基于BIM 技术的外保温体系热桥热工性能分析研究

张广平 任子婷

（吉林建筑大学 建筑与规划学院，吉林 长春 130022）

伴随着国家经济的不断发展，大量建筑譬如住宅、公建、商场等也不断产生，每年的建筑所消耗的能量折合成电力来算的话，大概有2.3 万亿度电，建筑物的耗能主要来自于北方城市取暖、大型公共建筑、普通住宅与公建的非取暖耗能例如照明、家电等以及农村生活耗能等。我国目前的能源较为匮乏，按照经济的发展速度，建筑的不断发展，后期建筑用能会越来越高，所以目前我国应该寻找一条适合自己的节能发展道路，增强可持续发展的能力。而我国目前使用的以石材幕墙为代表的的新型热桥在热工性能方面还存在着较大的问题，所以，对于热桥技术的创新研究发展在今天能源大量消耗的情况下就显得尤为重要。

1 BIM 技术介绍

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling），又称建筑信息模拟，其构成的建筑工程信息模型支持新产品开发管理，并且可由计算机应用程序直接解释，即把建筑环境数字化，其把建筑设计与建筑工程汇总的各个专业组成一个统一的整体。其具有可视化、协调性、模拟性、优化性的特点。对于BIM技术的应用，就是建筑师在一个三维的环境里建造一个建筑设计模型，这个模型包含了全面的建筑设计信息，其可以在里面添加虚拟的参数设置，可以自由选择造价、性能、材质、尺寸[1]。其无论是在观感还是在专业上来说，都是非常精确的。通过对BIM 的技术的应用，设计人员以及建筑人员可以很好地理解建筑中的各种工程数据，使得各方面协作更加便利、精确。

2 热桥热工性能研究的重要性

2.1 常见热桥结构的热工性能影响

当今时代人们也已经开始注意到建筑的围护结构影响着能源的消耗问题，一些建筑上面也开始应用这方面的设计，对于建筑热桥的热工性能影响非常明显。常见的热桥有八大类，分别是墙热桥、柱热桥、门热桥、窗热桥、楼板热桥、屋顶热桥、阳台热桥及其它热桥。各个热桥的位置详见图1.1

图1.1 热桥的常见结构

其每个热桥的形式以及特点如下：

W-P 墙热桥，其形成的原因是内外墙体吸放热面积不同和材料的不同，其危害是影响墙的保温性能；W-C 柱热桥，其形成的原因是钢筋混凝土柱与外墙或内墙相接触所形成的传热性能的不同，其危害是在框架结构和框剪结构中热桥危害更大；W-D 们热桥，其形成的原因是门材料与墙体材料传热特性的不同；W-W 窗热桥，其形成的原因是，上窗热桥是由于窗上有过梁，其只在砌体中存在，侧下窗热桥是由于窗户型材与主墙体传热性能差异，其危害是幕墙热桥成为窗热桥的主要形式；W-F 楼板热桥，其形成的原因主要是楼板与梁、主墙体间相接触；W-R 屋顶热桥，其形成的原因是屋顶和房间圈梁相接触形成传热不均的现象，其危害在于女儿墙热桥也是屋顶热桥中常见的一种形式；W-B 阳台热桥，其形成的原因是，复合保温墙体，阳台处外墙保温材料被切断，其危害在于开式阳台比闭式阳台热桥更为明显；其他热桥指的是遮阳热桥、天窗热桥等[2]。

2.2 以石材幕墙为代表的新型热桥效果不理想

石材作为一种新型的建筑外墙的一种围护结构，其具有抗风压、防雨水的功能，并且还有一定的保温和隔热的效果，在隔音和透光效果方面也很不错，其对于整个建筑外墙的热工性能影响很大，一定地提升了热工性能，在外保温体系中非常重要。但是在以往的设计当中，大部分的建筑师没有利用好石材其保温和隔热的效果，国家对于石材的热工设计计算也没有相应的规定，因此，外墙热工性能系数的计算只考虑了墙体的传热系数，并没有考虑石材的影响。而且目前国内对于石材幕墙的施工主要是干式的施工方式，这种施工方式将一些保温的材料采用一些固定、龙骨以及埋件的方式进行连接，这种方式使得建筑更加的安全和牢固，但是通过龙骨保温层被削弱，产生热桥，如果选择了不恰当的材料或者是施工不当，可能会导致火灾。

