基于BIM技术的建筑工程能耗分析

蔡毓剑，杨太华

(上海电力学院，上海 200090)

1 引言

近年来，随着国家经济社会的发展，民众的生活水平日益提高，城市化的进程也是有了大跨越。城市的快速发展，使得基础设施的建设量也是与日俱增。据统计，房屋建筑、桥梁道路等市政设施所消耗的能源占自然界能源供应的1/2，而建筑物日常运行消耗的能源远大于全球能源的50%。建造过程中产生的污染物占据了全球污染总量的1/3。就现在我国现状来看，建筑业的需求仍在以20%的速度增加，但是对于建筑的信息化管理还是止步于初级阶段，与国际平均水平相比更是有10倍的差距。

目前来看，在欧美发达国家中，整个工程建设行业在制定规范时，都已经接受了BIM技术，并且在使用BIM技术时很快见到了效果。根据Autodesk公司所统计出的数据来看，使用BIM技术提高了项目产出、提升了企业的竞争力、减少了施工的周期、缩短专业之间的协同设计协调时间。本研究利用BIM技术，通过三维数字信息化模型对建筑物进行设计前的模拟和能量消耗的分析，这对传统节能分析方法难以提前判断其建筑设计能耗问题，实现了BIM 技术的预演。利用Revit软件对于建筑工程进行能耗分析，且可以进行有效的调整。

2 BIM技术在国内外应用情况

中国城市化进程的飞速发展带动了基础建设需求持续增长，长久以来，我国建筑行业的能耗情况同发达国家相比还是有较大的差距。在国内，研究建筑能耗分析的模拟大多在项目的施工图阶段，能耗分析模拟的优势无法体现，也达不到模拟起初想要达到的目的，并且施工图阶段能耗分析模拟出的结果很难再对施工图进行修改。从张蓓红等的研究观点来看，现有的传统能源统计和通过建筑能耗实例的抽样方法对现有建筑进行研究，显然目前的建筑能耗分析手段还是较为落后的。而相较于传统方法不适用于项目设计阶段，BIM技术则能在项目设计之初就提供模拟并且改善建筑能耗情况[1-3]。

国外的相关学者对于BIM相关方面的研究较国内更早，更深入，建筑体系相较于国内也是愈来愈完善。国外将建筑能耗分析的提前模拟作为建筑行业的一些硬性规定。美国总务管理局(General Services Administration，GSA)最早推出了国家3D-4D-BIM计划，并且陆续发布了系列BIM指南。将BIM技术的应用放在设计之初，进行协同设计，以达到建筑能耗控制的目的。

3 BIM技术的概述

近些年来，BIM也就是建筑信息模型在工程建设业界掀起了轩然大波，随着BIM的迅速发展也是得到了业界的广泛关注。大家对于BIM达成了统一的认识，认为BIM将是引领建筑信息化的方向标。但建筑信息模型有着怎样的特点，有着多大的延伸性，如何去界定建筑信息模型的范围就成了随之而来的新问题。

建筑信息模型这个概念是由卡内基梅隆大学建筑和计算机科学专业的教授Chuck Eastman提出的BDS概念衍生而来的。美国的BIM标准委员会对BIM作出了这样的定义：建筑信息模型是利用计算机数字技术建立包含建筑生命周期内所有的物理属性和功能特性，建设单位通过该模型来对建筑物整个生命周期进行管理[4]。

建筑信息模型(BIM)是在一定的基础和标准的前提下，通过建立、完善、利用建筑物的电子信息模型，参与各方从自身的需求出发对电子信息模型进行插入、提取、更新和修改信息的一个过程，来实现自己的需求。BIM技术是一项高效的3D数字化技术，通过运用贯穿项目整个周期都通用的数字格式，从项目一开始到项目结束，建立和收集建筑物的所有电子信息，进行信息利用，如以此为基础对各方工作的协调和后续各项决策的制定。BIM技术的5大特点[5]如下。

3.1 可视化

平面图纸信息在现有的建筑行业中是常见的设计和传递信息的手段，而图纸的种类的多样性也造成了传统施工信息传达时，大量的图纸被运用，信息的传递达不到高效的标准。而在BIM技术中建筑信息模型在计算机软件的处理下，建筑构件转化为可视的三维图形。项目设计、建造、运营等多方面的参与者可以从不同的层面，以不同的视角在项目的整个生命周期中直接交流、决断。极大程度上避免了错误和返工情况的发生，大大地节约了各方的时间和精力，提升了效率。

