基于BIM 的绿色建筑能耗管控核心技术研究

2021-12-31宋永朋张艳

工程建设与设计 2021年20期

宋永朋，张艳

（青海省创业发展孵化器有限公司，西宁 810001）

1 引言

BIM 技术是科学技术，尤其是软件技术不断发展而衍生的产物，将该技术应用在建筑工程中，可以以数据化的方式对建筑信息进行整合，并通过模型的方式加以呈现，为绿色建筑的能耗管控工作带来了便利，提高了绿色建筑的设计、施工和运维效率，促进了建筑行业的可持续发展。

2 BIM 技术与绿色建筑能耗管控

2.1 室外环境分析

室外环境对建筑性能的主要影响因素包括热、光、风、声4种，GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》提出居所外部热岛强度的均值应当保持在1.5 ℃。外部环境噪声情况也是对绿色建筑进行监测的主要标准，相关文件也对其进行了明确的规定[1]。为了能够达到绿色建筑的标准，可以利用BIM 技术构建三维立体可视化的项目模型，然后将热、光、风、声4 种因素以模拟的方式导入模型之中，以此来对施工、竣工后的建筑是否达到标准进行检验与分析，然后利用分析结果来对实际施工、运营等工作进行指导。通过Revit 软件所构建的3D 模型在导出时可以选择dwf、gbxml 等多种格式，以此来通过多种解析程序进行全面分析，避免重复建模增加的时间成本，并且能够提升分析结果的准确性。随着BIM 技术的不断升级，其分析能力、兼容能力也会不断提升[2]。

2.2 BIM 优化设计与能源节约分析

绿色建筑的重要评价标准就是能源节约与能源利用，通过利用BIM 技术进行3D 可视模型的构建，然后导出形成特定格式，并进行能耗解析模拟计算程序的导入工作，转化为对应格式，根据相关规定与标准，以及建筑所处位置的环境条件，运用能耗分析程序来获取模型解析数据，建立可视、直观且可用的模型，最后根据模拟结论优化相关参数的设定，从而达到绿色建筑设计预期节能目的。还可以运用BIM 模型解析外部光照辐射问题，对辐射的强度进行模拟分析，以最大限度地运用太阳能为目标对太阳能装置布设进行优化设计；根据外部植被特性来对其进行优化布设；研究内部自然采光，充分利用太阳光进行照明，减少人工照明所造成的能源消耗。

2.3 BIM 碰撞检查与材料资源节约分析

对绿色建筑体系进行测评时，对于建设时所运用的建材源头与占比也进行了较为细致的规定，比如，施工现场500 km范围内厂家所产出的建筑材料总量应当保持在总体建筑材料数量的60%；在保证施工安全且不会对环境产生污染的前提下，可以多次、重复、循环使用的建筑材料应当占总体建筑材料的10%。虽然现阶段还没有技术能够对材料的质量进行精准、快速的核算，尤其是某些较为复杂的工程，核算难度更大，但是BIM 技术本身具有较为庞大的信息资源库，且在材料统计方面也具有较高的效率，能够对各类型材料所需总量进行快速的核算，核算结果能够用于指导施工阶段的用料工作，使建筑也更加符合测评标准。同时，可通过利用BIM 技术和3D模型对施工过程中可能会产生冲突碰撞的设计进行检验，并及时修正，以此减少实际施工过程中的返工所造成的材料浪费现象，达到材料资源节约的目的。

2.4 室内环境分析

室内环境主要包括风、光、声、热4 个部分[3]，需要在能耗管理过程中对其进行精准的解析工作，然后借助3D 立体可视化模型对其进行精准的展示。通过解析内部空间通风情况对内部空气质量、污染情况进行全面了解，以此对窗户大小、布设位置以及数量等进行合理的调整，优化内部通风环境。例如，通过对内部光环境进行解析能够对内部空间的照度、眩光值、色指数等多项指标进行判定，确保其满足内部空间环境的需求；通过解析内部噪声情况调整建筑结构的隔音设计，确保内部噪声被控制在规定标准之内。室内环境分析与室外环境分析具有相同点，都可以通过BIM 构建立体可视化的3D 模型，然后将相关模型各自导入分析程序之内来完成上述解析，达到优化室内环境设计的目的；室内热湿环境评价的主要依据为GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》中5.2.9 条第2款要求，采用计算流体动力学（CFD）得出室内流速分布和温度分布，进而得出室内热湿环境评价指标分布，并进行达标比例计算。

