BIM技术在绿色建筑全生命周期中的能耗研究

刘青枝，伍天涛

（中国建筑第二工程局有限公司华东公司）

1 引言

近年来，在可持续发展理念背景下，我国建筑行业开始重视环境污染、资源浪费等问题。绿色建筑作为建筑行业新的发展路径，可以在建筑生命周期内降低资源浪费，保护人们的身体健康，为人们提供舒适的生活环境。BIM[1]技术可以通过三维模型真实反映绿色建筑的各项参数，通过在施工管理、前期规划、后期运营、方案设计阶段的应用，可以更好地降低建筑能耗问题，促进建筑行业的持续发展。

2 建筑能耗及其研究的必要性

2.1 建筑能耗概念

建筑能耗可以从狭义和广义两个角度进行阐述。从广义角度来看，建筑能耗具体是指建筑自开始建设到后期运营所产生的总能耗，建筑总能耗分为三种：建材制造生产时产生的能耗、施工时产生的能耗、运营时产生的能耗，能耗范围较为广；从狭义角度来看，建筑能耗具体是指使用能耗，即建筑运行过程和维修建筑消耗能力总和，其中包括电器、采暖、热水供应、空调、餐饮、照明灯方面产生的能耗，其中，能耗占据比例较大的是空间和采暖产生的能耗。建筑能耗一般属于民生能耗，与交通运输能耗、农业能耗、工业能耗等，是我国能耗的四大结构。本文所指建筑能耗为狭义上的建筑使用能耗。

2.2 建筑能耗研究的必要性

随着我国对能源的消耗不断增加，构建绿色节能建筑极为重要。在建筑运营阶段，室外气候、室内温度情况以及通风情况等因素影响着建筑微观环境。由于影响建筑环境发生变化的因素较多且复杂，因此只有通过计算机对建筑能耗进行模拟，才能了解和掌握能耗变化情况并及时制定预防措施，例如，控制建筑舒适度、采暖空调能耗、建筑热能能耗等。在人们不断对建筑环境提出高要求的情况下，绿色建筑的重要性逐渐得到突显，而建筑模拟也成为建筑设计师考虑建筑环境和质量环节中的重要部分，利用计算机模拟建筑能耗情况，可以为绿色节能建筑的构建提供参考，以此来控制建材材料、建筑施工、施工时产生的能源。

3 BIM技术

BIM技术可以在数字综合环境下仍然保持传输畅通并提供更新服务，让施工人员、工程师、建筑师等可以详细了解项目整体情况。将BIM技术贯穿到整个绿色建筑施工、规划、运维、勘察设计四个阶段，可以推动决策进度、决策质量，进而提高整体施工质量，增加工程效益。

3.1 数据更新和数据组成具有动态性

建筑在不同的阶段所表现出来的特征也存在一定差距。例如，施工设备在生产过程中只有三维信息，而没有其他价格、供应商等信息，在设备制造完成后设备便会拥有基础设备信息，但使用寿命和运行信息等，在施工设备使用过程其基本信息不会出现变化，但运行信息会出现持续变化。

3.2 应用方式和技术应用具有动态性

建筑不同阶段BIM 技术应用方式和侧重点不同。在建筑设计阶段主要利用BIM 技术构建模型，主要用于减少设计碰撞、设计错误；施工端BIM技术主要用于造价控制、模拟建造、优化工序等；运维阶段BIM技术主要用于设备管理、空间利用等。

4 BIM 技术在绿色建筑能耗控制方面的应用

4.1 项目概况

某建筑工程面积为257.41m2，高度为4.1m，该建筑属于单层住宅，抗震设防级别为丙类，抗震烈度为八度，建筑预期使用年限为50年。该建筑主要以围护板材和钢框架结构为主，墙板采用复合外墙板和混凝土轻质条板，楼层模板采用钢桁架楼承板，内装采用全装配式装修，楼梯为预制钢梯。为进一步保障BIM 技术在建筑工程项目中的应用，在建筑开展施工前，需要制定BIM组织框架，以及建立建筑施工BIM建模标准。

4.2 BIM在建筑装配设计中的应用

建筑装配设计通常需要设计多个专业，并且需要其协同工作，以此保证建筑装配施工效率和施工质量。在建筑装配设计中，传统的设计方法无法满足建筑装配需求，而BIM技术具备协同化办公、可视化模拟和参数化设计等功能，能够对建筑结构进行拆分，进而满足建筑装配设计要求。

首先，施工人员需要根据建筑CAD 图纸，利用BIM技术构建建筑立体模型（见图1）。其次，施工人员需要复核建筑图纸尺寸标注、构件型号和建筑标高等问题，以此保证建筑施工图纸的可行性和准确性。此外，在建筑装配设计过程中，为保证室内家具规划的合理性，施工人员需要不断更新建筑立体模型，同时紧密配合施工单位设计方案进行优化，避免施工成本和施工材料的浪费，促进经济效益的提升。

