建筑設計論文建筑節(jié)能設計BIM技術應用

　　本建筑設計論文介紹了我國建筑節(jié)能現(xiàn)狀，探討了在建筑節(jié)能設計中BIM數(shù)據(jù)的交換方式，分析了在建筑節(jié)能中基于BIM的建筑性能化分析，通過BIM軟件對建筑周邊的日照環(huán)境、風環(huán)境、聲環(huán)境的模擬分析提出優(yōu)化方案。研究通過分析合肥市第七十中學的項目，針對學校的日照采光、室內外風環(huán)境、聲環(huán)境模擬，結合建筑節(jié)能規(guī)范和綠色建筑規(guī)范，做出節(jié)能評估進行改進�！�設計家》雜志是一份以介紹建筑與室內設計師人物和作品為主的專業(yè)期刊，報道對象為：中國本土有影響力的設計師，讀者對象為：中國境內的建筑師、室內設計師，地產(chǎn)開發(fā)商，建筑業(yè)主，私人裝修業(yè)主。雜志每月出版，全國發(fā)行，在大中型城市均有銷售，可通過網(wǎng)絡訂閱、郵局訂閱。本刊擁有豐富的建筑師、室內設計師的作者和讀者資源，長期為一些國際知名建筑材料品牌進行形象推介，策劃活動，編輯內刊，為其打通設計師渠道。

　　摘要：近年來隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑物的數(shù)量與規(guī)模也在不斷增大，隨之帶來的環(huán)境污染問題與能源消耗問題引起了廣泛的關注。伴隨著計算機硬件技術的提高，工程軟件開發(fā)也突飛猛進，為工程建設行業(yè)添加了新的工具和方法。如何將當前已有的硬件技術和軟件技術進行合理搭配，改變當前建筑行業(yè)粗放型的生產(chǎn)管理方式，推動建筑行業(yè)的生產(chǎn)力的發(fā)展，提升我國建筑設計水平，已成為當前建筑行業(yè)亟需解決的問題。BIM平臺給建筑生產(chǎn)和建筑運維帶來了新的工作方式，通過BIM技術結合建筑節(jié)能設計方法，對建筑周邊風環(huán)境、聲環(huán)境、日照采光等進行模擬分析，達到建筑節(jié)能的目的，提出優(yōu)化方案。建筑期刊

　　關鍵詞：BIM;建筑節(jié)能;建筑設計

　　1概述

　　目前我國能源短缺情況嚴峻，推行建筑節(jié)能刻不容緩，所以我國建筑設計領域務必實行有效的應對措施。據(jù)實際統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的建筑中大多數(shù)為高能耗建筑，存在新建的房屋建筑仍是高能耗建筑的情況。隨著BIM技術快速發(fā)展，其為建筑節(jié)能設計提供一個全新的思路。因此，世界各國都致力于分析研究基于BIM技術的性能、基于BIM技術建筑節(jié)能設計和整個命周期管理等BIM技術應用[1]。K.Tantisevi等人研究了基于BIM技術的建筑維護結構整體傳熱計算。P.E.Moakher研究了BIM技術在能耗分析中的應用。P.Sanguinetti等人探討了BIM和仿真分析模型之間交互的問題。S.Azhar研究了BIM技術在可持續(xù)設計和LEED評價中的應用[2]。BIM技術彌補了在分析和設計效率的傳統(tǒng)建筑節(jié)能設計的缺陷。然而當前這種應用還不成熟，未能形成系統(tǒng)的應用標準和理論，有待進一步研究分析[3-6]。

　　2BIM技術概述

　　BIM(BuildingInformationModel)最早是美國喬治亞技術學院建筑與計算機專業(yè)博士ChuckEast-man提出的。BIM平臺是將建筑生命周期內與建筑建造和使用維護過程中的信息(主要包括影響施工階段、設計階段、運營維護等階段)整合在一個建筑模型中。BIM的目的是構建一個有助于協(xié)作和執(zhí)行能力的信息交流平臺，幫助項目參與方及時獲取信息和自由添加信息，提高工作效率和工程質量。簡而言之，就是在項目實施之前，預先在電腦上模擬一遍，各專業(yè)工程師在BIM平臺下協(xié)調優(yōu)化工程方案。這樣可以預先發(fā)現(xiàn)實際施工過程中可能出現(xiàn)的問題，提高對實際工程的進度控制和質量控制�；�于BIM平臺創(chuàng)建的建筑信息模型在多個專業(yè)學科之間，甚至整個生命周期內都具有協(xié)調性。因此，根據(jù)文檔保存的需要，BIM平臺中創(chuàng)建的三維模型也可以轉化為傳統(tǒng)的2D施工圖。BIM模型根據(jù)不同專業(yè)分析的需要，可經(jīng)簡化后導入到專業(yè)分析軟件進行計算分析和造價計算，使得各專業(yè)分析人員更加專注于考慮不同的工況設置和設計性能的計算分析，而減少在基礎建模上浪費更多的時間。

