基于BIM技术的绿色建筑能耗评价
发布时间：2021-02-06
【摘 要】结合建设项目实际，借助问卷调查、专家访谈等方法对绿色建筑的设计及能源消耗现状进行调查分析，通过分析比较传统技术下的建筑能耗评价方法和 BIM 技术下绿色建筑能耗评价方法，提出了基于 BIM 技术的绿色建筑能耗评价模型。在此基础上，对具有典型特点的某建筑工程进行建筑能耗评价，验证模型的科学性和可行性。
【关键词】BIM 技术;绿色建筑;建筑能耗;评价体系
近年来，我国建筑能耗增长较快，约占社会总能耗的 30% 左右，已与传统 “能耗大户”工业能耗、交通能耗接近，建筑节能刻不容缓。中共十八届五中全会提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，我国节能建筑将实现跨越式发展，直接走向绿色建筑。目前，传统的建筑节能分析难以有效地指导绿色建筑设计，而建筑能耗评价作为绿色建筑设计和评估的重要组成部分，正逐渐成为研究热点。
1. BIM 技术在绿色建筑能耗分析评价的应用中具有显著优势
目 前， 绿 色 建 筑 评 价 体 系 主 要 由 LEED、BREE-AM、 CASBEE、HQE，而建筑能耗评价是绿色建筑评价体系中至关重要的环节。传统的建筑能耗模拟分析大都是在施工图阶段进行，建筑能耗模拟的优越性无法得到体现，并且施工图阶段能耗模拟很难对设计方案进行修改。传统的能耗模拟分析软件并不适用于方案设计阶段进行能耗模拟分析，BIM 技术则为在方案设计阶段进行能耗分析提供了解决方案。
传统的建筑能耗性能分析所使用的数学分析模型用于能耗分析方面存在不足。比如基于 CAD 模型，Tantisevi 和 Sornsuriya[1] 认 为 耗 时 是 其 首 要 问 题。Ryan 和 Sanquist 等 [2] 认为能耗模型在建筑设计阶段作用显著，将三类 BIM 工具(Ecotect、Green Building Studio 和 IES)对建筑仿真能耗与测量能耗进行比较，发现三类软件对建筑能耗模拟精度不同，Ecotect 最为精确。Jung 等 [3] 认为建筑能控要从 HAVC(采暖、通风、空调系统)进行，通过 Revit 建模，辅以 HAVC，在 Energyplus 环境下进行能耗模拟，基于遗传算法 GA 对建筑能耗进行优化，实现BIM辅助下建筑节能设计的目标。Cho 等 [4] 为了得出较为精确的建筑能耗模拟，比较了 Energy Plus 和 IES (VE)两者的有效性和适用环境。结论是 Energy Plus 的使用【文章编号】1006-3862(2016)03-0C14-04 亲和度更高而 VE 则更为灵活。Park 等 [5] 通过建立基于 BIM 的建筑能耗评价体系，并应用于实际案例，同时与基于 CAD 模型的评价方法比较，证明 BIM 相对于基于 CAD 的能耗模拟优势明显。
我国绿色建筑起步较晚，绿建评价体系尚处于完善阶段，结合 BIM 进行绿色建筑能耗评价的研究尚待深入 [6-9]。国内的研究者也意识到 BIM 在能耗模拟上的作用，云朋 [10] 研究了 BIM 主流平台框架下的生态节能分析与设计应用。刘芳 [11] 将绿建评估体系中各项标准逐条拆分后与 BIM 技术各项作用相结合，为绿色建筑设计过程中建筑材料、建筑能耗、建筑环境等计算和评估提供分析依据。李延钊 [12] 通过将南宁城市规划展示馆的 BIM 导入能耗分析软件 Ecotect 中进行分析，并对采光，通风进行优化，实现了 BIM 与能耗软件辅助下进行绿色节能设计的目标。管昌生 [13] 以武汉地区某小高层办公楼为例，基于 BIM 技术建立了相应的 3D-BIM 信息模型，通过信息转换，将该模型导入 BIM 子系统 -Ecotect 绿色建筑应用软件中，得到相应建筑节能分析模型。因此，BIM 技术的可视化、协调性、模拟性、优化性等特点将对推动绿色建筑能耗评价创新发展。
2. 基于 BIM 技术的绿色建筑能耗评价模型构建
2.1 BIM 模型的构建
基于 BIM 技术的绿色建筑能耗评价及优化模型框架结构如图 1 所示。
在 Ecotect 支持下的建筑信息模型分析，来源主要有两种：来自 Ecotect 本身的建模以及用其他建模软件如 Revit 建立模型，再导入 Ecotet 中进行能耗分析。
2.2 绿色建筑能耗评价体系的构建
基于文献 [14-18]，对影响绿色建筑能耗的因素进行分类和总结，并设计问卷进行调研，得出建筑能耗影响因素如表 1 所示。得出建筑能耗影响因素之后，需要进一步分析各个因素对绿色建筑能耗的影响程度，通过找出关键因素，即为可优化指标。拟采用 AHP 法求各项因素赋以权重，得出绿建能耗评价体系。
2.3 基于 BIM 技术的绿色建筑能耗分析及优化
