(北華航天工業(yè)學(xué)院 建筑工程系,廊坊 065000)

1 引言

近年來興起的BIM技術(shù)創(chuàng)造性地在建設(shè)項目設(shè)計、施工和運維養(yǎng)護(hù)中采用了數(shù)字化三維模型，實現(xiàn)了全生命周期管理。BIM技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家中的成功應(yīng)用使人們逐漸意識到該技術(shù)在綠色建筑發(fā)展中的巨大潛力[1]。將BIM技術(shù)與綠色建筑相融合即產(chǎn)生了綠色BIM理念，即：基于BIM技術(shù)在設(shè)計階段內(nèi)的任意時間內(nèi)可以方便地對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，準(zhǔn)確地獲得大量、直觀的建筑能量性能反饋信息，從而實現(xiàn)可持續(xù)性和改善建筑層面上的能效目標(biāo)。目前，國外建筑業(yè)已對較多的高端建筑和標(biāo)志建筑采用BIM技術(shù)進(jìn)行了綠色節(jié)能分析，積累了大量的有益經(jīng)驗，但是在國內(nèi)對于此項技術(shù)的認(rèn)識和運用還不成熟，需要對其進(jìn)行深入的研究和成果推廣。

本文基于綠色BIM理念，以廊坊市某多層建筑為分析實例，詳細(xì)介紹了BIM技術(shù)在該建筑節(jié)能、采光、日照設(shè)計中的應(yīng)用，通過BIM技術(shù)全面瀏覽建筑物在綠色節(jié)能方面的綜合性、科學(xué)性信息，直觀呈現(xiàn)建筑能量性能方面的問題，及時進(jìn)行相應(yīng)的修改，并檢驗設(shè)計方案是否適宜，本文的研究成果可為本地區(qū)的相似方案提供設(shè)計依據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

2 項目概況

本工程為河北省廊坊市某售樓處辦公樓，總建筑面積為1927m2，占地面積為651.83m2，建筑高度為13.5m(室外地坪至女兒墻頂)。本項目設(shè)計標(biāo)高為±0.000m，相當(dāng)于絕對高程20.182m，室內(nèi)外高差為0.45m，建筑三維圖如圖1所示。

BIM應(yīng)用軟件可直接導(dǎo)入圖紙，對其工程信息進(jìn)行輸入，軟件會根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)定建筑相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)所導(dǎo)入的圖紙計算體積、面積等數(shù)據(jù)。詳細(xì)綠色節(jié)能設(shè)計參數(shù)基本情況如表1所示。

圖1 廊坊市某辦公三維視圖

表1 項目綠色節(jié)能設(shè)計參數(shù)基本情況

一般設(shè)計參數(shù)耐火設(shè)計等級二級屋面防水等級Ⅰ級結(jié)構(gòu)形式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)防烈度七度使用年限50年綠色建筑節(jié)能設(shè)計參數(shù)建筑(節(jié)能計算)體積8 669.84m3建筑(節(jié)能計算)外表面積2 410.26m2北向角度90°外墻與屋頂太陽輻射吸收系數(shù)0.75光氣候分區(qū)Ⅲ光氣候系數(shù)K1.00表面反射比頂棚0.75、地面0.30、墻面0.60、外表面0.50

3 綠色建筑分析軟件及應(yīng)用思路

綠色建筑和分析是一種新的設(shè)計理念，綠色建筑分析不是追求形式與潮流，它和傳統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)一樣以更加科學(xué)的提升建筑物的價值為目的，是傳統(tǒng)建筑設(shè)計的完善。綠色建筑分析是一個綜合性的、學(xué)科性的、可跨階段的過程，而BIM技術(shù)正好滿足了這一需求，實現(xiàn)了所需數(shù)據(jù)信息集合分析、集中呈現(xiàn)、快速運算的需要。

