基于BIM技术的既有居住建筑节能改造方案设计

2016-12-09张学顺方廷勇

工程与建设 2016年3期

张学顺，方廷勇，徐俊，王毅

张学顺1，方廷勇1，徐俊2，王毅3

(1. 安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601； 2. 安徽建筑大学城市建设学院，安徽合肥 238076；3. 中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西西安 710018)

提出基于BIM技术的既有居住建筑节能改造方案，探讨基于BIM既有居住建筑的节能改造方案设计流程。以某小区居住建筑节能改造为研究案例，对居住区建筑现状进行实地调查，同时分析其节能潜力，依据建筑节能设计标准和建筑节能改造技术导则等规范设计出3套方案，利用BIM技术对比3套方案的节能效果和节能改造费用，结合节能改造经济性分析，最终选择第1套方案。

建筑信息模型；既有居住建筑；节能改造

2006年以来，全国各地陆续开展既有居住建筑节能改造，但是这些改造还停留在建筑1.0时代。随着既有居住建筑改造越来越多，建筑功能越来越复杂，使用传统节能改造设计施工方法也日益暴露出许多不足之处。

建筑信息模型(BIM)[1-3]的出现改变项目参与各方的协作方式，使每个人都能够提高生产效率并获得收益。在既有居住建筑节能改造中，BIM技术优势明显，可分析、实现最低能耗，并借助通风、采光、气流组织以及视觉对人心理感受的控制，最终得到最佳的改造方案[4-5]。

1 项目概况

某小区共建有居住建筑6栋，均为6层住宅楼，设计使用年限50年。建造于1997～1999年，总建筑面积为6 381 m2。结构形式为普通框架结构，未采取保温措施。外墙采用烧结普通砖，清水墙体分化严重，外观情况比较差。屋面为加气混凝土层平屋面，使用过程中重新做过防水。外窗构造形式各户情况不一，大多依旧采用老式普通铝合金窗户，保温性能比较差，气密性也不好，漏风现象严重。根据项目原始图纸内容进行绘制，注意标高等参数设置。在模型创建过程中，针对原工程竣工项目实际情况及分部分项工程在使用过程中已改造部分进行修正。

2 节能围护结构热工性能分析

将Revit中的模型导入到建筑节能设计分析软件Pbeca中,可以计算出建筑物各朝向的窗墙面积比、建筑物体形系数、考虑热桥影响后墙体的平均传热系数等，比较判断计算结果是否满足相关节能标准要求。

结果表明，屋顶构造、外墙构造、可开启面积、外窗气密性及综合权衡均不满足节能标准要求，该建筑需要进行节能改造。

3 改造方案设计

既有居住建筑改造原则[6]需要同时考虑改造效果和改造费用2方面因素，由于各地区气候条件、经济条件不同，建筑物特点也不尽相同，各地区需要结合本地实际情况因地制宜的原则，制定节能改造方案。本项目节能改造设计方面应该尽可能地不破坏原有的建筑结构，同时不改变原来的居住功能。

3.1 节能改造目标

根据文献[7-8]要求，对既有居住建筑提出节能改造方案，根据对节能潜力分析设定项目改造目标，具体目标见表1所列。对于外墙综合遮阳系数，设计值为0.40/0.45，规范限值为0.40/0.45。

表1 节能改造目标 W/(m2·K)

3.2 方案初步设计

根据既有居住节能改造措施和相关规范，结合本地区的气候条件、居住习惯和住户对改造费用预算，设计3套不同方案，主要包括建筑围护结构构造、可再生能源和室内布局等方面设计。具体方案见表2所列。

表2 节能改造方案措施

3.3 方案对比优化

(1) 节能性分析。将提出的节能改造方案，建造出相应的Revit三维模型。在Pbeca、Ecotect、斯维尔Vent和Energy plus等软件中，分别验证热工参数、采光遮阳、室内通风和建筑全年能耗是否满足要求[9]。

室内通风分析(选取安徽省合肥市气象数据)如图1所示；方案1、方案2、方案3分别如图2、图3、图4所示。

图1 改造建筑室内通风分析图

图2 方案1室内通风分析图

图3 方案2室内通风分析图

图4 方案3室内通风分析图

通过3种方案对比分析,针对在满足空气龄不大于1 800 s的要求下，现状房间与方案3内的卫生间空气龄相对于其他区域而言较大。方案1与方案2改变卫生间开启位置，卫生间内的空气龄明显降低。

