GIS与BIM相结合的校园运维研究及新能源汽车充电桩布设

汤文凯 王思佳 谭木兰

（西南石油大学土木工程与建筑学院，成都 610500）

迫于人口、工业化、市场等多方压力，我国的自然环境正在不断恶化。弥漫各个城市的雾霾，日益干涸的河流，严重的水土流失无不在给我们敲响警钟。

近年来国家开始加强对建筑行业环境影响的重视。绿色建筑理念被大家逐步重视起来，绿色建筑指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源，包括节能、节地、节水、节材、保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑物。[1]所以我们将目标转为如何通过BIM技术对既有建筑进行分析，确定合理的运维方案，对既有建筑进行科学高效的管理，从而达到绿色运营的目的。

本文我们选取西南石油校园作为参考，运用 BIM技术对既有的教学楼-“明志楼”进行能耗、光照、疏散三方面的分析，以分析结果为参照依据进行教学楼运维管理方案设计。并且假设在未来校内新能源汽车趋于饱和时，如何布设充电桩才能在节能的前提下满足大部分教师的车辆充电需求。

1 工程概况

1.1 项目简介

图1 明志楼项目模型渲染

本次研究主要以西南石油大学校园及校园二期工程的5层综合教学楼-明志楼为主体进行分析。明志楼总建筑面积30 800㎡，地上建筑5层，占地20 690㎡，高22.7m；地下建筑1层，占地4 930㎡。其负1层作为地下停车场使用、1-3层为实验与教学用地、4-5层为院系教师办公室与研讨室，目前明志楼完全满足日常教学授课使用与教师办公的能力。明志楼模型渲染图如图1所示。

1.2 工程特点和难点

本项目作品涉及专业多，需要建筑，结构，机电等各专业协调配合；软件涉及较多，学习掌握难度大；研究问题新，探索过程需克服问题多。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

通过这次研究我们主要为了达成两个目标：1）使既有教学楼-明志楼的运维更加高效合理；2）假设在未来校园新能源汽车饱和时，布设的充电桩既能满足正常需求又尽量节约。

2.2 实施方案及应用措施

1）对于运维研究部分：我们通过对明志楼进行精细化建模，对其进行：能耗、光照、人员疏散三方面分析，对分析结果中的可优化因素进行改进，提出优化方案使教学楼的运维更加高效合理。

2）对于充电桩布设部分：我们通过无人机建立全校GIS模型，对重要的建筑物进行建立BIM模型，在3Ds Max上将两者整合，配合我们前期调查得到的数据，提出充电桩布置方案。

2.3 人员组织

为达到以上目的我们组成了包含：土木工程、工程管理、测绘工程及建筑能源与环境应用工程四大专业的10人团队，通过指导老师的统一协调安排，从不同的角度完成分析设计。

2.4 软件环境

所使用的软件包括 Revit、Lumion、InfraWorks 360、Autodesk Insight 360、Green Building Studio、Pathfinder、DeST、Ecotect Analysis、DJI GO等软件。

3 BIM应用

3.1 BIM建模

GIS是一种特定而十分重要的空间信息系统。其主要功能是采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层）与空间分布有关的数据。[2]而BIM技术则是将建筑物可视化，并在将相应的建筑信息关联到了模型中，相较 GIS信息而言，更注重建筑微观信息，两者相结合就构成了建筑的全部信息。首先通过无人机航拍正射影像、倾斜摄影等方式对学校进行近地面遥感数据采集，数据采集完成后，通过软件生成相应的三维模型；其次校园中的重要建筑，例如：四大明楼、图书馆、学生食堂等我们均使用Revit进行了模型建立。最终将两部分共同导入3Ds Max完成整合，并将整合好的文件导入Lumion完成最终的校园渲染漫游。如图2所示：

