BIM技術在建筑節能設計中性能分析研究*

林乙玄（福建林業職業技術學院建筑工程系，福建南平 353000）

在經濟社會的快速發展下，建筑工程數量與日俱增，規模不斷擴大，對建筑質量的要求也在不斷攀升，因此融入最新興的科學技術迫在眉睫。建筑工程需要與現代化城市建設的要求相結合，利用BIM技術對建筑節能設計等問題進行深入研究，并將節能設計和綠色建筑的理念積極推廣[1]。將BIM技術引入到建筑節能設計中來，能夠更好地促進建筑行業的可持續發展，BIM技術以網絡計算機技術為引擎，包含不同維度的信息數據，將這些同源異構的信息數據進行協調與關聯，隨時調取運用，能夠為建筑的建設和運營提供良好的支撐。運用相關軟件導入模體來獲得建筑具體信息，才能夠將建筑的各個環節更好地體現出來，有效解決傳統建筑設計中的弊端，使得建筑整體得到優化。

1 項目背景

項目基地位于福建省南平市，東側毗鄰中學，西臨南平市西橋南路，場地周邊主要分布教學建筑和學生公寓及民居住宅建筑，場地西側和東側分布一些商業經營建筑。前期調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活動中心。通過收集編制WEA氣象數據文件，使用Ecotect軟件對南平市各朝向太陽輻射進行分析對比[2]，以及獲取風向玫瑰圖和全年氣候綜合圖，為后期規劃設計做指導。通過分析可得：最優朝向為162°，最劣朝向為72.5°；南平屬于亞熱帶溫潤季風氣候，夏秋季節主導風向為東南季風，冬春季節主導風向為西北風[3]。

該項目的概念意向分為設計意向和技術意向兩個部分。在設計意向方面，其外部形體為方盒子下的參數化動態表皮，內部空間為陽光、綠色、透明的尊重性社交空間。在BIM信息協同技術支持下，打造綠色節能建筑。

項目基地周邊現有住宅區、教學區、商業區，基于對場地的調研分析，發現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態，豐富居民及學生的日常生活。設計以“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公共性入手，通過空間交錯營造活潑、豐富的社交體驗感。在技術上，運用CadnaA軟件對周邊噪聲進行模擬，為前期設計做指導，為了增加建筑的采光和自然通風，經過Ecotect和Phoenics等軟件分析后，建筑內部插入風筒狀電梯井，形成拔風效果，加強被動式通風效果，減少建筑能耗?？紤]到周邊商業區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可視化的優點，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。結合Pathfinder對觀演報告廳疏散進行模擬，驗證是否滿足消防要求。團隊結合Revit可視化、參數化等優點，在設計方案中不斷分析與優化，希望社區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技術在建筑節能設計中的應用分析，在此項目中能夠得以充分的展現，更好地進行可視化圖紙的表達，以及模擬在自然條件下的聲環境和光環境，進而進行材料選擇的優化和表皮設計的優化，增加項目特色與創新點。

2 可視化圖紙表達

2.1 效果圖

工程室外效果圖著重展現光影，室內效果圖突出尊重性的交往空間。圖1所示為該項目的室內效果圖的可視化表達與展示，更加清晰地展現了該項目立面的可觀性和市內交通的特點，搭配上光影的效果能夠更加真實地再現項目的內部結構情況與交通情況。

圖1 項目工程室內效果圖

2.2 平立剖圖

Revit軟件可導出該項目的總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖等，可計算出該項目用地面積為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目形體的構造以及交通流線。

圖2 一層平面圖

2.3 分析圖

通過Revit軟件可視化圖紙表達，可以進行體塊分析，首先載入方形體量，在方形體量中植入交通和在內置中庭進行功能區域的劃分。通過錯層空間，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的光影體驗，這一整套的流程就是進行的體塊分析。為了打造更加靈活的社交空間，還需要進行流線分析，得益于BIM技術的可視化表達，這些分析更加直觀準確。

3 建筑節能設計中的性能分析

3.1 場地風環境模擬

場地風環境模擬利用Phoenics，對場地風壓和風速進行模擬。圖3、圖4分別為該建筑夏季的背風面和迎風面風壓圖。由圖3、圖4可得：夏季室外平均風速條件下，建筑前后壓差基本大于2Pa，有利于實現室內自然通風。在綠建規范中規定，建筑周圍人行區風速小于5m/s[4]，最適宜室外行走、活動舒適和建筑自然通風，結合南平地區風速和風向條件，可發現建筑周邊風速舒適度較高，場地風環境條件較為優越。

圖3 夏季背風面風壓圖

圖4 夏季迎風面風壓圖

3.2 噪聲模擬

利用Revit與CadnaA軟件結合，對場地噪聲進行模擬，指導功能分區。指導該方案的功能分區布置，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境和學習氛圍。