表2 綠建斯維爾軟件各模塊使用要點與應(yīng)用原理

軟件模塊適用性使用要點應(yīng)用原理節(jié)能模塊基于AutoCAD平臺,適用于全國民用與公共建筑節(jié)能評估;可直接導(dǎo)入三維BIM模型;通過計算建筑的保溫層保溫系數(shù)、墻窗的面積比、結(jié)構(gòu)的保溫性能、地面的熱阻、建筑體形系數(shù)、光氣候地區(qū)等數(shù)據(jù)輸出結(jié)果,跟參考建筑作比較得出結(jié)論;采光模塊基于AutoCAD平臺,國內(nèi)首款采光軟件,可定性與定量分析;可快速對單體或總圖建筑群進(jìn)行采光計算;輸入建筑類型、建筑地點光氣候區(qū)、所采用的的采光標(biāo)準(zhǔn)、門窗的透光系數(shù)、室內(nèi)裝修材料反射比等數(shù)據(jù)。設(shè)置采光分析引擎,分析精度,等需要分析的內(nèi)容得出采光分析數(shù)據(jù);日照模塊基于AutoCAD平臺,為建筑規(guī)劃布局提供高效的日照分析工具,也有可視化的日照仿真精確建立所分析建筑周圍的構(gòu)造物的模型,準(zhǔn)確輸入墻窗數(shù)據(jù)。設(shè)置建筑物的地理位置及所要分析的時間段。日照分析模擬建筑與周圍構(gòu)造物的不同時間段的遮擋關(guān)系,計算出陽光射入建筑物的不同時間和量。輸出建筑物的陰影輪廓圖,各窗的陽光射入時間等數(shù)據(jù)。

為了滿足建筑節(jié)能分析需求，現(xiàn)在建筑市場上已推出了多款將建筑能耗模擬與BIM技術(shù)相融合的商業(yè)軟件，例如國外的EnergyPlus、ESP-r、Autodesk Ecotect Analysis、Transient System Simulation Program和國內(nèi)的綠建斯維爾、TBEC和PBECA等，這些軟件為設(shè)計師們的建筑節(jié)能決策起到了重要作用[5-7]。

本文采用綠建斯維爾軟件對廊坊市某辦公樓進(jìn)行了節(jié)能、采光和日照分析。該軟件各模塊適用性與使用要點如表2所示。

4 綠色分析

4.1 節(jié)能分析

(1)節(jié)能分析

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，該建筑位于廊坊，處于寒冷地區(qū)，且存在建筑群，在建設(shè)中考慮熱島效應(yīng)，此案例主建筑的北和東兩個方向有遮擋建筑，在建筑的總體規(guī)劃和設(shè)計要考慮自然通風(fēng)和冬季日照對建筑節(jié)能的影響，充分利用自然條件達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。

綠色建筑設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，需要考慮多方面因素，例如在冬季如何最大限度地利用太陽能獲得更多熱量，如何避開主導(dǎo)風(fēng)向，減少熱量損失對建筑物節(jié)能效果的影響； 在夏季如何最大限度減少獲得的熱量，如何充分發(fā)揮建筑物自身條件，利用自然通風(fēng)降低室內(nèi)溫度，達(dá)到節(jié)能效果。建筑形體也會對建筑節(jié)能效果產(chǎn)生一定的影響，在建筑設(shè)計時應(yīng)避免過多的凹凸變化，此案例采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形體，對此影響因素可忽略不計。

(2)數(shù)據(jù)計算及總結(jié)

應(yīng)用軟件對建筑圖紙進(jìn)行讀取，選取適宜的建筑材料，依據(jù)《河北公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計算，對屋頂傳熱、外墻傳熱、地面熱阻以及外窗的等幾種直接影響節(jié)能效果的條件進(jìn)行分析，再通過與參考建筑做比較，輸出建筑的耗冷耗熱量的節(jié)能數(shù)據(jù)，檢驗是否符合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等。

表3 節(jié)能計算參數(shù)對比

類別計算建筑參考建筑屋頂傳熱系數(shù)K [W/(m2·K)]0.830.45外墻傳熱系數(shù)K [W/(m2·K)]1.130.60地面熱阻R[(m2·K)/W]0.090.16

表4 節(jié)能計算結(jié)果對比表

此建筑案例屋面采用的是鋼筋混凝土120mm、擠塑聚苯板(ρ=25-32)20mm，外墻采用的是鋼筋混凝土200mm、擠塑聚苯板(ρ=25-32)20mm，外窗及玻璃幕墻采用6mm空氣中空玻璃塑料窗，其傳熱系數(shù)為2.79 K[W/(m2·K)]，遮陽系數(shù)為0.9 K[W/(m2·K)]。建筑能耗計算依據(jù)《建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》計算結(jié)果如表5。

表5 節(jié)能計算對比

設(shè)計建筑參照建筑耗冷耗熱量(kWh/m2)107.08111.21耗冷量(kWh/m2)36.6441.80耗熱量(kWh/m2)60.4469.41標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《河北公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DB13(J)81-2009)第4.3.1標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計建筑的能耗不大于參照建筑的能耗結(jié)論滿足

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計算：

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻：R0=Ri+R+Re

式中，Ri是內(nèi)表面換熱阻[(m·K)/W](一般取0.11)

Re是外表面換熱阻[(m·K)/W](一般取0.04)

R 是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻[(m·K)/W]

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計算：K=1/R0[W/(m·K)]