　　3基于BIM技術的建筑節(jié)能設計數(shù)據(jù)管理

　　基于BIM技術的建筑節(jié)能模擬體系是在以BIM模型和相關模擬分析軟件的基礎之上，將氣候環(huán)境等相關因素的影響考慮進去，創(chuàng)建一個環(huán)境模擬分析的平臺，在該平臺上利用模擬分析的結果調整建筑節(jié)能設計階段的成果，優(yōu)化建筑的空間布局[7-9]。本文選擇REVIT軟件與BIM的環(huán)境模擬的分析工具軟件：E-COTECT、Cadna/A、Phoneics相結合，可以得到設計初期基本數(shù)據(jù)。Ecotect軟件可以通過多種方式與三維建模軟件進行數(shù)據(jù)的快速交換。gbXML格式是基于空間之上來建立模型的，它其中的一部分與非建筑圍護結構相關的數(shù)據(jù)在交換過程中很可能會丟失，dxf和3ds格式是兩種相對較為真實的三維數(shù)據(jù)模型。如果三維模型中有較為復雜的部分，這時一般會對其進行簡化處理以增強三維數(shù)據(jù)模型在導出時候的使用性能。在建筑節(jié)能設計階段，Revit模型在選取gbXML格式的時候。首先需要定義好房間的屬性。選用dxf格式時，可以用一些簡化的模型進行操作然后使用快捷導入Ecotect中，對模型進行日照采光的模擬分析。而用Sketchup模型則也可通過dxf格式導入到Ecotect中進行模擬分析。Sketchup導入后會顯示三角面，只需在Ecotect中對其執(zhí)行合并三角的命令即可。Ecotect軟件的數(shù)據(jù)并非是相互流通的，它與其他的數(shù)據(jù)是單向的進行交換(見圖1)。因此三維建筑數(shù)據(jù)模型可以導入Ecotect中進行模擬和數(shù)據(jù)分析，但是模擬分析的結果只能作為一個參照依據(jù)，是無法再將結果導入到三維建筑數(shù)據(jù)模型中進行深入處理。圖1三維建模與模擬分析軟件的交流形式

　　4基于BIM的建筑性能化分析

　　建設項目的可日照采光環(huán)境、熱環(huán)境、風環(huán)境、室內外聲環(huán)境等指標早就在項目開發(fā)之前就已經(jīng)基本確定下來，可是因為技術缺陷的原因，普通的建設項目很難有充足時間和經(jīng)費對以上所述的各個指標進行多方面細致的的模擬分析，而BIM技術就可能廣泛應用在建筑性能分析中。

　　4.1室外風環(huán)境模擬分析

　　提高建筑周圍的舒適度，通過改善建筑方案、調整居住區(qū)流場分布，減弱渦流和滯風現(xiàn)象，改善居住區(qū)的環(huán)境質量，模擬分析在大風作用下，有哪些區(qū)域可能會因為狹管效應從而帶來安全隱患等。其所涉及到的BIM風熱環(huán)境模擬分析方法的基礎是指將Revit與其CFD流體力學模擬分析插件二者進行結合分析的方法。這種分析方法在BIM場地模型中可以對周圍的生態(tài)信息進行編輯，在將其與提取相關的風速、風頻、浪頻等信息進行結合，從而可以左右BIM分析的參數(shù)設置條件，再由BIM的代表性軟件如：SIMULATION等對其分析，結合分析結果，綜合的考慮建筑整體的環(huán)境效果。在項目開發(fā)的前期階段，充分考慮項目所在地的氣候、地形條件等，借助風環(huán)境模擬軟件比較分析不同方案，最終選擇合理的規(guī)劃方案達到優(yōu)化氣候環(huán)境，節(jié)約土地的目的。

　　4.2自然采光模擬分析

　　分析建筑設計方案的自然采光效果，通過改善建筑造型、布局，建筑材料的使用等，調整采用自然采光，從而根據(jù)采光效果進行室內布局優(yōu)化等。

　　4.3室內自然通風模擬

　　分析建筑設計方案，采用改善通風口位置、尺寸等改善室內流場分布，并且引導室內氣流組織高效的流動，提高室內舒適度。

　　4.4熱環(huán)境模擬分析

　　對熱島效應進行模擬分析，采用最合理的建筑單體設計、整體布局和改善周邊綠化環(huán)境等方式消弱熱島效應。4.5噪聲環(huán)境模擬分析用噪聲模擬軟件構建建筑物的數(shù)據(jù)模型，通過對建筑物周邊的聲環(huán)境進行模擬分析，通過對建筑物的用材、建筑內部的布局變化的手段來預測和評價建筑聲學質量，提出合理的建筑聲學優(yōu)化方案。

