體系方面表現(xiàn)得較為完善。

就BIM技術與BIPV相結合的研究而言，國外各類學術平臺搜索結果顯示：中國在該領域的外文期刊網(wǎng)站發(fā)表論文數(shù)量較多，意大利次之，美國、英國、澳大利亞等國家也在關注該方面研究。各國關于BIM技術結合BIPV研究的國內(nèi)外文獻發(fā)表數(shù)量占比情況如圖2所示。

國外關于BIM技術應用于BIPV研究的文獻最早可追溯至2011年，美國提出利用BIM軟件開發(fā)BIPV模型作為參數(shù)化原型，并結合編程將光伏組件的安裝傾角與太陽高度角關聯(lián)，利用Revit軟件中的應用程序編程接口（API），通過太陽高度角路徑控制光伏組件安裝傾角[4]。由此說明，國外的研究切入點與國內(nèi)一致，都是借助BIM技術的3D模型可視化、參數(shù)化優(yōu)勢，探索BIPV建筑的節(jié)能優(yōu)化設計。利用BIM技術建立相關能耗模型并分析的研究案例還有很多，并且與國內(nèi)研究目的和方法類似[16-19]。例如：Fitriaty等[17]利用BIM建模和分析軟件，通過對熱帶地區(qū)BIPV建筑模擬發(fā)電量與實測能耗進行比較，得出該區(qū)域光伏組件最佳安裝傾角。Kuo等[19]基于BIPV實驗示范屋，將BIM能源分析結果與3年實測數(shù)據(jù)進行對比，結果表明：BIM技術在BIPV建筑能耗分析中能夠較為合理地預估發(fā)電量。

國外在BIPV領域的早期研究更偏向于先開發(fā)適用于該類研究的平臺或創(chuàng)建BIM模型庫，用于BIPV建筑的能耗模擬分析。例如：美國的Kim等[20]曾嘗試開發(fā)用于建筑熱能模擬的物理BIM庫，用以增強建筑設計和建筑能源模擬之間的有效性。比利時和中國學者共同合作研究并開發(fā)出了統(tǒng)一的BIPV設計平臺—— e-BIM，即以BIM技術為中心的BIPV設計和分析軟件平臺；同時，開發(fā)同步引擎實現(xiàn)視圖與統(tǒng)一模型之間的數(shù)據(jù)一致性及自動化，有效降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)成本和傳輸損耗[21]。

加拿大學者的研究重點則在于BIM技術在BIPV建筑模型細部構造上的優(yōu)化應用[22-24]，例如：Vahdatikhaki等[22]探索了基于BIM技術的高層建筑光伏組件框架布局生成設計方案。意大利的研究人員則將注意力轉(zhuǎn)移至針對歷史建筑信息模型（HBIM）與光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成工作，嘗試利用HBIM工具促進光伏發(fā)電技術在歷史建筑翻新操作中的有效融合[25]，但研究僅提出流程規(guī)劃，有待進一步深入實踐應用。馬來西亞和澳大利亞等國家的學者則專注于相關平臺框架的開發(fā)和設計，利用BIM技術將建筑所在地區(qū)的氣候、BIPV產(chǎn)品、建筑法規(guī)、經(jīng)濟數(shù)據(jù)結合起來，形成統(tǒng)一的信息化系統(tǒng)，用以創(chuàng)建最佳的BIPV系統(tǒng)工作方案[26]。