通过绿色建筑评价体系对现有建筑进行评分后，将建立好的 BIM 模型导入建筑能耗分析软件 Ecotect 进行能耗模拟及分析，找出低分项对应的建筑指标，修改建筑信息模型中构件的性质或尺寸，以达到提高对应评分项得分的目的，实现节能优化。 3. 基于 BIM 技术的绿色建筑能耗评价模型的实证研究以某别墅项目为例，通过 Revit 建立 BIM 模型，将初步建筑信息模型导入 Ecotect 分析建筑能耗，专家依据建筑信息及初步能耗分析，确定各项方案层得分，找出低分项，在分析软件中修改对应参数，再次进行能耗分析，若能耗减少，则得以优化，据此得出新分数，估计建筑绿色水平。 3.1 基于 AHP 法确定因素权重(1)一级指标的判断矩阵及计算结果从建筑规划、围护结构、供热及制冷系统、电气与照明系统四个指标强调了节能设计的重要性，由专家针对两两比较各指标相互重要性，其准则层对目标层形成了一级指标的判断矩阵 A，如表 2。
(2)二级指标的判断矩阵及计算结果同理，得出方案层对准则层的二级指标的判断矩阵如表 3 ～表 6 所示。
通过计算，上述随机一致性比例 CR 都在允许范围内，故所有的相对权重都是可以接受的。计算 C 层的总排序如表 7 所示。
3.2 BIM 模型构建及初步能耗水平分析
在 Ecotect 中建立 BIM 模型，为专家评分提供依据，并与优化后的模型进行性能对比。为不失代表性，只建立土建模型，分析建筑方位、尺寸、结构位置等建筑规划信息和围护结构对供热 / 制冷的需求影响，最后计算供热 / 制冷能耗负荷。
3.2.1 采光系数和照度分析
对整个别墅区域进行采光系数和照度的分析，得到整体阳光辐射效果和平均每天接收的日光辐射结果如图 2 和图 3 所示。
从图 2 可以分析出，建筑第一，第三层采光较好，可针对第二层进行改进设计;从图 3 可以分析出，建筑在上午 8 点到 10 点采光并不是很好，初步估计是遮阳板的设计不够完善，建筑朝向有待改进。
3.2.2 热工分析
建筑热环境受到室内、室外多种因素的影响，室内因素包括室内的设备、人员产生的热量，室外因素包括室外温度、湿度和室外遮挡等。设定每个房间的人员活动和时间表、区域材质设置以及 HVAC 形式，在时间表中，由于建筑为住宅，因此把周一至周五的活动时间设置为每天 18 点开始到次日 8 点，而周末全天活动。设置好参数后，对建筑进行热工分析，选取别墅三层的一个卧室为分析区域，可得到如图 4 所示的不舒适小时数(即空调负荷)和图 5 所示的日能耗量。
由图5可知，在1～2月和11～12月，供暖耗能大幅度上升，在 7~8 月，供冷能耗较大。
通过对初始模型进行日照和热分析可知，建筑在遮阳、方位、外墙隔热、窗设计等方面存在不合理，导致能耗增加，评3.3 基于专家打分的建筑初步能耗得分基于本文已经得到 AHP 法的各层指标和权重，可知表 5、表 6 中包含通过 BIM 模型定量的项目，如：屋面传热系数，窗墙比等，同时也包含只能定性描述的项目。
3.4 BIM 模型修正及进一步能耗分析
3.4.1 地理方位修正
在 Weather Tool 界面，分析建筑最佳朝向，如图 6，红色朝向为最差，黄色朝向为最佳，蓝色朝向为当前朝向。可以看出，当前朝向离最佳朝向还有偏差，影响太阳辐射得热和采光，修正建筑朝向至最佳朝向。
3.4.2 遮阳板设计和窗面积调整
在 Ecotect 中对窗的面积进行改进，并利用遮阳优化设计改进遮阳板方位和大小，通过分析可得到图 7。
3.4.3 加强外墙保温措施
上述分析可得，该建筑保温性能不好以至于供暖负荷过大，因而导致建筑总体能耗的大幅增加，为了增强建筑模型保温性能，在 BIM 模型中调整外墙的性质，包括材料种类、材料厚度以及叠加方式，以此增加外墙保温性能。
3.4.4 修正 BIM 模型的能耗分析结果
修正 BIM 建筑信息模型后，再次进行制冷 / 供热负荷分析和全年累计能耗分析，结果如图 8 ～图 9 所示。
与初始模型分析结果对比，可以看到空调负荷和全年累计耗能明显减少，即说明对建筑的优化改进使建筑更加节能。图 8 改进后月供暖 / 制冷负荷图 9 改进后全年供暖 / 制冷能耗量累计图
4. 结语
利用 AHP 法分析建筑能耗影响因素，结合专家评定因子权重，得出绿色建筑能耗评价体系，并利用能耗分析结果进行建筑改进，实现建筑能耗优化。依托具体项目进行实证实分析，该绿色建筑评价体系可行，通过专家打分找出得分弱项后，有针对性地进行改进，改进能耗水平分析低于初始模型，实现了建筑能耗的优化。总之，BIM 技术作为绿色建筑能耗评价的重要辅助方式是切实可行的，不仅能通过评价为绿色建筑提供准确的量化指标，还能实现建筑在能耗评价过程中优化，BIM 技术在绿色建筑能耗评价和改进设计方面具有广阔的应用前景。——论文作者：杨文领
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