3.2 协调性

建筑行业是一个特殊的行业，这一性质在传统的方式下设计单位、施工单位和业主多方通常需要在工程进行中彼此相互关联，时刻保持三方的联系通力合作。遇到问题后往往需要组织在一起协调去具体问题怎么补救。运用BIM技术可以在项目未开工之前进行工作组的协调安排，实现工作组织设计的最合理化。在建筑物建造前期进行碰撞检测、分析和协调，协调数据快捷生成，避免问题的发生，发现各专业设计工作之间的不匹配，提前对问题进行修正。

3.3 模拟性

BIM的模拟性除了建筑物的模型模拟仿真，更可进行一些实际操作中无法模拟的情况，从现实世界的情况出发，模拟自然灾害。在整个设计的过程中BIM模拟日照光强和冷热传导，得出所需要的设计参数。在施工过程中，BIM进行施工方案的模拟，筛选出最恰当的施工方案。模拟建筑信息后期的运维中，可以进行灾害情景演练的模拟。

3.4 优化性

在设计、建造、运营过程中无论是传统的分析模式还是运用BIM技术都是一个循环优化的过程。项目参与者如果不依靠现代数字技术工具，没法对现实复杂情况下的工程进行全面的高质量优化处理，而BIM技术提供了这个工具，也提供了全面优化建筑的可能性。BIM技术可以对建筑物进行优化处理，从而对其有更加全面的认识。BIM技术不仅仅针对工程的过程，还对设计变更所带来的一系列包括工期和成本的增加、图纸修改等问题做出了提前一步的预测和评价。

3.5 可出图性

BIM的出图，不单单是用模型帮助建筑设计院的生成设计图纸，BIM技术更可能对建筑物存在的问题进行一系列处理之后，针对综合管线图、综合结构留洞图进行出图。

结合五大特点综合分析得出，BIM技术具备两大优势。第一，将建筑物的模型进行3D立体化的呈现，结合进度、成本等相关信息可以实现多维化，信息更加详细可视。第二，真实的模拟度，传统条件下，项目建设参与方只能依照建筑物实际情况和经验来断定建筑自身、建筑物构件布局是否合理、建筑物的设备安装是否合理，而BIM技术只需要掌握建筑物信息而不需要建筑物实物的存在，就可以分析判断出以上问题。

4 工程协同设计中的BIM能耗分析

以某三层楼自住别墅为主体，通过Revit软件建立建筑物BIM模型并且在Revit软件中生成建筑物能量模型，对建筑主题能量模型进行设置。随后将Revit软件中的能量模型导入到Ecotecct软件，对建筑整体的能耗进行分析。为了保证Ecotect软件能耗分析结果的代表性，对于建筑物主体能量设置包括项目的地理坐标、项目坐标位置的气象条件资料，建筑物的外墙和室内结构。MEP系统中能量的设定全部采用系统默认的自然类型(包含热力类型，锅炉类型，冷却类型和通风方式等)。以此依据来对建筑进行建模。

Revit软件是应用在建筑信息模型的基础下的一款开发建模软件，他支持可持续设计、碰撞检测、施工规划和建造，Revit软件所搭建的建筑信息模型平台，包括了整个工程设计的过程，从三维建模到二维平面绘制再到文档系统的储存，从建筑、结构、给排水、暖通、电气到各个专业的全部信息，从最开始的设计方案、工程项目的研究再到最终的施工图纸和材料清单的统计等。

图1～3展示了三层别墅建筑的大体建筑物信息，图4～7则是通过对建筑物进行热工分析、光照分析和全年太阳轨迹进一步分析得出建筑物最佳朝向和较优的能耗方案。

图1 别墅三维模型

图2 建筑物二层平面

图3 建筑物立面

图4 太阳光照视

图5 太阳全年轨迹

5 结语

研究了包括BIM技术的发展、BIM技术的特点、BIM对于建筑行业的益处，另外，还完成了三维模型的建设，对于整个建筑物的能耗分析，并且对其进行了优化。在完成设计的过程中自己本身对于BIM技术信息化有了更深的认识。研究得出两点结论：第一，建筑行业内目前大多都在使用CAD图纸，CAD与三维软件BIM等之间存在软件接口的问题，使得两者之间的转换比较困难；第二，就目前的硬件设施来说，由于数字化程度高，数据庞大，三维软件对存储和数据处理容量要求较高，是目前技术的挑战。在BIM应用的能耗分析中，三维建模的确起到了较为突出的作用，通过前期的各项参数模拟，从而达到建筑能耗在目前技术可以达到的最优解决方案。这一成果可以在今后的工程协同设计和施工中推广应用。

图6 辐射数值表

图7 建筑物最佳朝向