室内采光分析(选取安徽省合肥市气象数据)如图5所示。

图5 室内自然采光系数云图

通过3种方案中的对比分析,按照建筑采光标准，合肥市住宅建筑需满足采光系数不小于2.2%，又要考虑建筑遮掩效果，在降低夏季空调能耗的条件下，现状案例的采光系数为3.35%，方案1采光系数为1.45%，方案2采光系数为3.30，方案3采光系数为3.21%。方案3的优化效果最好。

对3套方案分别使用Pbeca软件,分析围护结构传热系数,结果见表3、表4所列。表3中,S、K1、K2、K3、K4、K5、K6、D1、D2、Z分别为体系系数、屋顶传热系数、外墙(包括非透明幕墙)传热系数、屋顶透明部分传热系数分户墙传热系数、楼板传热系数、门户传热系数、屋顶透明部分遮阳系数。

表3 3种方案围护结构传热系数分析结果

表4 外窗(包括透明幕墙)3种方案参数对比 W/(m2·K)

通过3种方案数据分析，可以看出方案1的热工性能最优，其次是方案2，最后是方案3，均满足安徽省居住建筑节能设计标准的相关要求。

(2) 可视化分析。Revit所建三维模型，在软件里可以进行可视化分析，设计人员及时对改造方案做出修改意见，并对比不同方案在建筑美学方面的优缺点。通过对3套方案的渲染图观察，加上屋顶绿化和外墙垂直绿化后，整个建筑,色彩更加丰富，外观效果更好一些。对于屋面形式，坡屋面更好看一些。

(3) 能耗分析。利用Energy Plus软件，分别对3套方案的全年能耗进行分析[10]，根据文献[11]对采暖和空调系统进行运行规定，通过对软件输出的数据进行统计分析，得到改造建筑能耗的实际情况，如图6所示。

(4) 造价分析。将设计方案的 Revit 工程模型导入到算量软件鲁班土建2014中，进行清单定额套取并计算工程量。3套方案的经济指标分别为176.98元/m2、181.21元/m2和152.03元/m2;对于单位经济指标，方案1与方案2、方案3分别相差3.5%和16.19%。总体而言，方案1与方案2的造价相差不大，方案3造价最低。

图6 建筑能耗分析对比图

4 结论

(1) 根据能耗模拟结果，该项目在进行节能改造后，对于方案1、方案2、方案3的建筑物单位能耗，由70.08 kWh/m2分别降低为39.92 kWh/m2、43.4 kWh/m2、53.86 kWh/m2，按此计算每年的节能收益，方案1为114 566元，方案2为101 346元，方案3为61 614元。

(2) 根据投资回收期法进行对节能改造经济性分析，动态回收期计算考虑资金时间价值、折现率等因素，设第1年全年为改造期，货币的标准折现率为5%，并从第2年产生折现率，计算节能改造的支出费用和改造后每年收益情况。

运用动态回收期公式得到计算结果，方案1动态投资回收期为13年，方案2动态投资回收期为15年，方案3动态投资回收期为21年。

[1] 何关培.BIM和BIM相关软件[J].土木建筑工程信息与技术,2010,2(4):110～117.

[2] Jung Y,Joo M.Building information modeling (BIM) framework for practical implementation[J].Automation in Construction,2011,20(2):126～133.

[3] Jeong Y S,Eastman C M,Kaner S R.Benchmark tests for BIM data exchange soft precast concrete[J].Automation in Construction, 2009(4):469～484.

[4] 刘超.建筑信息建模技术(BIM)与绿色建筑设计[J].绿色建筑,2011(4):48～49.

[5] 许娟.BIM平台下基于设计流程的建筑节能设计[D].天津：天津大学,2013.

[6] 崔卫波.浅谈建筑节能设计和节能改造要点[J].科技信息,2011(25):723,793.

[7] 陈科迪.合肥地区既有居住建筑节能改造技术研究[D].合肥：合肥工业大学,2012.

[8] 王科.重庆地区既有建筑节能改造及热环境改善研究[D].重庆：重庆大学,2011.

[9] 王润生,王文略.浅析BIM在建筑设计中的应用[J].青岛理工大学学报(自然科学版),2014,35(1):43～48.

[10] 徐俊.基于TRNSYS的外墙热桥能耗分析[J].江西建材,2016(11):2～3.