基于 BIM 技术的外窗保温构造新设计

吴月滢，郭旭焱，蔡 红

（北京联合大学，北京 100020）

0 引言

由于近年来降低建筑能耗已成为减低能耗的重中之重，而外窗又是外围护结构中热工性能最薄弱的部分，本文通过 BIM 技术，针对外窗这一建筑构件保温、隔热、采光等性能进行新设计，望新升级能够提高外窗保温隔热水平，以降低外窗能耗，促进智能门窗发展，因而开展节能窗技术的研究与开发具有十分重要的意义。

1 研究背景及意义

1.1 研究背景

近年来，随着我国经济的快速发展，人们对居住地的能耗要求越来越高，建筑能耗成为大众视野里的新重点，但我国建筑耗能占全国能源消耗总量的三分之一，每年有 160 亿 m2面积、能源利用率仅 33 % 的高耗能建筑在建。为推动建筑行业的发展，降低能耗迫在眉睫。据调查，通过门窗流失的能耗占到了建筑能耗 51 %，而我国外窗的质量参差不齐，使得门窗成为我国建筑能耗一大漏洞。据测算，欧洲现行门窗标准 K 值为 1.3，我国门窗平均 K 值约为 3.5。全国城镇现有建筑住房面积约 430 亿 m2，按门窗占建筑面积的 25 % 计算，如果实行欧洲现行标准，每年可节省标准煤 4.3 亿 t，节能价值巨大。

我国现今绝大多数门窗都是塑钢和普通铝合金门窗，保温节能性能不佳，相对于较为保温隔热的智能门窗来说，我国的智能门窗普及率并不高，而且由于智能门窗的质量不佳，经济成本高，性价比低等原因导致在国内智能门窗的知名度并不高，而在欧洲，使用高档节能门窗的比例已达到门窗总量的 67 %。如今智能门窗的应用主要在一些诸如公共场所和高档商品房等地方，对于普通家庭来说成本过高，因而普及率较低。

外窗作为建筑外围结构的重点，其性能优劣直接影响整个建筑物的能耗，根据住房和城乡建设部2019 年 1 月 7 日颁布的 JGJ 26－2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中新标准的规定，虽然对于外窗的保温性能进行调整，但与国际标准仍有较大差距，就纬度相差不大的北京与日本北海道地区比较，有关建筑维护结构传热系数外窗的规定，北京为 4.00 W/（m·K），而北海道为 2.33 W/（m·K）。针对所反映的保温性能问题，本项目运用 BIM 技术在窗户内部面积占比较大的透光部分增加保温层，以提高外窗的保温性能。

目前，我国智能门窗的发展重点在于整体的控制系统，防盗系统以及防劫系统，且后期维修成本较高，对于节能减排的关注度较低，针对降低能耗方向的设计和发展较少。目前我国建筑智能门窗体现的问题集中于外窗保温、采光性能水平较低，传热系数较高，自然采光利用率低，因而无法满足保温和降低能耗的要求。

1.2 文献综述及研究意义

我国智能门窗标准体系不完善，设计水平较低，进而影响外窗的舒适度、性价比、采光、保温等性能。国内关于智能门窗的有关问题已有许多研究与设计，可以分为几部分因素。

1）从智能门窗未来的前景分析中，赵亚楠从目前智能技术在建筑上的研究中认为我国大部分的智能建筑只在某一功能或建筑物的局部结构中体现出智能化的特点，一些智能建筑的功能和技术还有待进一步改进和完善［1］。

2）对于降低智能门窗成本方面，赵浩然等指出基于国内智能门窗价格昂贵的原因，从家用智能门窗控制系统的设计来说，希望利用单片机、传感器等器件，设计出一套造价低廉且可以步入寻常百姓家的兼具智能遥控、环境监测、防盗等功能的智能门窗控制系统［2］。

3）对于智能门窗技术的问题，孙亨通等从供电模块、控制模块、灰尘颗粒检测模块、风速检测模块等几方面设计，整体围绕便捷的安装、功能可扩展，低功耗等运行为预期目标，根据需求分析，优化了系统方案，确定系统的功能模块［3］。

4）针对智能门窗的监视功能，丁琳等基于ZigBee 和 4G 技术相结合的门窗智能控制系统的软硬件设计方案，改变了传统的监控方式。系统以 CC2530 为微处理器，以 ZigBee 的无线自组网和 4G 无线网络技术为通信方式，实现了门窗控制的智能化［4］。