2.5 BIM 运营与能耗管理

BIM 技术的核心是参数化、信息化的三维模型，对相关专业信息进行整合后能够以可视化、参数化、数字化的方式表达建筑实体工程项目的特性，确保整个建筑过程中所呈现的信息形态对称，且能够为绿色建筑提供实时且持续的相关数据，满足绿色建筑运维管理的需求。比如，需要对空调通风系统进行维护时，工作人员需要全面地对建筑空调系统的规模、布设以及邻近设施情况进行了解，从而制订高效的维护方案，避免因为信息掌握不全面而造成的空调通风系统的损害。

3 绿色建筑能耗数据挖掘和分析利用

3.1 绿色建筑能耗数据计算

A 市某绿色办公建筑综合楼，建设主体功能为办公、会议，建筑总面积为37 896.78 m2，总高度为90.6 m，22 层。以下将以绿色建筑评价指标为依据，结合BIM 技术来制定建筑各项目的能耗数据，并以此为参考，对热工性能进行分析。

本项目采用清华斯维尔的BESI 软件作为热环境模拟计算工具，BESI 软件可作为评价标准中计算相关节能率评分项的配套工具，以及用于测评机构或设计单位进行能效测评工作，同时，还可以对建筑年运行能耗进行全面的模拟计算和分析预测，是国内常用度和专家认可度最高的能耗计算工具。表1为采用该软件计算的年度累计耗冷耗热量。

表1 年度累计耗冷耗热量

进行节能测评的基本要求是被测评建筑年度累计冷热消耗总量低于参考建筑。案例项目中围护结构整体热工性能对比参考建筑相对较高，案例项目外围护结构热工性能已经满足设计要求。但依据上述监测数据可知，围护构造热工性能还可进行优化，使整体能耗量下降。

通过逐时的方式对建筑整年空调系统的耗冷量、耗热量，以及空调体系整年冷热消耗总量进行核算，其累计数值见表2。

表2 空调系统整年累计冷热消耗总量kW·h/m2

该建筑空调系统整年的冷热量消耗值小于参照建筑物整年的冷热消耗量，在设计上满足绿色建筑标准。

围护结构部分整体热工性能比参考建筑要低，而且建筑整年冷热量消耗也低于参考建筑，因此，本项目围护结构的热工性能是完全满足用户设定标准的。本项目以绿色建筑评价二星标准为设计，要求达到围护结构节能率提升10%的标准，因此，冷热消耗总量效果优异。

3.2 基于BIM 运维能耗数据的绿色建筑优化

在绿色建筑营运时期进行能耗管理，需要利用BIM 技术对建筑的能耗数据进行解析，展现建筑运行效能，从而对建筑能耗进行实时的节约管理。

3.2.1 分析照明体系

对照明体系技能进行测评需要在照度相同的条件下进行，只有空间内照明装置的功率、亮度都能够达到节能标准时才能够对建筑内部所有照明体系功率消耗与设计中最高照明体系功率进行对比判断。照明体系所消耗的功率总量应当小于节能标准所规定的要求，这也是照明体系考核评价的基础。

利用BIM 技术进行采光模拟可知，建筑白天采光可达到用户的需求，能够对照明所产生的能耗进行有效控制。但仍然有部分空间内无法获得自然光进行照明。由于建筑自身对照明的要求并不高，且空间设计净高充分，因此，只要不会干扰视线，应当尽量将高窗打开来进行自然光线的导入，从而达到减少照明能耗的目的。

3.2.2 空调系统分析

空调系统的主要作用是满足建筑内部人员对冷热、换气、通风的需求，通过对空调系统进行合理优化设计能够为建筑内部人员提供温度舒适的环境。同时，还需要合理地对系统进行分区处理，让空间温度尽可能地保持在均衡的状态，不能太冷，也不能太热；在空气流通过程中，也需要尽量避免出现冷热相抵的现象。在设计空调系统的过程中，运用BIM 绿色节能技术不能仅对施工情况进行考虑，还需要对系统整个运行过程进行分析，而且在进行设备型号选择时，还应当从合理负荷、技术经济2 个方面进行合理分析。对负荷进行分析时，需要考虑运行耗能与负荷波动现象，以此来提升系统运行的合理性。比如，对空调系统的蓄能体系加以改进，对负荷所需“低谷”廉价电力进行充分运用。