基于BIM技术的公共建筑三维节能仿真研究——以永安高铁站房为例

欧阳松，吕小彪

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)



基于BIM技术的公共建筑三维节能仿真研究
——以永安高铁站房为例

欧阳松，吕小彪

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068)

摘要：以永安高铁站房为例，应用Revit工具建立了项目建筑三维BIM模型。基于BIM模型大数据集成的优势，将模型输出并导入到Ecotect等绿色建筑分析工具中进行了建筑节能三维仿真研究。通过考虑太阳辐射和最佳朝向、风环境模拟、光环境模拟等对该建筑物的能耗进行了节能仿真分析，探索了被动式建筑节能设计优化方法，并提出了综合节能设计方案。

关键词：BIM技术；节能仿真；公共建筑；节能设计

1工程概况

永安南站是新建南平至龙岩铁路上的新建中间火车站，地处福建三明市永安市。站房形式为线侧平式,站房建筑共2层,建筑面积9993.1 m2，建筑高度为21.35 m(建筑室外设计地面至其檐口与屋脊的平均高度)，建筑体积62573.89 m3，建筑外表面积17653.71 m2。站房主体结构为钢筋混凝土框架结构体系，站房主体屋面为网架结构，办公部分屋面为钢筋混凝土结构(图1)。

图1　基于BIM技术的节能研究工作流程

建筑结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级为2级，抗震设防烈度6度，建筑耐火等级不低于2级，屋面防水等级为1级，主体屋面采用压型铝合金板复合保温屋面。围护墙体采用240厚M10水泥混合砂浆砌MU10烧结多孔页岩砖。建筑外门窗气密性能分级不低于4级，水密性能分级为3级，传热系数K≤2.6；自遮阳系数Sc≤0.24；门窗框料选用断热型铝合金型材。

2基于BIM技术的建筑节能研究现状与工作流程

2.1BIM技术概述

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)通过三维BIM模型将建筑、结构、给排水、电气、暖通等各专业设计数据整合进同一个数字化模型，结构与设备、设备与管线间的空间关系可以三维仿真模拟，并进行各种方案比较、优化和设计数据协同更新和共享。最终通过三维BIM模型更新整合成最优化的综合设计方案，这为优化建筑节能设计提供了革命性的技术手段。

2.2建筑节能研究现状

当前，国内诸多建筑设计单位的建筑节能研究和节能设计还是围绕着围护结构的保温设计来开展，建筑节能研究和节能设计通常安排在设计的最终阶段。建筑节能设计变成了以提高暖通空调系统能源效率为主的设计，建筑设备和系统设计逐渐变成了建筑节能设计的主要内容[1]。这导致当前新建公共建筑的使用能耗增长过快，建筑节能设计亟需优化。

随着BIM技术在建筑领域的迅速发展，基于BIM技术的建筑设计、建筑能耗模拟分析、舒适度模拟分析、节能设计应用研究成为建筑节能领域的研究热点。Salman Azhar研究了BIM技术在可持续设计和美国LEED评估中的应用[2]。Eng.Parisa Esmaeili Moakher 研究了 BIM 技术在能耗分析中的应用[3]。曾旭东研究了将BIM应用于建筑节能设计的方法，并创造性的提出了将建筑设计与建筑环境分析相结合的设计方法[4]；邱相武和赵志安则研究了基于BIM技术的建筑节能设计软件开发,在建筑设计前期阶段就利用BIM技术对建筑的热环境性能和建筑的体型和空间进行分析，提高建筑节能设计和节能分析的质量[5]。

2.3基于BIM技术的建筑节能研究工作流程

建筑节能研究旨在通过优化节能设计和管理，降低建筑使用生命周期的能源消耗。可以通过三维BIM模型获取建筑空间布置、建筑朝向、建筑构件、建筑材料等信息，进行建筑三维仿真模拟和节能设计，使建筑能耗满足节能优化指标。若不满足要求，可根据节能分析计算结果优化建筑设计方案。如此反复，直至获得最优的建筑节能设计。整个节能分析过程可以由建筑师独立完成，也可由建筑师和暖通工程师合作完成。由此解决建筑设计和节能设计被割裂、数据丢失等问题，提高工作效率。基于三维BIM模型的节能研究基本工作流程如图1所示。

3工程案例BIM模型的建立与数据导入

3.1构建项目建筑三维BIM模型

根据站房建筑方案设计信息建立BIM信息模型。为了满足相关节能设计的分析，信息模型应包括建筑构件和管线综合系统等基本元素的几何数据、物理特性、施工要求等相关信息。根据建筑设计数据和建筑构造特征使用Revit工具建立站房三维BIM信息模型，如图2所示。