式中，R0是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱阻。

依據(jù)《河北公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，節(jié)能計算數(shù)據(jù)對比表如表3、表4、表5所示。

(3)BIM節(jié)能軟件依據(jù)《河北公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對計算結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表6所示。通過分析得出此建筑的節(jié)能數(shù)據(jù)與參考建筑的節(jié)能數(shù)據(jù)相比此建筑在可見光投射比、可開啟面積、外墻氣密性、外窗氣密性、幕墻氣密性方面是否滿足節(jié)能要求。

表6 計算結(jié)果

序號檢查項結(jié)論說明1可見光透射比滿足本工程綜合判斷滿足《河北公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DB13(J)81-2009)規(guī)定的要求。2可開啟面積滿足3外窗氣密性滿足4幕墻氣密性滿足5綜合權(quán)衡滿足

依據(jù)以上數(shù)據(jù)及分析結(jié)果可知，該建筑的各方面設(shè)計參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，但各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)高于參考標(biāo)準(zhǔn)，須進(jìn)行權(quán)衡判斷。由表3可知該建筑屋頂和外墻傳熱系數(shù)分別為0.83和1.13，而參考建筑數(shù)據(jù)僅為0.45和0.6，明顯看出所分析的建筑數(shù)據(jù)高出參考數(shù)據(jù)一倍，在實際建設(shè)中外墻可選取保溫效果更好的材料以降低傳熱系數(shù)，屋頂可采取種綠植的途徑，不僅美觀綠色，還可以有效降低屋頂傳熱系數(shù)，達(dá)到綠色節(jié)能效果。

4.2 采光分析

(1)采光分析

采光設(shè)計應(yīng)充分發(fā)揮建筑物本身所具有的自然條件，自然光是供人類使用的最好光源，充分利用天然采光也可有效達(dá)到綠色節(jié)能效果，使建筑設(shè)計本身更加貼近綠色節(jié)能理念。為了更好地適應(yīng)室內(nèi)人員需要，當(dāng)天然采光不能滿足照明要求時，可通過調(diào)整窗墻比，擴(kuò)大房間透光度，或采用透光效果更好的玻璃窗，也可根據(jù)工程的地理位置、日照情況進(jìn)行分析，合理地選擇導(dǎo)光或反光裝置，必要時采用人工照明； 當(dāng)天然采光過強時，則可對窗子做相應(yīng)的遮光設(shè)施，如：窗簾、百葉、遮陽板等。

此案例窗框和玻璃才分別采用了市面上最常見的單層鋁窗和普通玻璃，拾取圖紙中窗編號和窗的尺寸，輸出窗的可見光透射比和玻璃反射比數(shù)據(jù)如表7。

表7 采光計算數(shù)據(jù)

窗編號寬度(mm)高度(mm)窗框類型玻璃類型可見光透射比玻璃反射比C12261 350.003 000.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C12241 200.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C12321 200.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15111 500.001 100.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15141 500.001 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15181 500.001 800.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15241 500.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C15321 500.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C18242 100.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21152 100.001 500.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21242 100.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C21322 100.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C36323 600.003 200.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08C45244 500.002 400.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08MLC45302 250.003 000.00單層鋁窗普通玻璃0.890.08

表8 房間采光數(shù)據(jù)計算結(jié)果

(2)采光分析結(jié)果

依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》分析建筑物采光情況，房間采光數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表8所示，滿足采光條件的房間有33個，滿足采光要求比例是62.26%，但是從房間的使用功能上來說，儲藏室、會議室、衛(wèi)生間等人活動不多的房間對采光需求較少，這是采光設(shè)計需要考慮的因素。背陰面的房間不可避免的會有采光不足的問題，但是通過擴(kuò)大窗戶的面積，使用反光裝修材料等手段可以明顯地提高房間的采光率。

4.3 日照分析

(1)日照分析

日照分析中有效日照時間帶是主要分析要素之一，它規(guī)定了有效日照時間的范圍，從而可以更好的利用自然條件為建筑進(jìn)行節(jié)能設(shè)計。根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》可知河北廊坊屬于一級區(qū)劃第Ⅱ類建筑氣候區(qū)，春、秋季節(jié)短促，夏季日照長，則冬季日照時間短。本案例采用的軟件取用《北京市建筑日照計算標(biāo)準(zhǔn)》，有效時間帶為北京市大寒日和冬至日8:00～16： 00時。分析中分別采用了陰影輪廓分析、等日照分析和窗照分析，對建筑物的陰影輪廓分析在日照分析中至關(guān)重要，一個建筑并不會孤立存在，周圍的建筑群對其日照分析產(chǎn)生著直接的影響。