2.4" 研究趨勢分析

通過梳理國內(nèi)外文獻可以發(fā)現(xiàn)，BIPV類產(chǎn)品在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約建設成本等方面，國內(nèi)外都是利用BIM技術的3D仿真模型作為輔助研究手段。在發(fā)展初期，國內(nèi)學者們在創(chuàng)建、應用BIM-BIPV仿真預測模型的同時，也嘗試利用BIM技術信息化、協(xié)同化的特點，管理BIPV項目的全生命周期活動，試圖創(chuàng)建智能BIPV類建筑運行系統(tǒng)。因此，國內(nèi)近幾年開始著手BIM-BIPV技術與云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等實現(xiàn)互補共享，多技術融合與多學科交叉是目前該項技術發(fā)展的主流方向。不僅結合BIM技術的參數(shù)化特征，在設計階段優(yōu)化光伏組件局部和整體構造，并且還有少數(shù)在研發(fā)光伏產(chǎn)品的新功能和新形態(tài)中，將光伏發(fā)電技術和太陽能熱利用技術相結合，利用BIM技術在產(chǎn)品的不同構造形態(tài)中預測節(jié)能效率。

國外最初在利用BIM構建模型族庫的同時，對BIM-BIPV產(chǎn)品設計軟件平臺展開了研究，對BIPV/T產(chǎn)品進行能耗模擬分析，并在后期有向開發(fā)BIM-BIPV全過程綜合管理平臺的發(fā)展趨勢。此外，加拿大和其他國家還將關注點放在BIM-BIPV產(chǎn)品的模型創(chuàng)建類型上，除了嘗試致力于優(yōu)化BIPV產(chǎn)品細部結構這一方面外，也在探索不同的BIM-BIPV建筑類型的模型設計，例如：超高層BIPV建筑項目、古建筑BIPV項目等。由于BIM技術與光伏產(chǎn)品的結合是發(fā)展必然趨勢之一，光伏建筑市場將會出現(xiàn)匯集多種學科技術于一體的新設計歷年，共同為綠色、低碳、環(huán)保的目標服務，因此，市場也需要行之有效的統(tǒng)一標準，例如：光伏產(chǎn)品建模標準、流程規(guī)定、相關法律法規(guī)、產(chǎn)品語言標準等。此類標準的制定，也是當下各國在嘗試的研究方向。

3" 結論

目前，BIM技術在BIPV領域的應用不僅顯著降低了BIPV建筑項目的成本，還為實現(xiàn)碳循環(huán)、綠色環(huán)保、節(jié)約資源等關鍵目標提供了有力支持。國內(nèi)外目前主流研究方向集中于BIM-BIPV相關產(chǎn)品的研發(fā)，對于BIM-BIPV/T產(chǎn)品的開發(fā)探索尚處于起步階段。BIM技術應用于BIPV領域的研究不僅在產(chǎn)品本身的研發(fā)上具有良好的發(fā)展?jié)摿?，而且在項目模式的?yōu)化、多項學科技術融合、產(chǎn)品規(guī)范化、信息化平臺創(chuàng)建等方向同樣具備廣闊的發(fā)展空間。

本文通過對相關文獻的梳理和分析，歸納了BIM-BIPV的相關定義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并推測了此類研究的未來發(fā)展趨勢。分析結果顯示：BIM技術在產(chǎn)品優(yōu)化、項目模式創(chuàng)新、多學科技術融合及信息化平臺建設等方面具有廣闊的發(fā)展空間。未來，隨著技術標準的統(tǒng)一和多學科技術的進一步融合，BIM技術在BIPV領域的應用將更加廣泛和深入，為推動建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

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RESEARCH STATUS OF BIM TECHNOLOGY

APPLIED TO BIPV FIELD

Gui Yuhuan

（Wanjiang University of Technology，School of Management Engineering，Maanshan 243000，China）

Abstract：The application of building information modeling （BIM） technology in the field of building integrated photovoltaics （BIPV） has not only optimized the design and construction process but also promoted the green transformation of the construction industry. This paper reviews the relevant literature on the application of BIM technology in the BIPV field，and elaborates on the progress of related research both domestically and internationally. It conducts a detailed analysis and summary of the advantages，current status，and existing problems of BIM technology in BIPV projects. Finally，based on the literature statistics and research status，the future development trend of BIM technology application in the BIPV field is prospected，aiming to provide reference and guidance for the promotion and application of BIM technology in BIPV field.

Keywords：BIM；BIPV；BIPV/T；building energy efficiency