基于BIM技术的建筑能耗分析与应用

基于BIM技术的建筑能耗分析与应用

杜瑞*李明柱△王春青牛梦涵田月

杜瑞*李明柱△王春青牛梦涵田月

吉林建筑大学长春130018

摘要：随着经济的快速发展以及人们对建筑室内环境品质要求的不断提升，中国的建筑能耗水平逐年提高，建筑能耗已经占据了社会总体能耗的1/3，建筑能耗模拟分析作为建筑节能优化的重要技术手段，起到了非常重要的作用。而BIM技术作为关键的技术工具，在市场上得到了大力的推广与应用，在整个建筑生命周期里的各个阶段起到的作用也非常显著。将BIM技术与建筑能耗模拟技术结合起来，从宏观层面有助于整体方案的把控，从微观上可清晰的了解各专业间、各系统间的逻辑关系，通过IFC格式标准可将二者结合起来，在只建立一个模型的同时能够提供给多专业应用、多平台分析，从而减少工程师的工作量，直接产生应用价值。本文分析了基于BIM技术相对于传统的能耗模拟软件的优势，对于BIM技术应用于建筑能耗模拟分析流程进行研究，并总结了具体的分析流程。

关键词：BIM技术；建筑能耗；能耗模拟；建筑节能

1引言

随着我国城市化进程的不断推进，发展绿色建筑，推动建筑节能，建设绿色低碳的生态城市，已经成为我国城市建设发展的重要目标[1]，推动绿色建筑发展将迎来一个黄金时期。尤其是针对现在能源短缺的现状，能源问题已经在一定程度上对建筑业的发展形成了阻碍，而暖通空调系统作为整个建筑系统中的能耗大户，能耗过高的关键原因就在于在建筑设计过程当中由于设计的不合理所造成的，所以在设计阶段充分的应用模拟工具，前期对整个空调系统进行充分的仿真模拟是很有必要的[2]。并且伴随BIM技术的推广与应用，通过BIM技术实现对绿色建筑设计的支持已经成为可能，并将体现在建筑全生命周期当中的设计阶段。

2建筑模拟技术

建筑模拟是指对建筑系统的整体性与建筑环境进行模拟分析的方法，也可称为建筑性能模拟。建筑性能模拟包括建筑环境模拟（主要包括污染物模拟、气流组织模拟、照明度模拟）、建筑系统仿真（暖通空调系统为主）和建筑能耗模拟。其中建筑能耗模拟的主要流程是对建筑室外环境、系统和建筑设备进行计算机建模，并模拟出逐时的建筑能耗的技术，为设计阶段的负荷分析、设备选型及能耗分析提供依据。

实现能耗模拟的关键就在于整个建筑全生命周期里的设计阶段，设计阶段决定了主要影响建筑物性能的要素，主要包括建筑的围护结构热工参数、体型和朝向[2]，从而直接影响建筑物的采光、通风、热交换、以及空调能耗。

建筑性能和能耗分析的软件种类有很多，目前比较常用的有DeST、AutodeskEcotect、EnergyPlus、GreenBuildingStudio、PKPM等。不同软件有不同的数据接口及自己本身的数据存储格式，同时可视化的界面与人机交互的建模方式也各不相同，这为软件操作者提出了一定的操作难度。但BIM技术的出现解决了能耗分析软件中突出的建模难的问题。首先，BIM模型是基于多专业的软件操作平台，模型中包含了各个专业的全部建筑构件，全面、清晰、具体的表达模型的逻辑关系。其次，BIM模型中涵盖了整个建筑的几何信息、属性信息、热工信息等数据[3]，这些信息数据为能耗模拟分析提供了最重要的数据支持。结合BIM技术的建筑节能设计，理论上是可以将BIM技术与绿色建筑设计完美的结合，但由于数据格式的不统一和不兼容，不同的分析软件与模型之间的数据交互还存在着一定的问题，搭建BIM领域内统一的IFC标准可以解决部分由于模型交互间存在问题，IFC4.0标准是IAI(InternationalAllianceofInteroperability)组织制定的建筑工程数据交换标准。IFC标准在全球得到广泛应用和支持。IFC标准主要有以下三个特点：①IFC标准是面向建筑工程领域，主要是工业与民用建筑。②IFC标准是公开的，开放的。③IFC是数据交换标准，用于异质系统交换和共享数据。所以在模型之间的交互应用多采用基于IFC标准下的软件建模体系。并取得了一定成效，为解决BIM+建筑模拟技术的基础上，各个软件平台之间的交互提供了保证。