图2 校园模型渲染

3.2 BIM应用情况

3.2.1 运维管理

（1）能耗分析

通过使用 Autodesk Insight 360、Green Building Studio等能耗分析软件，我们得到了明志楼的全年能耗情况为：

表1 明志楼全年能耗成本比例

通过系统能耗分析得出，能耗成本中电量占比91%，燃料占比9%；年耗电量中HVAC占比78%，照明占比12%，其他设备占比10%。

从表 1中可以发现明志楼的最主要能耗为空调系统的消耗，所以我们从该方面入手，通过正向设计为明志楼建立了更高效绿色的空调系统。

（2）光照分析

明志楼照明系统耗电量主要包括：教室照明、实验室照明、办公照明耗电量。其中教室照明耗电量较大，教学楼单位面积平均照明功率为11.0 W/m2。一间典型教室有功率为40 W的粗管日光灯共12盏,总功率为480 W,平均每天开灯时间为9 h。整间教室白天开灯时间过长,造成较大的电能浪费。

因此，我们以Ecotect软件为基础对明志楼光照条件进行分析，将分析结果作为依据验证自动控制照明系统的可行性。如图3所示。

图3 Ecotect中光照分析图

（3）疏散分析

对该教学楼按照Pathfinder的要求建模，导入软件发现拥堵点，与实际情况进行对比验证软件的精确度。再对各个造成拥堵的原因进行分析，改变这些条件并重复建模、验证的过程，最后得到一个相对最为合理的人员疏散方案及路线，最大程度上保证在疏散时，人员撤离最快、最安全。

3.3.2 新能源汽车充电桩布置方面

通过现有的全校园模型我们找到其中具备布设充电桩条件的区域共13个。以大量的问卷及市场调查为依据我们得到了车位与充电桩的两种布设比例，并将这两种布设方式进行比选，得出最终方案。如图 5所示（布设图太大，截取一部分图）。

图5 明志楼充电桩布设图

4 应用效果

4.1 空调系统的正向设计

在暖通空调专业中，运用BIM技术设计，并进行管线碰撞分析，能很好地提高暖通空调设计工作完成度，减少施工工作量，提高效率，减少返工，节约成本。空调通风、排水设计局部如图6、图7所示：

图6 空调通风设计局部图

图7 空调排水设计局部图

BIM的可视化功能集成多维信息，精确地储存了暖通空调工程中的设备及管线的属性及空间信息，进行模拟施工组织方案，为后期施工安全管理提供了有力的技术支持。

表2 空调系统设计参数

在围护构造以及其他建筑图元性能参数不变的情况下，采用不同的HVAV系统对明志楼进行能耗模拟分析比较。以12 SEER/7.7 HSPF 分体式/整体式热泵为基准，分别比较二管制风机盘管系统，冷水机组 5.96 COP，锅炉效率 84.5；中央 VAV，电阻加热，冷水机组 5.96 COP；中央 VAV，HW 加热，冷水机组 5.96 COP，锅炉效率 84.5（默认值），将结果从碳排放量、耗电成本进行对比分析，得出12 SEER/7.7 HSPF 分体式/整体式热泵最适合目前的教学楼。结果对比如图8、图9所示。

图9 系统分析对比结果图

安装光敏电阻控制自动开关灯后会减少明志楼照明年耗电量32 919.18kW·h，费用17 667.9元。

4.2 自动控制照明系统可行性

我们将得到的数据汇总统计并作出相应的表格，根据学校的作息时间8：00-22：00，计算明志楼2017年月平均照明系统耗电量。照明分析流程如图10所示。

根据现在市面上常见的光敏电阻控制自动开关灯系统耗平均耗电量计算得：明志楼年平均照明耗电量为：54 759.06kW·h，费用为29 372.7元。

图10 照明分析流程图

图8 年能耗成本对比图

4.3 减少疏散时间的方案设计

通过疏散模拟我们得知，明志楼现有状况疏散时间为160s。明志楼作为综合型教学楼分为A、B两个区域，除了最基本的教室外还有实验室、会议室、教师及行政办公室。基本教室集中在三楼，决定了三楼人流量最多，而A、B区的连接部分楼梯离两边最近，所以平时使用人数最多，同时与该楼梯旁的A311教室容纳人数较多，所以此处的楼梯是一个拥堵点。A301教室容纳人数较多，且与 B301、B302、B303教室相近，同时该教室旁的楼梯离 B区大门最近但相对较窄，这也是一个拥堵点。在明志楼结构无法改变的情况下我们想要减少疏散时间只能通过优化排课完成。