　　5案例研究

　　5.1項目概況

　　本文選擇合肥市第七十中學建筑為例分析其建筑節(jié)能應用。項目地塊位于勝利路，臨泉路北側，紅星家園小區(qū)的東側，場地基本平整。校區(qū)規(guī)劃紅線面積為8748.27m2，總建筑面積為4718.14m2，其中已建建筑面積為2192m2，新規(guī)劃建筑面積為2726.14m2，容積率0.54，建筑密度15.3%，建筑高度19.6m，框架結構形式，使用年限為50年，地上5層，抗震等級7度，建筑耐火等級二級(見圖2～4)。本項目為擴建項目，在原有建筑基礎上在規(guī)劃區(qū)內新增加1座教學綜合樓以及報告廳，擴建后教室增加到25個，標準物理、化學、小學實驗室各1個，計算機室1個，并增加相應的辦公場所。新建建筑的三維圖見圖5。項目強調全區(qū)建設的整體性，將建筑的功能布局、道路系統(tǒng)、綠化系統(tǒng)與基礎設施等，進行統(tǒng)一規(guī)劃形成統(tǒng)一整體。在整體布局的基礎上結合建設要求，強化規(guī)劃的相對獨立性盡量構筑人車分流交通系統(tǒng)，減少車輛通行對校區(qū)的干擾。建筑分布遵循地貌、景觀位置以及朝向的改變，在局部區(qū)域內具有雅致悠然的空間形態(tài)，為學生提供一個舒適的學習環(huán)境。

　　5.2建筑節(jié)能設計原則

　　本項目為中學校園，初中階段是學生世界觀形成的重要階段，校園作為初中生接受教育的重要場所，創(chuàng)造符合初中生學習要求的綠色校園是本項目設計的首要任務，節(jié)約整潔的教學樓、寬闊的運動場營造出積極向上的校園氛圍。

　　5.2.1和諧原則建筑是由人類行為影響而產(chǎn)生的結果，因為建筑的設計、施工和運維的各個階段都有損耗，其他因素干擾建筑的實際作用，所以本項目要強調建筑要擁有和諧的體系、系統(tǒng)、關系的重要原則。本項目在設計中充分考慮與場地和周邊建筑的關系，在保證優(yōu)質校園環(huán)境的前提下，充分利用場地進行最大化的開發(fā)應用，在滿足建筑基本功能的基礎上，建立與周邊建筑良好的對話關系，使之融為一體，并在功能空間上相互補充相互影響，為人們提供更為合理的功能空間。

　　5.2.2適地原則所有城市的建設、規(guī)劃、或者單位工程項目，都必須對指定地方的周圍環(huán)境等條件進行評價分析，其中涵蓋了當?shù)氐臍夂蛱卣�、地方的文化習俗、地理因素、能源分布、建筑機理特征等條件，如地方建筑材料利用的強度與持久性和當?shù)貙�建筑的限制現(xiàn)狀等。因此，必須結合合肥地區(qū)當?shù)刈匀弧⑷宋沫h(huán)境設計。本項目在原有場地建筑的基礎上進行規(guī)劃設計。建筑南北向布置，充分增加了建筑的采光和通風，并與原有建筑保持一定距離，減少對已有建筑通風采光以及噪聲的影響。建筑造型簡單，與原有建筑相輔相成，盡可能的融入到場地中，做到適地而建。

　　5.2.3節(jié)約原則重點突出“節(jié)能省地”原則。節(jié)省土地首先從規(guī)劃階段開始，通過詳細分析建筑用地的比例關系，合理進行分配，提升土地利用率。節(jié)能技術主要依據(jù)蓄熱方式來降低能量消耗的原理來提高能源的使用效率，并且對例如風能、太陽能、海洋能、生物能、水利能等可再生的自然資源進行充分的利用，降低對不可再生資源的使用。還可以結合當?shù)氐臍夂蛱攸c，在建筑設計時考慮當?shù)氐奶�陽及風的運行規(guī)律，把通風及太陽光等可利用的節(jié)能措施加入進去以降低能耗。本設計充分利用場地，最大化的規(guī)劃設計。建筑造型簡單無多余的構架，節(jié)約材料。建筑外立面顏色為淺色暖色調，不僅符合學校建筑的特點，而且還能有效降低太陽輻射，降低環(huán)境溫度，提高舒適度。建筑北側外立面增加了立體綠化，改善了場地的微環(huán)境，同時也為已建建筑增加了一抹綠色，增進了新老建筑的對話，豐富了課余生活。

