BIM技术助力于建筑节能化发展

2023-09-27李光辉李晓杰龙正熠邓滔文

上海节能 2023年9期

李光辉李晓杰龙正熠邓滔文

南华大学土木工程学院

0 引言

近年来，全球气候升温，极端天气频发，图1[1］统计的1990-2020 年我国地表年平均气温距平，显示1951-2020 年中国地表年平均气温呈显著上升趋势，升温速率为0.26 ℃/10 年。近20 年是20世纪初以来的最暖时期，1901 年以来的10 个最暖年份中，除1998 年，其余9 个均出现在21 世纪。减少温室气体的排放、应对环境危机已刻不容缓，我国更是制定了力争在2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的目标。而“双碳”目标实现的主要着力点在于减少建筑业的碳排放[2］，建筑节能化发展对缓解天气环境恶化、减少建筑碳排放具有重要意义。

此外，随着建筑结构、功能、形式的多样化发展，建筑节能对原本就复杂的建筑过程中的核算要求更加严格，然而建筑技术也发生了革命性的变化，BIM技术助力于建筑节能化发展，使得建筑节能化发展有了更多的可能性。BIM应用现已贯穿建筑的设计、施工到运行维护、后续改造直至拆除的全生命周期，实现了更直观的从建筑全生命周期角度考量建筑的价值，有效整合建筑过程中的资源，实现了建筑过程中的各个参与方真正意义上的协同，促进了建筑节能化发展。

1 BIM技术及建筑节能

1.1 BIM技术概述及其优势

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型，是指在营建设施(包括建筑物、桥梁、道路、隧道等)的生命周期中，创建与维护营建设施产品数字信息及其工程应用的技术。BIM 技术具有协同性、可视化、模拟性、优化性、节约成本等优势。协同性是指BIM 已集成建模、造价分析、能耗分析等一套完整的软件，可实现一模多用，使建筑各专业、各阶段的交流更简洁有效，也使得整个建筑过程中的资源更有效分配（如图2）。可视性是指BIM 可以建立各阶段的三维模型，且模型可通过渲染得到更实际的观感（如图3、图4）。模拟性、优化性、节约成本是在通过预演建筑的设计、施工、节能改造等各个阶段、各个环节并实现节能降耗的过程中体现的。BIM 现已不再局限于3D实体模型，4D-进度、5D-造价、6D-碳排、7D-运维等也已在国内逐渐推广、应用，且还在不断地向nD 发展。

图2 BIM集成软件图

图3 REVIT 模型图

图4 Enscape渲染图

1.2 建筑节能概述

建筑节能是指在建筑材料生产、房屋建筑和构筑物施工及使用过程（即设计、施工、运维）中，满足同等需要或达到相同目的条件下，尽可能降低能耗。在建筑的全生命周期内，建筑节能的体现主要集中在设计、施工阶段及后续可能的建筑改造。设计阶段的建筑节能主要通过应用空心砌块、相变材料透气混凝土等节能材料及太阳能烟囱、热泵、种植屋面等被动式节能技术来实现。施工阶段的建筑节能主要是通过优化施工技术、加强资源消耗管理、合理安排施工顺序[3］等来实现。既有建筑改造的建筑节能主要是对建筑能耗高的部分替换应用节能技术、节能材料，以降低建筑能耗。

传统建筑技术无法对节能材料、节能技术的应用效果进行量化分析，而BIM 技术可以对多个节能设计方案从节能性、经济性等进行综合评估节能效果，最终得到最优设计、施工、改造方案，BIM技术极大地促进了建筑节能化发展。

2 BIM技术在建筑节能的应用

2.1 BIM在设计阶段中的节能应用

在设计阶段，可利用BIM 进行多方案参数化建模，通过BIM 集成软件对不同专业的设计内容进行碰撞检查，避免绘图上的冲突，BIM在设计阶段最重要的应用是可以对设计方案的结构、能耗、造价等进行分析，综合分析方案的可行性。

