基于BIM的建筑性能化分析实践——绿色节能分析为例

刘晓燕 王 凯

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

基于BIM的建筑性能化分析实践
——绿色节能分析为例

刘晓燕 王 凯

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

传统设计与建筑性能化是单线结合的过程，而基于BIM的建筑性能化设计是集合协作的过程。本文以南方某工程水乐园区域为例，从天窗开启率和材质的界定以及室内外温度场的优化等方面介绍了BIM在绿色建筑性能化分析中的作用。理论结合实际，突出强调了BIM在性能化分析中的作用和意义。

BIM 绿色建筑;性能化分析

引言

随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种三维软件日出完善，在提高质量，缩短时间和节约成本方面有着2D软件无法比拟的优越性。因此从2D到3D的是未来发展的趋势。BIM的概念最早源于20世纪70年代，美国乔治亚技术学院(Georgia Tech College)建筑与计算机专业查克·伊斯曼 ( Chuck Eastman)博士于20 世纪80年代提出其定义为“建筑信息模型综合了所有的几何模型信息、功能要求和构件性能，将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到一个单独的建筑模型中，包括施工进度、建造过程、维护管理等的过程信息”[1]。BIM即建筑信息模型(Building Information Modeling)是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[2]。

工程师在利用BIM 软件进行三维设计创建的模型已经包含了大量的设计信息，包括集合信息，材料性能，构件属性等，只需将建筑模型导入到模拟软件就能得到模拟结果。建筑模拟是指对建筑环境与系统的整体性能进行模拟分析的方法。因此也称为建筑性能模拟。其主要包括建筑能耗模拟，建筑环境模拟(气流模拟、光照模拟、污染物模拟)和建筑系统仿真[3]。在全世界和我国的绿色建筑迅速发展的形势下，建筑模拟已经成为建筑设计、评价、分析的必不可少的重要工具之一。

本文以国内南方某工程为例，研究了BIM技术与能耗模拟等建筑性能化分析的结合方式，以分析结果为设计人员提供参考，展示了BIM软件参数化设计的优势与特点。

1 研究目的与方法

三维软件与分析软件的结合途径一直以来是研究热点，建筑业界在思考如何结合才能发挥BIM软件的优势。在设计阶段，BIM软件建立的模型通常不能直接为模拟软件使用，仍需要重新在模拟软件中建立模型，需要做一些修改或者增加的输入。其中一个重要的原因在于模拟软件简化了模型。在模拟软件中，软件对系统进行分区，使得每个区内部参数一致以便于计算。所有的墙体等维护结构的构件被处理为没有厚度的表面，而在建筑设计中墙体是有厚度的。

为探索BIM技术与建筑性能化分析的结合途径，本工程将遵循BIM全生命周期的含义从工程规划开始之初即采用三维设计与性能化设计同步的方法来试探两者的衔接。

2 基于BIM的性能化分析

BIM的出现使得整个建筑和整套设计文件保存在一个集成的数据库。所有内容之间是相互关联的。参数化建模产生协调，内部一致并且可运算的建筑信息，而这个正是BIM的核心。BIM能够协调图形和非图形数据，如视图、图纸、表格。如果其中任何构件进行移动，其它相连的建筑将进行变化。参数化建模固有的双向联系性，将传递变动的特性，带来高质、协调一致可靠的模型，使得以数据为基础的设计和分析过程更加便利[3]。通常建筑工程由设计制作施工和运营几个独立部分组成，这种独立阻止互动。BIM方案服务于整个生命周期，通过统一的数字模型技术将各个部分联系起来。

本工程使用参数化建筑信息模型，比如墙、屋顶、门、窗等。这些信息可以对性能化分析提供必要的参数。墙体将根据实际构造设置，将准确的反应室内外热流的传递，仿真分析将接近于实际情况。图1为墙体构造表及其传热系数等属性。

图1 墙体构造表及传热系数等属性

本工程位于中国南方区域(图2)。周围视野开阔。工程包括室内步行商业街、次主力店、办公、娱乐楼、室内水公园、电影乐园等业态。地上建筑分为西、中、东北和东南区域。西侧布置室内水乐园，此区域为单层大跨度空间(局部有夹层)，为人们营造水上游玩的动感空间；建筑中部布置室内步行街，；东北区域布置娱乐楼，底层布置化妆品等大空间商业。