通過日照分析軟件，模擬建筑物陰影，并形成不同時刻的陰影輪廓，從而觀察某一時刻或全天在某個特定平面和立面上的陰影，如圖2所示，從而更加科學(xué)的判斷建筑物是否符合綠色節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

在一個建筑物的周圍必定會有或高或矮的建筑群存在，這些建筑對主建筑的影響也是不容忽視的，在此案例中對周圍可能存在的建筑進(jìn)行了簡單的模擬，主要研究周圍建筑對主建筑的遮陽影響。建筑物遮擋關(guān)系如圖3所示。

針對建筑物被遮擋情況還可以做詳細(xì)的分析——光線分析，計算通過某個位置點的光線和產(chǎn)生該光線的時刻如圖4所示，也可根據(jù)顏色簡單看出日照強弱分布。

圖2 陰影輪廓圖

圖3 建筑物遮擋關(guān)系示圖

圖4 等日照線圖

(2)窗照分析

此分析方法充分體現(xiàn)了日照有效時間帶對建筑物的影響。軟件拾取功能可對圖紙中的窗進(jìn)行拾取，并對每層窗戶進(jìn)行編號，方便對建筑物每一扇窗進(jìn)行具體的把握，計算高度從建筑外地坪1.35m處算起，若首層沒有日照要求，其計算高度從窗臺算起。本案例建筑物前無遮擋建筑，且首層沒有特殊日照要求，所以從窗臺高度1.35m處計算，對窗戶的日照情況進(jìn)行計算分析，并給出詳細(xì)報表如表9所示，可以清晰地看出一層9號和二層14號兩個位于北面的窗戶無日照，二層2號和三層1號兩側(cè)的窗戶日照時長明顯短于其它窗戶。

表9 計算條件

窗日照分析表層號窗位窗臺高(m)日照時間日照時間總有效日照11～51.3508: 00～16:0008:0061.3508: 29～16:0007:3171.3508: 56～16:0007:0481.3509: 40～16:0006:2091.3510: 48～11:0200:0021～25.8508: 00～16:0008:0025.8512: 58～16:0003:023～105.8508: 00～16:0008:00115.8508: 29～16:0007:31125.8508: 58～16:0007:02135.8509: 40～16:0006:20145.8510: 48～11:0200:003110.3512: 58～16:0003:022～710.3508: 00～16:0008:00810.3508: 29～16:0007:31910.3508: 58～16:0007:02分析標(biāo)準(zhǔn)冬至3h; 地區(qū):北京; 時間1月5日(小寒)08:00～16: 00; 計算間隔: 1分鐘

(3)日照分析結(jié)果

通過對建筑陰影輪廓分析、等日照分析和窗照分析可知，此建筑所處建筑群無正面遮擋建筑，朝陽面在有效日照時間內(nèi)均有日照。日照對建筑的節(jié)能和采光有著顯著的影響，對于建筑背陽面的空間應(yīng)更加注重采光和節(jié)能的設(shè)計。

5 結(jié)論與展望

本文運用斯維爾BIM綠色建筑軟件對廊坊市某辦公樓的節(jié)能、日照、采光三個方面進(jìn)行分析，把結(jié)果以數(shù)據(jù)和影像的形式展現(xiàn)出來，使人更加具體直觀地看到此建筑的分析結(jié)果。根據(jù)節(jié)能數(shù)據(jù)和結(jié)果，可對建筑進(jìn)行更加合理的采暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計等； 根據(jù)采光和日照數(shù)據(jù)，有利于合理使用房間，或?qū)ζ溆刑厥庖蟮姆块g進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如：儲藏室和衛(wèi)生間可放在北面房間，或通過調(diào)整門窗大小、增設(shè)窗簾、百葉進(jìn)行遮擋等方法，使其滿足房間使用要求，并做到更優(yōu)的綠色節(jié)能，為人們創(chuàng)造更為舒適的生活工作環(huán)境。

隨著我國居民生活水平的不斷提高，過程復(fù)雜、誤差較大的傳統(tǒng)綠色建筑設(shè)計方法，將不再適用于現(xiàn)在的大規(guī)模、精細(xì)化的綠色建筑計算要求，人們更加看到BIM技術(shù)在建筑行業(yè)項目實施中對比傳統(tǒng)技術(shù)有很大的便利性和準(zhǔn)確、全面的特點。BIM技術(shù)把綠色建筑分析所需要的信息集中處理。本文所采用的方法簡單、高效，為今后本地區(qū)的廠房、醫(yī)院、樓盤等綠色建筑設(shè)計提供了有利依據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)。