周琦等[4］将BIM 在绿色建筑设计中的应用分为采光分析，室内外风模拟，日照、朝向分析，热工分析，太阳辐射分布分析等五个方面，逐点说明BIM 可以实现建筑节能的模拟、计算，有效降低成本，提高效率。

王文韬等[5］首先综述了BIM 的发展现状，尔后结合具体实例介绍了Ecotect Analysis 软件在设计阶段对建筑的风环境、室内光热环境、最佳朝向等进行模拟分析，并针对模拟结果进一步优化节能设计方案。

武琳等[6］介绍了BIM 技术在装配式建筑的节能应用，装配式建筑墙体接缝处理是其降低建筑能耗的重要途径，且多层装配式住宅存在体型复杂、户型单一、工业化体系不完全等问题，BIM技术可助力于装配式建筑标准化设计，提高工作质量、工作效率，从而降低造价。

2.2 BIM在施工阶段的节能应用

BIM技术在施工阶段的节能化应用主要体现在场地、成本、进度、质量管理及信息交流等方面，使各专业在施工阶段可实现信息共享，协同工作，还可避免在施工过程中出现时间或空间上的冲突，实现施工进度精细化管控。

崔现沅[7］介绍了BIM 在施工管理中的应用，其中建筑节能有所体现的有工程设计优化、施工模拟、物料跟踪、成本分析、工程进度、质量等方面，可实现节地、节材、节时等。

张涛等[8］以某大型装配式三甲医院为工程实例，应用BIM 技术，对现场临建布置、场地道路、材料堆放、加工区、机械设备布置等进行科学合理规划，对施工耗材进行动态化管理，即用即供，既满足了施工需要，又减少了占地。BIM 技术应用于施工中实现了节地、节材、节能、环境友好、经济等目标。

2.3 BIM在既有建筑改造中的节能应用

老旧建筑在我国占比较大，且普遍存在能耗高、居住舒适性差等问题，急需对其进行改造，而如何实现老旧建筑在其“半生命周期”内合理改造是其主要的问题，BIM技术就很好地解决了这一问题。

彭靖[9］、于波[10］认为对老旧住宅节能改造主要集中在外墙、外窗、屋面、楼梯间、单元门，及结合可再生能源的利用等方面，利用BIM 对老旧住宅建筑进行建模，导入到节能分析软件，对其声光环境、日照分析、建筑通风、能耗计算、暖通负荷、住宅热环境等进行综合分析，制定改造方案，再次模拟，对比效果，不断优化设计方案。

张学顺等[11］以某小区为例，对其进行BIM 建模模拟能耗，发现屋顶、外墙、可开启面积、外窗气密性及综合权衡均不满足节能标准要求，对其制定了3 套改造方案，对比不同方案的节能效果及投资回收期，综合对比得出最优改造方案。马乐原等[12］也得出了相似的结论，通过对鲁中地区典型农宅的综合能耗模拟，发现合院式布局农宅是最佳的布局形式，在既有建筑节能改造中，围护结构是其节能改造的关键，而围护结构的节能改造集中于对屋顶和外窗的改造。

Sy-Jye Guo 等[13］以某建筑为例，首先对现有大楼进行建模模拟能耗并验证模拟的准确性，然后对其设计了多种改造方案进行模拟分析，不断优化改造方案，但Sy-Jye Guo 发现当考虑成本因素时，最节能的设计方案并非成本最低，认为节能效益必须与经济性相结合来综合考虑。

另外，BIM 与其他技术结合更具优势。BIM 与虚拟现实技术结合可以获得真实三维环境感觉，与GIS软件集成可以更好地规划城市内部绿化及外部与自然环境的融合。然而，BIM 与建筑节能化发展也各存在一定的不足，如BIM 基础建模过程烦琐、复杂，绿色建材评价标准及绿色体系不完善，绿色建材市场发展不成熟，还需进一步完善。