但前期的研究与设计大多关注于智能门窗的成本问题和控制系统，而针对我国建筑能耗外窗消耗过大、外窗保温性能不高、自然采光利用不佳等问题的设计并不多，笔者基于 BIM 技术的外窗保温构造新设计在室内设计的保温层和折光材料的弧形结构，能让室内温度与外窗隔离，由此达到保温、隔热、环保、降低能耗的目的，同时不影响采光和景观。采光方面，根据 GB 50033－2013《建筑采光设计标准》中的规定如为节省外窗能耗，提高采光水平，应选择采光性能优良的材料，建筑外窗的透光折减系数应＞ 0.45。在自然采光利用率不高这个问题上，可在外窗保温构造设计中采用折光材料会大大提高采光性能，根据内外的光照条件进行自动调整，外部增加遮光板聚光板，从而提高自然采光的利用率，进而减少室内人工采光的能源消耗［5-9］。

2 关于智能门窗现状问卷以及问题调查分析

2.1 居民对智能门窗的认知调查

通过对居民对智能门窗了解程度情况的调查，有 12.5 % 的人对智能门窗很了解，而有 53.13 % 的人一般了解；经过深入调查，人与人的生活环境不同，并且对于门窗的智能需求要求不高，并没有很了解智能门窗，有 31.25 % 的人不了解智能门窗，甚至还有 3.13 % 的人从未听说过智能门窗的存在。也是因为智能门窗还没有大众化，并没有广泛应用于居民之中，也可能是居民认为智能门窗存在一些安全以及费用消耗上有一定的问题（见图 1）。

图1 居民对智能门窗了解程度情况图

2.2 居民家中智能门窗的安装情况调查

据数据显示，仅仅有 9.38 % 的居民家中安装了智能门窗，而 90.63 % 的居民家中没有安装智能门窗。根据这个结果，智能门窗在居民家中安装情况很少，这与居民对智能门窗的了解成正比（见图 2），居民不了解智能门窗自然不会去愿意安装它。

图2 居民家中智能门窗的安装情况图

2.3 居民对于安装智能门窗获得的最大便利的情况调查

有 34.38 % 的居民认为最大的便利情况是节能保温，有 21.88 % 的居民认为是舒适度提高，有 40.63 % 的居民认为使用便捷，还有 3.13 % 的居民认为采光效果好。由此调查得知，居民对于智能门窗带来的便利的理解各有不同，但对于每一个好处相对来说比较平衡，由于大多数居民对于采光问题不是很了解，所以极少数人认为最大便利是采光效果好（见图 3）。

2.4 居民对于使用智能门窗所存在的最大障碍的情况调查

图3 居民使用智能门窗所获得的最大便利的情况图

有 12.5 % 的居民认为最大障碍是使用智能门与普通门的区别不大，这可能是因为居民对于智能门窗的了解以及运用功能不太了解，有 56.25 % 的人认为经济成本高，现在人与人之间的经济水平有所偏差，一些家庭没有条件安装智能门窗，有 21.88 % 的认为维修费用高，维修费用也算是经济成本中的一部分，所以总的来说经济问题是安装智能门窗最大障碍占比 78.13 %，其他的障碍问题相对较小。

2.5 居民对于智能门窗未来发展的建议

据调查结果显示，居民认为智能门窗未来发展应该更加节能隔热；提高采光、视野等方向上的舒适度和 提高产品质量均占一半以上人数。所以这三个建议对于智能门窗未来发展是必不可少的，需要多加改善努力加强来使智能门窗更好的融入更多居民的家庭中。

3 针对智能门窗存在问题的设计

从有关智能门窗的现状调查中可以看出，当前智能门窗的问题较多，现状颇为严峻，针对以上问题，本文对智能门窗的保温、采光和成本三方面进行改进。

3.1 对于保温性能不佳及损失能耗较多的问题设计

针对智能门窗在冬天时保温性能不佳这个问题，通过资料搜索和研究，在智能门窗的内外增加了保温层，在窗框材料上本项目采用断桥铝材料，断桥铝是铝合金门窗的升级改良产品，在铝合金型材上增加隔热条就能阻挡室内外的热能传导以达到保温节能的效果。对于窗扇部分使用中空玻璃结构，使窗户显示出隔热、保温的功能，可节省采暖、制冷费用，中空玻璃的节能效果显著，其传热系数 K 值为 3.17～3.59 W/m2·K。如表 1 所示，首先在材料的保温隔热性能上，断桥铝的优势较普通门窗来说更加卓越，采用隔热型材内外框软性结合；而对保温层的加固，本项目采用 PA66 尼龙隔热条，隔热条负担着门、窗的水密性和气密性两大重任，可以隔绝冷热空气、风霜雨雪和风沙，还能有效地隔绝噪音和节省能量。通过完善窗扇和窗框的材料、增加隔热条可以将热气阻挡在室内，减少热量的丧失，以减少能源的消耗；夏天时将室内冷气阻挡在屋内，减少冷气的流失，以减少空调用量。