图2　永安南站BIM模型

3.2BIM模型数据导入

将站房三维BIM模型导入Ecotect中创立节能分析模型，导入后三维模型和分析模型分别如图3和图4所示。在此之前需要对模型进行简单的处理：关闭与将要分析房间无关的房间、地形、空间体积及面积等数据，相关房间分析需要时，再重新开启。这样简化的目的是减少冗余数据，增加节能计算的准确度。而对BIM模型使用Flow Design工具进行风环境的模拟分析，则直接在Revit中运行，无需另外导出并转换格式。

将BIM模型导入Ecotect中可以有两种格式：GBXML和DXF。GBXML格式适用于对光、声等物理环境的分析，而DXF格式则适用于热环境分析和可视化分析等。

图3　BIM模型导入Ecotect中的可视化模型

图4　BIM模型导入Ecotect中的分析模型

4基于BIM技术的节能研究关键技术及实现

4.1太阳辐射分析和最佳朝向

太阳辐射分析主要是根据基地气候条件、经纬度等对建筑某一段时间的太阳辐射进行对比分析。根据全年过热期得到的太阳辐射量、过冷期得到的太阳辐射量、全年加权平均太阳辐射量等仿真结果来综合分析研究，确定建筑的最佳朝向[7]。如图5所示为永安地区最佳朝向仿真分析结果。图中红色箭头和黄色箭头分别表示项目建筑BIM模型中节能分析的最差朝向和最佳朝向，角度分别为80°和170°，全年平均辐射量最多的朝向为112.5°，全年辐射量过多的朝向为81.5°，全年辐射量过少的朝向为162.5°。

图5　最佳朝向仿真分析

如图6所示为逐月直射太阳辐射量分析。图中红色和蓝色区域表示项目建筑BIM模型的节能分析中太阳辐射过强和过低的时段，较粗的黄色线条代表的是该方向上直射太阳辐射平均值。本基地纬度较低且建筑南立面使用了较多的玻璃幕墙，建筑BIM模型经Ecotect的初步仿真分析显示候车厅有太阳辐射量过大的问题，因此在南立面建筑方案设计中适当修改，增加百叶和廊道设计，缓解南向太阳辐射过大的问题，同时兼顾立面外观改善效果。

4.2风环境模拟分析

将项目建筑BIM模型导入到Flow Design工具中分别设置模拟分辨率(Simulation Resolution)、风速(Wind Speed)和显示模式(Display Mode)等分析条件。如图7所示为项目建筑夏季主导风向条件下建筑整体风环境仿真模拟。图中红色和黄色区域为风速最大和较大区域，青偏蓝色为风速较小甚至为零区域。综合上面的最佳朝向和太阳辐射分析结果，可以为建筑师选择建筑最佳建筑能耗朝向和立面方案提供技术依据。

图6　逐月太阳直射辐射量分析

图7　项目建筑风环境仿真模拟

4.3建筑光环境分析

光是建筑环境的重要组成部分，良好的采光设计可以有效提高建筑的光环境舒适度，同时有利于减少照明能耗。使用Ecotect针对项目建筑BIM模型的自然光环境进行研究，给出采光系数、照度和亮度等一系列控制参数，仿真模拟上午9：00～17：00的建筑光环境，以30 min为间隔，应用BIM模型仿真数据对项目建筑自然光环境做综合分析，优化设计建筑空间节能方案。日照与阴影仿真分析如图8所示，采光与照明仿真分析如图9所示。从仿真结果可以看出，候车厅的自然采光条件相对较差，可以适当加大南北向采光面积。对建筑空间设计进行修改后，BIM模型相应自动更新空间数据，重新利用BIM模型导入Ecotect仿真分析可以快速重新计算建筑光环境指标，如此反复，直到获得理想节能效果的建筑空间设计方案。

4.4被动式节能优化分析

通过CSWD提供的当地气象数据进行焓湿图分析，对项目建筑被动式节能设计进行优化分析。被动式太阳能采暖关键取决于室外的温度和太阳辐射量。温度过低或辐射量太小，被动式太阳能采暖都不能够实现。项目建筑首先仿真分析单一被动式太阳能采暖节能方案，通过设置人的活动量、太阳能采暖效率、建筑方案窗墙比，根据当地气象数据对建筑BIM模型进行仿真分析。项目建筑设计有两种方案，窗墙比设置分别为40 %和58 %，导入焓湿图分析，分析结果如图10和图11所示。对比可知，窗墙比设置58 %的建筑设计方案，1～3月室内热舒适度有明显提高。