具体方案如下：错开A301教室与B301、B302的时间，减轻A301教室旁楼梯的压力。A311教室有课时就避免该教室两侧的 A303、A305的使用。在优化了排课后我们最终得到的疏散时间为 120s，比原方案减少了40s。

4.4 新能源汽车充电桩布置

校园内的车辆绝大部分来源于教师，所以我们对教师进行问卷调查，得到教师更换新能源汽车意愿、每周开车到校的平均次数等数据。如表3、表4、图11、图12所示。

表3 教师每周平均开车至学校的次数分布

表4 教师每天开车上班的距离概率分布

图11 油/电量低于多少时选择加油/充电比例

图12 未来选择何种电动车比例

在此基础上我们对市面上现有的新能源汽车续航里程进行调查，计算得知目前市面上新能源汽车平均续航里程为257.8km。通过上述数据得出每周行驶消耗的理想电量 K=每周开车到校次数×平均行驶距离/257.8；则理想状态下，计算得出理想剩余电量。在对教师进行的问卷调查中我们发现当电量低于 35%时选择充电的人数高达86%，所以我们选取35%电量作为充电的临界电量。最后我们通过统计得到：全校现阶段车辆数2 460辆，校方给出车位数约3 000个。则计划一周需充电的汽车数量 B=需充电车数量百分比（k3+k4）×2460×67.1%= 802.22；充电桩比例=B/3000=0.267。详细数据如表5所示。

以得到的比例为基础我们设计了如下两种充电桩布置方案：1.13个区域均按照基本比例布设。2.将 13个区域的停车状况细分，在车位集中并便于充电桩布设的位置加大布设比例进行充电桩布设。得到如下两种方案：

将充电桩布置到校园模型后对比发现：方案二的布设方式更方便汽车充电，同时充电桩更加集中便于线路的敷设，所以我们决定将方案二作为最终方案。

表5 考察数据结果

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图13 四大明楼区域布局图

图14 地下车库充电桩布置图

5 总结

5.1 创新点

（1）多专业参与

团队成员来自工程管理、土木工程、建筑环境与能源应用、测绘工程四个专业从多角度运用BIM技术。

（2）绿色建筑

本次作品我们综合使用多种软件，力求贴近绿色建筑理念，使教学楼乃至学校运行更加高效合理。

（3）GIS+BIM交互

本次作品我们对GIS+BIM技术进行探索，利用两个软件的交互使用综合地理及建筑信息为智慧校园打下基础。

（4）正向设计

在空调系统的设计中我们采用了正向设计的理念，直接在建筑模型中完成空调系统的搭建。

5.2 结语

本次研究中我们着重通过运维阶段的管理对建筑物的进行节能减排设计，希望能通过科学的方法降低建筑物的运维能耗，使其的运行更为高效合理。以此作为推广，进行既有建筑绿色改造，能在很大程度上降低建筑物对环境的影响。当然，新建建筑在此基础上同时也要在设计及施工中贯彻绿色建筑理念。研究中我们对GIS+BIM系统做出了初步的探索，为日后的智慧校园打下了基础。我们认为绿色建筑不应仅仅是作为建筑本身来谈，而应该和其他方面的节能减排相结合，所以进行了充电桩的分布设计。希望在绿色建筑的基础上为其他方面的节能减排提供便利，实现更大层面上的绿色与可持续发展。