3.3 光環境模擬

光環境模擬指的是利用Revit對各層平面照度進行模擬，由Revit中的照度渲染計算得出開條形窗的平面照度。進行建筑轉角不開窗的空間照度模擬以及建筑轉角開條形窗的空間照度模擬，通過對比擇優，使得各個功能房間的室內采光條件得到了一定程度的改善，優化視覺感受與交流空間的使用體驗。對比建筑轉角不開窗的空間照度模擬與建筑轉角開條形窗的空間照度模擬，進行合理開窗。另外，再進行人工照明優化，利用Revit與DIALux軟件結合，分析夜間不同燈具閱覽室照度建筑材料優化，對圍護結構的得失熱進行分析。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、評價是否適用。最終得出結論，間距2.5m×1.5m能夠滿足照明規范的要求。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 建筑材料優化

利用Revit與Ecotect軟件結合，對圍護結構的得失熱進行分析[5]。結合本項目，擬在其他條件不變的條件下，通過對比不同墻體保溫材料，選擇較為節能的圍護結構。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，進行圍護結構得失熱百分比的比較。得出數據如下，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：空氣夾層保溫墻結構失熱百分比最低，其保溫效果最好，節能效果最佳。

3.5 建筑表皮優化

Revit與Grasshopper結合，可進行建筑的參數化表皮優化。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，從而營造室內動態的光影效果，滿足室內采光的不同需求。通過控制窗之間的間距、控制窗的旋轉角度、控制窗框的寬度、控制孔洞的數量、控制圓洞的開窗半徑，營造室內動態的光影效果，優化最佳開窗位置。接著對比不同規格對光環境的影響，利用Revit對不同工況下表皮模擬分析，選擇最優解。對表皮的傾斜角度設置為45°和60°，空洞大小設置為20mm和30mm，并將其進行光環境模擬，選擇最優的表皮方案，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中的照度渲染計算得出覆以穿孔鋁板表皮后的建筑室內照度圖，可以看出各個功能房間的室內采光條件得到了一定程度的改善，優化建筑內部的光影感和使用感體驗。

圖6 通透的玻璃幕墻覆蓋下空間照度模擬

另外，項目建筑內部利用交通核形成拔風筒，形成拔風效應[6]，加強自然通風，增強人體舒適度，降低建筑能耗，優化室內風環境。

圖7 穿孔鋁板表皮覆蓋下空間照度模擬

4 特色與創新點

項目利用了多個軟件，例如Revit、Ecotect、CadnaA、Phoenics、SU、CAD、Lumion、Photoshop、DIALux、Pathfinder等，應用面廣泛，應用于場地前期分析、聲環境、熱環境、風環境、疏散模擬、建筑表皮等。多個不同維度軟件的應用能夠很好地解決多個維度同源異構數據之間的轉化問題，更加全面地細化建筑節能設計的優勢，協同多個軟件的應用，能夠讓設計少出錯，設計的初期檢查出問題所在，從而降低成本和不必要的設計失誤。又能提高效率，可以協同多個軟件，無接縫的數據交換標準，縮短了整個建筑建造的時間。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和設計輪廓。使得參見各方都能夠清晰地知曉項目的特點，有利于不同專業的工作人員進行溝通和交流，有助于決策。

本項目的創新亮點在于：①設計初期的方案階段，用Ecotect分析場地現有環境條件，在前期規劃階段為設計提供指導，使得建筑節能設計的分析更加因地制宜，基于實地的環境條件；②功能排布階段，用CadnaA和Phoenics分析場地現有的聲環境條件和風環境條件，為功能的設計提供依據；③針對圖書館對于采光和聲環境要求比較高的特點，運用DIAlux對室內照度進行模擬，具體優化燈具的型號及排布方式，在節能的基礎上滿足照度要求。同時，經過多方對比，選擇最優的室內照度，通過篩選燈具的型號及排布方式，提高經濟性；④鏤空鋁板表皮的應用：運用Grasshopper對表皮的傾斜角度，孔洞大小分別進行參數調整，優化室內光環境；⑤優化室內消防疏散，選取觀演報告廳為對象，運用Pathfinder模擬室內人員疏散情況，驗證疏散口是否滿足消防安全距離。

5 結語

通過活動中心的項目，BIM技術對建筑結構節能性能設計的優勢不言而喻，它能夠清晰地進行可視化圖紙的表達，展現平、立、剖等效果圖，亦能有助于進行結構節能設計中的性能分析，包括場地風環境模擬、噪聲模擬、光環境模擬、建筑材料優化、建筑表皮優化、綠色建筑等方面。從熱工性能來說，圍護結構的熱工性能遠不能達到我國節能設計規范的要求。在建筑節能改造領域，BIM技術大有可為。針對很多老式建筑保溫性能差，氣密性不佳，漏風現象嚴重等問題，BIM技術都可以找到原始圖紙，收集數據進行建模，查找圖紙疏漏，不斷完善建筑節能方面的改造，通過計算各朝向窗戶的面積、形體系數等指標來判斷建筑是否滿足相關節能標準的要求，及時修改優化方案，使之滿足遮光、采光、遮陽、通風和建筑能耗的相關要求，并對比不同方案在建筑美學方面的優缺點，打造優化的節能設計方案。