图8　项目建筑阴影遮挡分析

图9　项目建筑采光与照明分析

图10　40 %窗墙比建筑方案焓湿图分析

除了对建筑设计中某种被动式节能策略进行分析之外，还可进一步进行复合被动式节能策略的组合对比分析，以期得到最佳的能耗和热舒适度的组合策略。如图12为采用被动式太阳能采暖、自然通风及直接蒸发降温3种复合策略后的项目建筑热舒适仿真分析图。图中浅色和深色分别代表采用单一被动式节能策略和复合被动式节能设计策略前后的热舒适度仿真数据。如图12所示，采用复合被动式节能策略后，项目建筑室内热舒适度有了很大提高。

图11　58 %窗墙比建筑方案焓湿图分析

5结语

通过对福建永安高铁站房进行基于BIM技术的三维节能分析与优化，探索了基于BIM技术的建筑节能分析与优化的经验和方法。在三维BIM模型的基础上进行建筑能耗仿真分析与数据验证，提高了分析的准确性和节能优化效率。由于三维BIM模型可视性强、数据提取迅速、模拟效果好，无论是用于节能仿真研究还是节能优化设计，较传统节能设计模式具有革命性进步。在建筑BIM技术日益发展的今天，建筑节能分析与节能设计要从建筑方案设计阶段就考虑优化节能设计，在整个建筑设计过程中要进行精细化的节能设计。

目前，针对BIM技术进行建筑节能分析和节能设计，实现建筑三维低碳设计与建造的方法和理论还处于起步和加速发展阶段。BIM技术使得建筑能耗数据测量、建筑节能方案动态仿真模拟、节能减排数据与三维建筑空间信息整合成为可能。虽然目前国内建筑节能研究与BIM技术的结合方面仍处于起步和探索阶段，随着BIM技术和建筑节能设计的不断发展，两者的一体化设计必将为我国建筑节能设计的主要发展趋势。

图12多重复合被动式技术的组合对比分析

参考文献：

[1]杨仕超.建筑节能必须回归节能的本质[J].工程建设标准化，2015(9)：13～14.

[2]AZHAR S, CARLTON W A, OLSEN D.Irtishad Ahmad：Building Information Modeling for Sustainable Design and LEED Rating Analysis[J].Automation in Construction，2011(20)：217～224.

[3]MOAKHER P E, PIMPLIKAR S S. Building Information Modeling (BIM) and Sustainability-Using Design Technology in Energy Efficient Modeling [J].IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSRJMCE),2012(1):10～21.

[4]曾旭东,赵昂.基于 BIM 技术的建筑节能设计应用研究[J].重庆大学学报，2006(2).

[5]邱相武,赵志安,邱勇云.基于 BIM 技术的建筑节能设计软件开发研究[J].建筑科学，2012(6).

[6]柏慕.Autodesk Ecotect Analysis 2011绿色建筑分析实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[7]中国建筑科学研究院.公共建筑节能设计标准：GB50189-2005[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

Study on Three Dimensional Energy Saving Simulation of Public Buildings Based on BIM Technology——Taking Yongan High-speed Rail Stationas an Example

Ou yang Song，Lü Xiaobiao

(SchoolofCivilEngineering&Architecture,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China)

Abstract:Taking Yongan high-speed rail station as an example, this paper built project of building 3D-BIM model using Revit tools.Based on the advantages of large data integration and association of BIM model, the BIM model has been put output and import to the Ecotect and other green building analysis tools for three-dimensional simulation of building energy efficiency.The energy consumption of the building was simulated and analyzed by considering the solar radiation and the best orientation, the wind environment simulation, the light environment simulation and so on. The passive building design optimization and comprehensive energy saving design alternative were explored based on the psychrometric chart analysis and thermal comfort analysis.

Key words:BIM; energy saving simulation; energy saving Analysis; energy-saving design

收稿日期：2016-03-08

基金项目：湖北省大学生创新训练项目(编号：201510500025)

作者简介：欧阳松(1993— )，男，湖北工业大学土木建筑学院建筑系大学生。

通讯作者：吕小彪(1979— )，男，讲师，主要从事绿色建筑与建筑节能教学与研究工作。

中图分类号：TU242

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2016)10-0191-05