本工程利用BIM软件，将水乐园模型信息参数数字化，设计通过进行性能化分析后存在的问题反馈到模型中进行修改。

图2 工程平面图

3 BIM模型性能分析实践

本工程将BIM模型导入分析软件，对建筑能耗，采光照度，室内温度场等情况进行了模拟分析。

3.1 分析流程规划

性能化分析之间相互制约，相互联系的关系正是BIM优势所在，如图3。

图3 性能化分析图

3.2 数据交换逻辑

良好的数据互换功能是在选择软件时需要考虑的重要因素。输入和建模通常很耗时，因此模拟软件能够从外部数据库导入或者导出数据，将很大程度上简化输入。BIM设计的重点在于所结合的性能化分析都以BIM的参数化模型为中心。模型与性能化分析之间的联系是不断往返的。每一次分析后的修改都基于建筑模型。每一种分析都与其他分析相辅相成。BIM绿色设计基于对建筑基地环境中气候条件，温湿度、主导风向、自然资源等因素的调查收集，结合设计理念与手法建立建筑的初步信息模型。然后，从中提取出基本的建筑能耗模型，通过对该模型的能耗模拟分析与实时信息反馈，设计人员可进一步修改变更设计，使建筑能源的消耗和利用率得到优化。鉴于采光是办公建筑设计的关注点，可以通过光环境分析模拟软件对建筑的光环境设计进行模拟，结合模拟结果，对办公建筑采光的设计进行优化。各个分析之间相互连接相互制约[4]，如图4所示。

3.3 能耗分析

工程采用水冷冷水机组加冷却塔作为空调冷源，燃气真空锅炉作为空调及生活热水的热源。工程初始阶段针对天窗面积，材质和空调系统的形式，运行时间进行分析。此分析通过基于EnergyPlus 的Design Builder软件对不同的天窗材料(见表1)和不同的开窗率(40%，30%，20%)进行能耗模拟对比实验，选择出不同天窗的传热系数与不同的开窗率对建筑能耗的影响关系以及最适合的材料。

在能耗模拟实验中，热工参数、设计参数、设备性能参数均按照国家及地方标准规范取值。根据满足节能要求的初始条件进行全年耗模拟计算，得出了数值。通过设置不同天窗开启率的参数， 得出了不同的建筑全年能耗分析，见表2-4。

从以上采暖能耗表得出：天窗的开启率对采暖存在一定的影响。基于上述开窗比的条件下，选取开窗比0.2左右为最优。基于能耗最小的基础上以及增加开窗比的情况下，选取天窗材质考虑能耗增加较小的材质为最优，因此在六种材质中，宜选传热系数为2.1W/(m2.k)，遮阳系数为0.164的材质。

图4 数据交换逻辑

表1 天窗材质汇总表

天窗传热系数遮阳系数1DblRefA-HTINI6mm+3mmAri+6mm2.40.1822DblElecAbsBleached6mm+3mmAri+6mm2.40.733Projectroofglazing2.10.734DblRefC-LClr6mm+3mmAri+6mm2.10.1645DblElecABSBleached6mm+3mmAri+6mm1.7720.7396DblLoe(e2=1)TINI6mm+3mmAri+6mm1.7720.369

表2 采暖能耗汇总

表3 空调能耗汇总

表4 全年总能耗汇总

*单位面积级耗针对建筑面积计算，即能耗/总建筑面积。

根据以上结论，设计师调整了设计天窗开启率。在建筑模型中调整了天窗的大小后，返回到设计模型中进行采光以及舒适性的分析。是在基于DXF数据格式基础上，能够实现Revit Architecture与能耗模拟之间的数据共享。

3.4 室内外气流组织分析

良好的自然通风条件可以有效地减少建筑能耗。在本工程的温度场分析中，主要根据设计师的理念在建筑的西侧和南侧开启一定面积的窗户，进行建筑外部以及内部的气流组织模拟。确定窗户的开启位置以及大小。采用计算软件Ansys14.5对水乐园区域进行模拟。具体室外工况根据民用建筑供暖通风与空气调节设计规范进行设定。

图5为通过Revit导出，通过DWG格式导入模拟软件的模型。

图5 导入模拟软件的模型

为了探讨在何种气象条件下自然通风可以有效缓解室内湿度以及温度，选取两种工况进行对比分析。根据模拟计算的结果，如图6水乐园主题大厅的温度分布，并在建筑的高度方向上分别做不同的剖面。图6分别列出人体腰部和头部位置的温度分布。

图6 温度分布图

通过以上模拟分析得出，当温度为28℃的情况下，可以采取自然通风。

由于本模拟主要针对水乐园，因此散湿量对人体舒适存在影响，必须使得自然通风量大于散湿所需要的通风量。根据池水表面以及人体散湿量的公式计算出需求通风量，与模拟中的通风量进行了对比。

通过以上的模拟得出窗户的通风量数值为604kg/s。当水温为28℃，饱和水蒸气分压力为3782pa；室内温度为36℃情况下，空气的饱和水蒸气分压力为5946pa，根据相关公式，得出水面散湿和人体散湿需要的除湿通风量为714 736.5 m3/h，模拟的通风量为1 763 265m3/h，能够满足除湿量的要求。综合分析，自然通风的情况下，在室外温度为28℃时，自然通风可以满足人体舒适性要求。