3 用BIM 方法研究石材幕墙热桥传热

随着计算机技术的不断发展，计算机在建筑领域的应用不断增多。从1965 年开始设计师们就开始了对建筑环境以及控制系统进行动态模拟研究。初期主要产生了一些简单的动态传热算法，例如度日法、bin 法等。在七十年代以后，计算机的高速发展更是推动了模拟技术以及计算机软件的发展，先后出现了BLAST 以及DOE-2 这两款软件。再后来的发展中，又接着出现了TRNSYS 和HVACSIM+这两款软件。这些模拟软件，均用的是一维或者二维处理，过于简单，在处理热桥传热的时候会带来较大的误差。现在大多数的设计师用的是CAD 技术来解决一些三维的问题，用多个二维来表达建筑整体，虽然具有一定的效果，但是经常不准确的设计修改耗费了大量的时间和人工，我国目前很多都是采用CAD 加3Dmax 一起来进行操作，但是仍然存在着上述问题，既花费了大量的时间，图纸也不甚精确[3]。新形式的热桥，在实际的测试中很容易出现误差，其迫切需要一种新的软件进行模拟。进入到新世纪后，BIM 的诞生，为热桥传热的测试以及模拟带来了很大的影响。相对于现大多数用的CAD，其具有的可视化、协调性、模拟性、优化性使热桥传热的模拟变得更加的准确。

4 热桥传热实测研究

4.1 能耗模拟软件介绍

本文将选用ANSYS 软件进行模拟，其是由美国的John Swanson 博士发明的软件，因为其自带建模与分析系统，是一种应用BIM 技术进行建筑分析的先进软件。

4.2 测试热桥传热系数方法

目前我国现场测试热桥传热系数中多采用以下三种方法：热箱法、热流计法、红外热成像检测法。

4.3 测试对象描述以及测试方法介绍

本次测试选取了某小区商业区的一角进行，测试时间共48 小时，本次实验主要测量该建筑物的室内和室外的温度、石材表面的温度、石材幕墙连接件温度、测试墙体内外表面温度以及热桥和非热桥部位的热流强度。室外温度测量时，要在百叶箱内放置温度计，室内温度测量时，在房间中央1.5m处进行测量。在热桥与非热桥部分分别设置测试点，以此来对比石材幕墙热桥部位与非热桥部位的热流强度。第一测试点测试热桥部位，第二测试点测试非热桥部分。并且，在石材幕墙的内外以及内部的热桥和非热桥的部位设置6 个温度测试点。

4.4 测试结果分析

经过测试，我们得出了以下结果。

四个测点的温度与空气的温度基本一致，说明了热桥外表面温度与普通的保温层外表面温度以及石材内表面温度很接近。

测温点5 的温度比测温点6 的温度要低，说明在测温点5 的部位受到石材幕墙热桥影响较大，流出了较多的温度，测温点6 温度与室内温度更加接近，说明其保温做得比较好。

测温点1 的热流量最大，可达到平均31.132W/m2，测温点2 的热流密度小很多，平均为21.347W/m2，说明热桥对于外围传热的影响很大。通过石材幕墙热桥，室内温度大量流入室外，对于建筑节能造成了很大的影响。

5 传热模拟石材幕墙热桥

5.1 石材幕墙热桥节点建筑模型的搭建

干挂石材幕墙一般是由埋板、铁质龙骨、连接件、挂件和石材组成。此次模拟选用石材幕墙尺寸为12000*9000，分格尺寸为600*1000。

在ANSYS 中建立石材幕墙热桥模型，BIM 技术的应用基于对信息化模型的深度利用，将模型导入ANSYS 软件中，建立热桥节点模型，其由外部环境温度、石材、石材与墙体间中间层、贯穿式连接件、埋板、建筑物墙体以及室内环境温度几方面组成。

干挂石材幕墙热桥的模型可分为4 层，由内到外分别是墙体、岩棉保温层、空气层、石材层。

石材幕墙边界条件设定，如表5.1

表5.1

5.2 石材幕墙模型分析

本次模拟室外温度为-5℃，室内温度为18℃，空气层密闭，在该计算参数下，我们得到了以下的结果。

石材层的温度分布为-4.475℃～-2.434℃，在热桥部位的温度比其他部位高，说明热桥传递的热量在石材层表面导出。并且热桥部位的热流强度很大，说明了石材层散热明显。空气层在热桥影响下，热量损耗较大。岩棉层与墙体：墙体温度以及热流的分布于岩棉层类似，接近热桥的部分温度会偏低，热流强度大。这种模拟的结果证明了石材幕墙热桥会对墙体的保温带来不利的影响。

6 结论

随着人们对于建筑能耗的关注，人们对于建筑的保温性能看得越来越重，计算机技术的飞快发展，为设计师们带来了诸多的模拟分析方法，基于BIM 技术的三维建筑模拟软件的使用，提高了对于热桥热工性能分析的效率。本文通过对BIM 系统模拟热桥传递问题的研究，通过分析以往的研究手段，采用了实地探究加上计算机软件模拟的方法，印证了利用BIM 技术对外围护结构传热问题的解决的方法。