朱 寶，黃展華，王慶雨

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司合肥分公司，合肥 230009)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的可綜合各類(lèi)建筑工程項(xiàng)目信息來(lái)建立三維建筑模型的技術(shù)。BIM技術(shù)的應(yīng)用可貫穿到建筑的整個(gè)生命周期，同時(shí)可以將各個(gè)不同階段的信息進(jìn)行收集與整合[1]，在現(xiàn)代化建筑施工方面進(jìn)行了較多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也促使建筑行業(yè)的施工趨于更加精細(xì)化和專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展[2]。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際建筑工程設(shè)計(jì)中使用BIM技術(shù)已被證實(shí)能夠極大提升設(shè)計(jì)效果，而將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面的報(bào)道較少[3-5]。本文擬通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的辦公樓進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，在借助BIM建模優(yōu)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了原方案與優(yōu)化方案的節(jié)能效果與各項(xiàng)改進(jìn)措施，結(jié)果可為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供必要支撐。

1 辦公樓設(shè)計(jì)原方案

圖1為辦公樓設(shè)計(jì)原方案的BIM模型，包含模型圖和渲染圖，建筑布局為長(zhǎng)方形，占地面積為88 m×55 m，樓高19.6 m，5層建筑，室內(nèi)設(shè)計(jì)有辦公室、自習(xí)室、閱覽室和會(huì)議室等，將結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)等通過(guò)Gbxml軟件導(dǎo)入后采用Design Builder軟件進(jìn)行能耗分析[6]。其中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括外墻、外窗、屋面和天窗，外墻由18 mm水泥砂漿、180 mm澆筑混凝土、98 mm聚苯板、18 mm石膏板和18 mm水泥砂漿組成(傳熱系數(shù)K值為0.317 W·m-2·K-1)，外窗由聚乙二醇透明玻璃2.8 mm、12.8 mm空氣層和普通透明玻璃2.8 mm組成(傳熱系數(shù)K值為2.07 W·m-2·K-1)，屋面由9.8 mm瀝青、玻璃棉、190 mm澆筑混凝土和12.8 mm石膏板組成(傳熱系數(shù)K值為0.261 W·m-2·K-1)，天窗由普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空氣層、普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空氣層和普通透明玻璃2.8 mm(傳熱系數(shù)K值為2.189 W·m-2·K-1)。

(a)模型圖

在BIM模型中將辦公樓中的所有能耗都轉(zhuǎn)化為電力消耗，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[7]，結(jié)果見(jiàn)表1。表中分別列出了室內(nèi)照明、外部照明、室內(nèi)設(shè)備、外部設(shè)備、水系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)的電力消耗情況，可見(jiàn)，水的總消耗約為974.10 m3、區(qū)域冷卻總耗能為432 569.42 kW·h、區(qū)域供熱總耗能為878 776.99 kW·h、電力消耗總耗能為1 695 590.90 kW·h。

表1 辦公樓原方案中的電力消耗

2 基于BIM的節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

表2 辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)初步方案

在采用BIM技術(shù)對(duì)辦公樓進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮外墻傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗傳熱系數(shù)、天窗傳熱系數(shù)、窗墻比和通風(fēng)換氣次數(shù)等，每種方案(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)下設(shè)計(jì)了4種優(yōu)化組合方案。在建筑方案Ⅰ～Ⅳ的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出建筑方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的Pareto最優(yōu)解組合方案[8]，組合方案1～16的優(yōu)化參數(shù)見(jiàn)表3～6。

表3 建筑方案Ⅰ組合優(yōu)化參數(shù)

表4 建筑方案Ⅱ組合優(yōu)化參數(shù)

表5 建筑方案Ⅲ組合優(yōu)化參數(shù)

表6 建筑方案Ⅳ組合優(yōu)化參數(shù)

表7為辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化組合方案的耗能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，分別將建筑方案Ⅰ～Ⅳ的組合方案1～16的能耗分析結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[9]。建筑方案Ⅰ的組合方案1～4的全年總能耗分別為376.35×107，321.07×107，316.06×107，310.46×107W·h，建筑方案Ⅱ的組合方案5～8的全年總能耗分別為388.24×107，384.71×107，315.95×107，298.54×107W·h，建筑方案Ⅲ的組合方案9～12的全年總能耗分別為389.84×107，329.27×107，328.20×107，315.55×107W·h，建筑方案Ⅳ的組合方案13～16的全年總能耗分別為320.68×107，362.41×107，297.54×107，315.95×107W·h。對(duì)比分析可知，方案4在建筑方案Ⅰ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4種組合方案中全年總能耗最低。整體而言，建筑方案Ⅳ的組合方案15具有最低的全年總能耗面積指標(biāo)(最佳方案)，建筑方案Ⅰ的組合方案3由于具有較低的全年總能耗面積指標(biāo)且舒適度改善效果明顯[10-11]，可作為折中方案。

表7 辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化組合方案的耗能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

根據(jù)辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化組合方案的耗能統(tǒng)計(jì)分析，表8為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析結(jié)果。表8中分別列出了原方案、折中方案和最佳方案的形體系數(shù)、朝向、平面形態(tài)、外窗傳熱系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外窗設(shè)計(jì)、天窗設(shè)計(jì)、窗墻比、氣密性、自然通風(fēng)換氣次數(shù)、制冷設(shè)計(jì)溫度和供暖設(shè)計(jì)溫度等[12-13]。

表8 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

圖2為基于BIM的辦公樓原方案和最佳方案模型。通過(guò)建筑方案Ⅰ～Ⅳ的組合方案1～16的能耗分析與優(yōu)化結(jié)果，最佳方案下辦公樓的節(jié)能效果相較原方案有較大提升。從對(duì)比模型中可見(jiàn)，辦公樓的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墻比等都與原模型有較大差異，而這些改進(jìn)措施可以有效提升辦公樓建筑的節(jié)能效果[14]。

(a)原方案

3 結(jié)論

1)辦公樓原模型中，水的總消耗約為974.10 m3、區(qū)域冷卻總耗能為432 569.42 kW·h、區(qū)域供熱總耗能為878 776.99 kW·h、電力消耗總耗能為1 695 590.90 kW·h。辦公樓原方案的全年總能耗面積指標(biāo)為226.1 kW·h，最佳方案的全年總能耗面積指標(biāo)為193.0 kW·h。

2)方案4在建筑方案Ⅰ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4種組合方案中全年總能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4種組合方案中全年總能耗最低。

3)對(duì)比模型中可見(jiàn)辦公樓的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墻比等都與原模型有較大差異，而這些改進(jìn)措施可以有效提升辦公樓建筑的節(jié)能效果。

4)BIM技術(shù)的應(yīng)用可貫穿到辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)施工不同階段的信息進(jìn)行收集與整合，可以使得設(shè)計(jì)更加精細(xì)化和專(zhuān)業(yè)化，在建筑節(jié)能和綠色建筑領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。