　　5.2.4舒適原則舒適要求與資源占用及能量消耗在建筑建造、使用維護管理中一直是一個矛盾體。在綠色建筑中強調舒適原則并不是以放棄建筑的舒適度為前提，而是以滿足人們的居住的舒適度為標準，應用材料的保溫性能，提高維護結構的保溫性和隔熱性，利用太陽能冬季取暖夏季降溫的特性，用遮陽設備來降溫，預防夏季溫度過高，從而使室內環(huán)境更加舒適�？紤]到本項目使用者主要為中學師生，為向中學師生提供一個安靜的學習環(huán)境，建筑及周邊的聲環(huán)境良好是本項目必須體現(xiàn)的舒適原則。本項目主要功能房間布置在南側，增加了南側的采光，通風，擁有開闊的視野，有助于學生眼睛的保護。建筑功能合理，動靜分區(qū)，在滿足基本空間的前提下盡量減少輔助空間，增加建筑空間的利用率。建筑入口設有無障礙通道及無障礙衛(wèi)生間，滿足不同人群的需求。

　　5.3技術方法

　　根據(jù)合肥市《關于加強新建民用建筑設計方案建筑節(jié)能和綠色建筑管理工作的通知》(合規(guī)[2014]129號)等有關規(guī)定、本項目綜合規(guī)劃及業(yè)主要求，本項目應滿足《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)綠色公共建筑一星級設計要求。

　　5.3.1日照模擬分析日照方面，項目南側為學校廣場和運動場地，對教學樓和報告廳無遮擋，保障了教學樓的主要功能房間在冬至日平均達到4h左右的日照。同時，結合《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)第4.1.4的要求，本項目的新建建筑未降低周邊建筑的日照標準，使項目北側已建建筑的主要功能房間在冬至日平均達到2h左右的日照(見圖6)。

　　5.3.2室外風環(huán)境模擬分析為了讓模擬分析的結果更加真實，采用對建筑所在的實際地理位置的風速與風向進行分析。利用風玫瑰圖，利用給出的頻率最多的風速風向情況，確定當?shù)仄骄�風速作為模擬區(qū)域的輸入條件(見圖7和表1)。根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》可知合肥地區(qū)的冬季、夏季以及過渡季節(jié)在最多風向條件下的風速情況。項目冬季典型風速和風向情況見圖8～11，由上述圖形模擬結果分析得出，在冬季室外最多風向平均風速為3.5m/s的NNE風場下，建筑室外人行高度1.5m處的最大風速不超過3m/s，風速放大系數(shù)最大值小于1.5，教學樓和報告廳的迎風面與背風面表面風壓差整體上在3.5Pa左右�！毒G色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)中4.2.6條要求“在冬季典型風速和風向的條件下，建筑物周圍人行區(qū)風速小于5m/s，且室外風速放大系數(shù)小于2;除迎風第一排建筑外，建筑迎風面與背風面表面風壓差不大于5Pa”。因此，在冬季典型風速和風向條件下，項目符合規(guī)范對場地內風環(huán)境的要求。

　　5.3.2.2夏季典型風速和風向條件項目夏季典型風速和風向情況如圖12～15所示。

　　5.3.2.3過渡季典型風速和風向條件項目過渡季典型風速和風向情況如圖16～19所示。從上述圖形模擬結果分析得出，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，教學樓和報告廳周邊活動區(qū)域未出現(xiàn)渦旋，大部分區(qū)域風環(huán)境情況良好�！毒G色建筑評價標準》(GB50378-2014)中4.2.6條要求“在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，場地內人活動區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無風區(qū)，50%以上可開啟外窗室內外表面的風壓差大于0.5Pa”。因此，在過渡季、夏季典型風速和風向條件下，項目符合規(guī)范對場地內風環(huán)境的要求。

　　5.3.3室外聲環(huán)境模擬分析本報告分析模型主要包括合肥市七十中學的教學樓、報告廳、校園內已建建筑、周邊建筑物及道路等影響因素，分析模型見圖20。該項目周圍道路分別為臨泉路、桃溪路和昌盛路。根據(jù)《城市道路工程設計規(guī)范》(CJJ37-2012)的要求，在城市主干路設計速度取60km/h，城市次干路設計速度為30km/h。晝間模擬結果見圖21～24.根據(jù)以上聲環(huán)境模擬分析可以看出，本項目場地內噪聲主要由周邊道路的車輛噪聲產(chǎn)生，從以上分析結果可以看出，本項目場地內晝間噪聲最大值為48dB，夜間最大值為38dB，噪聲環(huán)境良好，滿足《聲環(huán)境質量標準》(GB3096-2008)的相關要求，即滿足晝間噪聲不大于55dB、夜間不大于45dB，符合《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)第4.2.5條款要求：場地內環(huán)境噪聲符合現(xiàn)行國家標準《聲環(huán)境質量標準》(GB3096-2008)的有關規(guī)定。

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