基于BIM的办公楼节能设计与应用研究

朱 宝，黄展华，王庆雨

(1.滁州职业技术学院 建筑工程学院，安徽 滁州 239000；2.广州南方测绘科技股份有限公司合肥分公司，合肥 230009)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术是近年来受到广泛关注的可综合各类建筑工程项目信息来建立三维建筑模型的技术。BIM技术的应用可贯穿到建筑的整个生命周期，同时可以将各个不同阶段的信息进行收集与整合[1]，在现代化建筑施工方面进行了较多的创新设计，也促使建筑行业的施工趋于更加精细化和专业化方向发展[2]。随着BIM技术的发展，在实际建筑工程设计中使用BIM技术已被证实能够极大提升设计效果，而将BIM技术应用于建筑节能设计方面的报道较少[3-5]。本文拟通过对钢筋混凝土结构的办公楼进行节能设计，在借助BIM建模优化建筑节能设计方案的基础上，对比分析了原方案与优化方案的节能效果与各项改进措施，结果可为建筑节能设计提供必要支撑。

1 办公楼设计原方案

图1为办公楼设计原方案的BIM模型，包含模型图和渲染图，建筑布局为长方形，占地面积为88 m×55 m，楼高19.6 m，5层建筑，室内设计有办公室、自习室、阅览室和会议室等，将结构和材料参数等通过Gbxml软件导入后采用Design Builder软件进行能耗分析[6]。其中，外围护结构类型包括外墙、外窗、屋面和天窗，外墙由18 mm水泥砂浆、180 mm浇筑混凝土、98 mm聚苯板、18 mm石膏板和18 mm水泥砂浆组成(传热系数K值为0.317 W·m-2·K-1)，外窗由聚乙二醇透明玻璃2.8 mm、12.8 mm空气层和普通透明玻璃2.8 mm组成(传热系数K值为2.07 W·m-2·K-1)，屋面由9.8 mm沥青、玻璃棉、190 mm浇筑混凝土和12.8 mm石膏板组成(传热系数K值为0.261 W·m-2·K-1)，天窗由普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空气层、普通透明玻璃2.8 mm、5.8 mm空气层和普通透明玻璃2.8 mm(传热系数K值为2.189 W·m-2·K-1)。

(a)模型图

在BIM模型中将办公楼中的所有能耗都转化为电力消耗，并进行统计分析[7]，结果见表1。表中分别列出了室内照明、外部照明、室内设备、外部设备、水系统、加热和冷却系统的电力消耗情况，可见，水的总消耗约为974.10 m3、区域冷却总耗能为432 569.42 kW·h、区域供热总耗能为878 776.99 kW·h、电力消耗总耗能为1 695 590.90 kW·h。

表1 办公楼原方案中的电力消耗

2 基于BIM的节能设计优化方案

表2 办公楼节能设计初步方案

在采用BIM技术对办公楼进行节能优化设计时，需要综合考虑外墙传热系数、屋面传热系数、外窗传热系数、天窗传热系数、窗墙比和通风换气次数等，每种方案(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)下设计了4种优化组合方案。在建筑方案Ⅰ～Ⅳ的基础上进行节能优化设计，找出建筑方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的Pareto最优解组合方案[8]，组合方案1～16的优化参数见表3～6。

表3 建筑方案Ⅰ组合优化参数

表4 建筑方案Ⅱ组合优化参数

表5 建筑方案Ⅲ组合优化参数

表6 建筑方案Ⅳ组合优化参数

表7为办公楼节能设计优化组合方案的耗能统计分析结果，分别将建筑方案Ⅰ～Ⅳ的组合方案1～16的能耗分析结果进行了统计分析[9]。建筑方案Ⅰ的组合方案1～4的全年总能耗分别为376.35×107，321.07×107，316.06×107，310.46×107W·h，建筑方案Ⅱ的组合方案5～8的全年总能耗分别为388.24×107，384.71×107，315.95×107，298.54×107W·h，建筑方案Ⅲ的组合方案9～12的全年总能耗分别为389.84×107，329.27×107，328.20×107，315.55×107W·h，建筑方案Ⅳ的组合方案13～16的全年总能耗分别为320.68×107，362.41×107，297.54×107，315.95×107W·h。对比分析可知，方案4在建筑方案Ⅰ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4种组合方案中全年总能耗最低。整体而言，建筑方案Ⅳ的组合方案15具有最低的全年总能耗面积指标(最佳方案)，建筑方案Ⅰ的组合方案3由于具有较低的全年总能耗面积指标且舒适度改善效果明显[10-11]，可作为折中方案。

表7 办公楼节能设计优化组合方案的耗能统计分析结果

根据办公楼节能设计优化组合方案的耗能统计分析，表8为建筑节能设计方案对比分析结果。表8中分别列出了原方案、折中方案和最佳方案的形体系数、朝向、平面形态、外窗传热系数、屋面传热系数、外窗设计、天窗设计、窗墙比、气密性、自然通风换气次数、制冷设计温度和供暖设计温度等[12-13]。

表8 建筑节能设计方案对比分析

图2为基于BIM的办公楼原方案和最佳方案模型。通过建筑方案Ⅰ～Ⅳ的组合方案1～16的能耗分析与优化结果，最佳方案下办公楼的节能效果相较原方案有较大提升。从对比模型中可见，办公楼的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墙比等都与原模型有较大差异，而这些改进措施可以有效提升办公楼建筑的节能效果[14]。

(a)原方案

3 结论

1)办公楼原模型中，水的总消耗约为974.10 m3、区域冷却总耗能为432 569.42 kW·h、区域供热总耗能为878 776.99 kW·h、电力消耗总耗能为1 695 590.90 kW·h。办公楼原方案的全年总能耗面积指标为226.1 kW·h，最佳方案的全年总能耗面积指标为193.0 kW·h。

2)方案4在建筑方案Ⅰ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案8在建筑方案Ⅱ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案12在建筑方案Ⅲ的4种组合方案中全年总能耗最低，方案15在建筑方案Ⅳ的4种组合方案中全年总能耗最低。

3)对比模型中可见办公楼的平面布局、建筑朝向、中庭布局和窗墙比等都与原模型有较大差异，而这些改进措施可以有效提升办公楼建筑的节能效果。

4)BIM技术的应用可贯穿到办公楼节能设计的各个环节，通过对施工不同阶段的信息进行收集与整合，可以使得设计更加精细化和专业化，在建筑节能和绿色建筑领域有较好的应用前景。