表1 隔热断桥铝合金门窗与普通铝合金门窗优劣对比

表2 透光折减系数分级指标

3.2 对于自然采光利用不佳的问题设计

根据现行国家标准 GB/T 11976－2002《建筑外窗采光性能分级及检测方法》对采光性能的定义：建筑外窗在漫射光照射下透过光的能力。外窗的采光性能用透光折减系数表示，分为 1～5 级，如表 2 所示。

式中：Tr为窗的透光折减系数；Ew为安装窗试件后光接收器的漫射光照度；E0为窗试件卸下后光接收器的漫射光照；i 为光接受器序号；j 为数据采集次数序号；n 为光接收器个数；m 为数据采集次数。

本项目构思在智能门窗室内一侧增加了一个可拆卸的弧形构件，利用弧形反射板反射自然光，从而提高室内采光（见图 4、图 5）。提高采光对于智能门窗玻璃的透光率要求也很高，首先，在立面上门窗立面在主视部位的视线高度范围内（1.5～1.8 m 左右）不设置横框和竖框，以免遮挡视线；其次，门窗在立面分格按一定规律设计体现变化，并且窗户分格线条疏密有度，分割比例协调；弧形构件可拆卸，不会影响窗户的采光，弧形构件反射自然光提高室内的采光效果（见图 6、图 7）。

图4 窗户模拟立体图（1）

图5 门模拟立体图（2）

图6 弧形构件侧面示意图

3.3 对于智能门窗成本过高的问题设计

图7 弧形构件位置示意图

在生活中常见的门窗大致有实木门窗、铝合金门窗、塑铝门窗等，材质不同，价格肯定也不同。比如实木门窗，不可能说用的全是一种木材，也有高端的木材，比如具有防水、防潮、防腐蚀等优势，也有相对低档的，可能就没有那么多的优势特点，而铝合金门窗用的是高端铝合金挤压而成，两者之间无论是色泽度还是手感肯定都存在着很大的差距，所以价格也一样会有差距。现在家庭中常用实木门窗，铝合金门窗等，是因为它们的价格相对来说居民可以接受，现今智能门窗之所以没有广泛地应用于居民家中是因为智能门窗的成本过高。智能门窗可以设计多种款式，比如断桥铝门窗，随着环保意识的深入，节能环保的家装材质越来越受欢迎，而断桥铝门窗则是这样的环保材质，其具有保温、隔音隔热、防火防盗、不易被腐蚀，环保节能的优点，同时也存在通风性欠佳，开启的角度不能随意控制，密封性差的缺点，但是它的好处相对较多。没有一种材料是完美的，所以弊处是每个门窗都会存在的问题。还可以使用铝木复合门窗，随着人们对居住舒适度和室内装饰要求的提高，衍生出了铝木复合门窗。铝包木门窗保温隔热性能好，环保健康。除此之外，还有很多不同的材料可以应用到智能门窗中，这样可以使人们在经济与需求方面有更多的选择性，既可以满足人们对智能门窗性能的需求也可以有灵活的价格供人们选择，这样就解决了人们对于价格的顾虑。除此之外可以运用智能窗膜，其可以自动变暗时阻隔和吸收红外线减少热量传递，可以节省居民大笔的钱花在空调上。

4 结语

智能家居带来的科技感正在渗透建筑行业，而随着智能家具的大众化时代的来临，作为智能家具子系统的智能门窗是智能家居推广的基础，但智能门窗存在保温性能不佳、自然采光的利用率不佳、能耗、国内外智能门窗发展和设计水平差距较大较多等问题。

本文对于智能门窗节能保温，降低能耗的改进，无论是对每个家庭甚至整个社会，都有特殊的意义，不仅能降低能耗，节约能源，提高智能门窗性价比，实现外窗的最佳保温性能，还可以降低我国整体的建筑能耗，提高社会的经济效益，减少经济损失，践行习近平总书记提出的节约能源和水土资源，从源头上减少污染物排放，提高我国经济发展绿色水平。