图1 建筑BIM模型

4.3 BIM技术在建筑结构设计中的应用

该建筑主要采用钢结构框架，在施工过程如果出现设计错误或建筑结构尺寸存在误差，极易导致建筑施工工作的返工，进而影响后续施工工作的有序开展，同时也会增加建筑施工成本。为避免出现该问题，在施工作业开展前，施工人员可以利用建筑钢结构设计软件，对建筑构件进行碰撞校核，根据校核结果设计建筑结构尺寸，以此避免建筑施工误差等问题对施工造价管理和施工成本的影响。

此外，施工人员除了需要对建筑结构进行深化设计外，还需要对建筑围护板材和主体钢结构进行设计，进一步优化建筑钢结构节点，同时对建筑板材进行排版优化。在施工过程中施工人员需要根据建筑三维模型核验建筑施工图纸，并输出建筑二维构件设计图纸，同时指导生产车间和建筑装配工作的有序开展，以此提高建筑施工能耗管理、造价管理的精细化程度。

4.4 BIM技术在预制构件设计中的应用

首先，施工人员需要根据建筑的施工要点，利用BIM技术对建筑楼梯、外墙、女儿墙和钢桁架楼承板构建立体模型。其次，施工人员需要根据立体模型指导生产车间生产预制构件，在构件生产过程中需要预留施工孔位，避免在施工现场进行二次开孔，以此来减少对建筑构件的破坏，保证建筑施工的质量和效率。最后，使用人员需要将数控技术和BIM 技术结合，对建筑构件进行精准定位，避免出现加工误差或者安装错误等问题。

4.5 BIM技术在建筑管线敷设中的应用

在建筑设计和施工过程中，由于施工人员并未考虑建筑机电设备管线敷设问题，在实际施工过程中发现建筑梁下存在净高过低的问题。施工人员利用BIM 技术对建筑施工进行模拟后，决定在建筑钢梁上方位置钻设孔洞，以此来解决设备管线敷设问题。同时通过强补措施，不仅解决了建筑净高过低的问题，而且也进一步增强了建筑结构强度。在建筑设计方案优化过程中，利用BIM 技术对建筑钢梁补强方案进行模拟，模拟结果显示，建筑方管材料优于圆管材料、通过对建筑钢梁进行管综优化后，解决了设备管线敷设问题，也提高了建筑净空高度。最后施工单位决定，将设备管线从建筑钢梁中穿过，管线高度提高250mm，建筑净空高度提高200mm。

5 降低绿色建筑能耗的策略

5.1 提高绿色建筑节能水平

设计师需要在施工规划阶段仔细分析绿色建筑能耗问题。例如，综合评价和分析建筑照明、供暖等能耗设备，在分析建筑能耗问题过程中借助BIM 技术构建三维模型[4]，这样可以让设计师更加直观和明了的观察到建筑整体布局，以便做好优化和改进。同时，建筑模型也可以为建筑施工规划方案的执行提供参考依据。在分析建筑总体能耗问题过程中，设计人员可以通过建筑采光、通风、空气以及周边环境等因素进行综合评价，并对建筑总体能耗进行有效评估，结合分析的数据对绿色建筑进行改造和优化，以提高建筑整体节能水平。

5.2 加强碰撞检测，降低资源损耗

想要在建筑施工阶段减少资源消耗，降低施工成本，就需要施工单位制定精细化建筑施工方案，加强碰撞检测工作。施工单位可以借助BIM技术降低返工几率，减少对建筑资源的浪费，降低施工成本。在建筑设计施工阶段应用BIM技术可以对建筑进行碰撞检测，及时发现施工中存在的问题，并为施工方案的优化和改进提供正确的碰撞检测报告。

5.3 采取互助协作措施，制定客观评价体系

在建筑工程设计和施工阶段通常都会存在较多问题，在信息传输不及时、建筑信息不一致的情况下，极易出现施工单位意见不一致的情况，对建筑施工的有序性产生了较大影响，导致施工延长，效率和质量较差等问题。因此，施工单位需要利用BIM 技术构建客观的施工评价体系[5]。利用BIM 技术对建筑施工信息进行统一处理、分析、管理，实现建筑施工信息资源的共享。这在一定程度上，可以促进施工单位各部门之间的相互合作，共同分析建筑能耗问题，在合作中得出统一结论，降低资源损耗。

6 结语

综上所述，在社会和经济的飞速发展中，人们对生活水平和生活质量有了更高的追求，绿色建筑的发展不仅能为人们创造良好的生活环境，而且也能节约资源，促进生态城市的建设。为更好地管理和控制绿色建筑能耗问题，应加大BIM 技术的应用力度，在建筑设计阶段、施工阶段分析和掌握建筑能耗问题，推动绿色建筑的建设和发展。