根据上述的模拟结果，设计师对窗户位置的设置以及大小进行了调整，有效地改善了室内气流组织的效果，也为建筑的节能提供了参考。

3.5 采光分析

公用建筑对于光照的要求在相关规范中有明确要求。建筑设计师要求全自然采光为250lux。“全自然采光比”为建筑中某一点在全年工作时间中单独依靠全自然采光能达到最小照度要求的时间百分比。为了验证采光时间以及照度符合要求，使用ECOTECT软件对工程进行光照初步分析。

按照GB/T50033-2013《建筑采光设计标准》中对视觉作业场所工作面和展厅的采光系数要求进行分析计算(全阴天状态)。

图7为通过Revit导出GBXML格式导入ECOTECT进行建筑采光分析模型图。

图7 建设筑采光分析模型图

本次采光分析的天气状况采取了Uniform sky的条件。由于采光分析的计算结果与建筑所处的纬度有关，软件根据计算的采光系数与Tregenza公式确定的每个纬度的设计天空照度，来计算全年时间室内自然采光的照度，通过概率统计的方法计算出最终的结果。图8、9分别为为总体采光系数与采光百分比图。

从图中可以看在照度限值为250lux时，当水乐园大厅窗户开启率满足一定要求后，水乐园主题大厅90%以上的全自然采光时间都能够满足最低要求250lux的照度。

根据以上全自然采光的要求不断调节BIM模型，重新导出GBXML 格式并通过ECOTECT2010进行分析。这样不断修改与循环的过程改善了建筑模型与实体建筑的切合度。

图8 总体采光系数图

图9 采交百分比计算图

3.6 设计的优化

通过以上的一系列模拟，建筑设计选取了最优化天窗开启率；根据自然通风的模拟结果，确定了空调运行的时间，根据进风量的大小确定了窗户面积的大小；验证了天窗大小能够满足照度的要求。以上性能化模拟的互换格式为GBXML、DWG、DXF三种格式，格式的互换有效地减少了重复建立模型的繁琐，信息之间的互换能够有效利用。由此可以看出BIM建筑模型的信息以及格式的转换能够有效地提高建筑的利用率。

4 BIM与性能化分析结合的实践总结

BIM全过程起始于信息模型的建立，建筑模型的参数是性能化分析的核心。整个工程的进行中，三维设计为主导线索，模拟分析与BIM设计同步，通过不断模拟优化BIM设计参数。而传统的设计是单独的设计过程，缺少了各专业以及各周期之间的互动。传统设计对设计师的经验要求颇高，即便是这样，在建筑实体完成后进行验证，也会造成了一定的经济损失和施工进度的拖延。传统的绿色设计师将软件建立的建筑模型导入软件给予不同的分析，其属于单一分析且只能针对某一建筑性能进行分析，如采光或者能耗；绿色BIM设计却将建筑进行集成化整体分析并进行优化。弥补了传统设计的缺陷，将整个过程融合到一起。基于BIM的绿色设计却将传统设计数理以及抽象的效果更加直观表达出来，更加注重前期的预测，能够有效控制最后的建筑实体以及建筑成本。

[1]Edward Goldberg H．The Building Information Model：Is BIM the future for AEC design CADalyst，2004(21): 56-58.

[2]National BIM Standard-United States. http://www.buildingsmartalliance.org/index.php/nbims/faq/ (accessed: 2 March 2012).

[3]潘毅群. 实用建筑能耗模拟手册.中国建筑工业出版社.2013.9.ISBN 978-7-112-15510-1.

[4]任娟，刘煜等.基于BIM平台的绿色办公建筑早期设计决策观念模型.建筑实践, 2012(12):45-48.

Practice of BIM Integrated Building Performance Analysis——Aspect of Green Energy Saving

Liu Xiaoyan，Wang Kai

(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.,Shanghai200041，China)

It is a singlet combination process of traditional design and building performance,but BIM-based design is the process of building performance with collaboration. This article analyzes a water park project which shows the role of BIM in green building performance analysis design including opening rate and material of skylights and majorization about indoor-outdoor temperature. The article emphasizes the significance of BIM in performance analysis with theory and practice.

Building Information Modeling; Green Building; Performance Analysis

刘晓燕(1985-)，女，硕士，工程师,数字化技术咨询部BIM工程师。 主要研究方向：建筑模拟性能化分析、绿色建筑;王凯(1982-)，男，硕士，建筑师，数字化技术研究咨询部技术负责人、项目经理。主要研究方向：数字化设计及理论、可持续生态；建筑设计、城市设计与再生。

TU201·5

A

1674-7461(2015)01-0014-06