3基于BIM技术的建筑模拟分析流程

建筑模拟技术有多种可行的方式，尤其是在整个过程当中，模型的精细程度直接决定数据结果的准确性。而BIM是以建筑工程项目的全部信息数据为基础建立的建筑模型，利用数字信息来对建筑物的真实性进行仿真模拟[3]，具有以下特点：

1）BIM是一个建设项目物理参数和功能特性的三维数字表达；

2）BIM是一个共享的知识资源，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策，是一个分享有关这个设施的信息，也提供可靠依据的过程。

3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM模型当中插入、提取、更新和修改信息数据，反应其各自职责的协同作业。

通过把BIM和建筑模拟技术相结合，基于BIM技术的能耗模拟分析作为一种新的技术手段，搭建起一个存储模型和数据信息的数据库，形成一个多方参与的协同平台，用于支持绿色建筑的设计、建造、运维。

在设计阶段，以BIM技术为基础搭建起的能耗模型可以实现绿色评价和项目量化的性能分析，通过协同平台实现各个不同专业之间的相互影响，比如建筑方案的外立面的改变对建筑能耗的影响等，还可以对比出基于工程造价和建筑性能的方案对比。

在项目建造阶段，借助项目管理平台，可以有效的组织施工，合理规划施工场地，减少施工当中建材的浪费，还可以通过预制加工构件进行现场拼装来减少对环境的污染[4]。

那么基于BIM用来模拟建筑能耗的数学模型也由三个部分组成：

1）输入变量，包括可控制的变量和无法控制的变量（如天气参数）；

2）系统结构和特性，即对于建筑热工（如围护结构）和建筑系统（如空调系统的特性）的物理描述；

3）输出变量，系统对于输入变量（能耗）的反应。在输入变量和系统结构和特性这两个部分确定之后，输出变量就可以得以确定。

因应用的对象和研究目的及方法的不同，建筑能耗模拟的建模方法可以基本分为两大类：正向建模的方法（Forwardmodeling）和逆向建模（inversemodeling）的方法。前者主要用于新建建筑，后者主要用于既有建筑。

4结论

设计阶段的BIM+建筑能耗分析可以实现高效的绿色建筑设计分析，并且BIM作为一种支持绿色建筑设计的辅助工具，搭载了一个联系建筑设计和建筑模拟技术的平台，使两种工具能够更好的融合，并且，随着我国建筑能耗问题的日益尖锐以及能源问题逐年突出，建筑设计只有以建筑能耗模拟分析的数据结果为基础才能确定建筑节能设计的方向，通过建立数字化的三维模型，实现信息的互联与数据的共享，可以进行建筑工程全生命周期内的检测分析，避免了传统建筑能耗模拟的缺点，并且为全专业的协同设计、参数化设计提供了技术保障，有效的提高了设计工作的质量与效率。

参考文献：

[1]张伟捷，赵倩倩，王炳垚，等。BIM平台下的建筑方案阶段能耗参数选取［J］．暖通空调，2015，45(4)

[2]周文倩，田文涛，宋鹏飞，等．BIM技术在建筑节能领域的应［J］河南科技，2015(3)

[3]杨文领.基于BIM技术的绿色建筑能耗评价[J].城市发展研究,2016,23(03):14-17+24.

[4]刘文华,王英姿,陈跃涛.利用BIM技术进行的高校既有建筑能耗特征提取与节能改造策略优化[J].建筑技术,2014,45(11):1037-1040.

【基金项目】国家级大学生创新创业训练计划项目资助（编号：2017G11026）

【作者简介】杜瑞(1995-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，吉林建筑大学建筑环境与能源应用工程、国际工程管理(BIM)双学士学位学生，主要研究方向：BIM技术应用、建筑技术科学。

△通讯作者：李明柱，男，硕士生导师。主要从事BIM、暖通空调领域的相关研究。