基于BIM技术的建筑能耗分析在初期设计中的应用研究

  1.1 课题提出的背景

总所周知，能源指的是可以直接获取能量的自然资源或经加工转换后获得能量的资源。根据能源获取方式不同可分为一次能源与二次能源。在自然界中，自然存在且可以直接获取、其基本形态不需要改变的是一次能源，有石油、天然气、煤炭、水力、风能、太阳能、地热能等。而经加工改变其物质形态的是二次能源，有煤气、电力、石油产品、沼气等。对于全世界能源的使用情况，根据美国能源情报署对其基准状态的预测，2001年至 2025 年，全球能源消费总量将有大幅上升，从 102.4 亿吨油当量增加至 162亿吨油当量，将增加 54 个百分点。据欧盟等能源机构的预测，在 2020 年至 2030年，将出现全球能源消费的最高峰。总有一天全球化石能源将用尽，根据预测，将在本世纪基本开采完。《BP 世界能源统计 2006》的数据表明，全球石油探明储量可供生产 40 多年，天然气和煤炭则分别可以供应 65 年和 155 年。国际能源署在 2005 年经过分析得出一个结论，全世界能源需求至 2030 年将增长 60%，但仍将有“充足”的能源满足全球的需求。同时未来石油能源需求最大的增长点为运输部门，从现在到 2030 年，所占份额将从 47%上升到 54%，带来是二氧化碳的排放量将急剧上升，减排二氧化碳等温室气体将成为节能减排的关键。根据国际能源署的消息，在产能方面，中东将增加石油资源的投资，还要加快开发和利用油砂等非常规资源，开发应用少量的氢能，更大的提升其可再生能源的发展潜力。至 2030 年可再生能源不仅是不可或缺的能源，同时能大大减少温室气体的排放。中国作为全世界能源消费市场的主力军，其能源消费占全世界能源消费总量的 13.6%，就全球能源消费来讲，其趋势是越来越向中国等发展中国家聚集。根据专家预计，我国石油、煤炭、天然气的储采比约分别为 15、80、和近 50，相当于全世界平均水平的 50%、40%和 70%，皆大于全世界化石能源耗尽的速度。中国煤炭产量在未来 5 至 10 年，其基本可以满足国内的需求，而原油和天然气的缺口则很大，其产量不能满足我国的需求。对于中国来讲，应注重能源的节约利用，

同时提高能源的利用效率，大力开发可再生能源。

  1.2  研究目的及意义

  本文研究的目的旨在以 BIM 技术为手段，以建筑设计初期的建筑能耗分析为目标，以 BIM 建筑信息模型构建为平台，探讨在建筑方案设计过程中，通过对设计场地气候和地形的分析与理解，BIM 能耗分析技术辅助建筑设计的可行性以及BIM 技术对建筑设计师思维方法的影响进行探讨，总结出 BIM 技术在建筑节能设计中的高效的解决方案，以此来为建筑实践提供行之有效的设计方法，开拓了设计思路。我们知道，提高项目的设计质量和效率，减少后续施工期间的洽商和返工，保障建筑的施工周期，节约项目资金是建筑项目设计中实施 BIM 的最终目的，BIM 技术可用于分析建筑性能的方方面面，包括影响绿色条件的采光、通风、能源效率和围护结构材料等等；通过分析修改方案实现最低的能耗，并借助通风、采光、气流组织以及视觉感受等的控制，实现建筑的节能环保；采用 BIM 理念，在项目设计之初就进行能耗模拟，从构思阶段就开始把控，为建筑设计的“绿色探索”注入高科技力量，让建筑成功真正的“节能建筑”。文献阅读及资料整理：主要进行对 BIM 技术相关理论著作、期刊、学位论文及互联网上的资料的阅读与分析。通过文献的阅读与整理，分析国内外研究领域的著作，获取研究所需的资料和研究方法，为课题的深入研究做好准备。理论及实例的研究分析：随着社会经济的发展，全球化、城市化进程和可持续发展成为现代建筑业发展的三个主要趋势，BIM 的应用和发展也随之加快，特别是在建筑设计的初级阶段，在建筑节能设计中的作用，受到越来越多的重视。通过笔者对自己实践案例的分析，在学习其先进的技术和理念的同时，还要从中归纳总结出建筑在设计初期，BIM 能耗分析技术如何辅助建筑师进行节能方案的选择、设计的优化。实证研究分析：依据重庆的气候特点，以重庆市第二中级人民法院审判法庭用房扩建设计为例，对笔者研究的设计方法和设计步骤进行实例验证，结合理论基础进行深入具体的剖析，以及方案阶段基于 BIM 能耗分析技术的节能优化设计，结合实例加以论证，阐述了如何利用 BIM 技术，从真正意义上实现计算机辅助建筑节能设计，总结方法并指导设计。论文针对建筑设计的现状和发展趋势，对在设计初期运用建筑能耗动态评估技术做了深入探讨，并结合大量实例进行研究，阐述了 BIM 技术在指导建筑节能设计方面的应用方法和相关实践途径。最后结合笔者的实践，在夏热冬冷地区，以重庆市第二中级人民法院审判法庭用房扩建设计为例，结合 BIM 能耗分析技术，同时考虑场地气候，地形等环境因素，通过建筑的朝向、形体、围护结构等设计，降低建筑运行过程中的能耗，达到建筑绿色节能的设计目的。

  2.2 BIM 在建筑全生命周期的具体作用
  不管什么类型的建筑，一般遵循的操作过程可分为 5 个阶段：第一为可行性研究阶段；第二为方案设计、初步设计和施工图设计阶段；第三为施工和施工验收阶段；第四为交付使用、管理和维护阶段；最后为销毁阶段。在全过程中，因其所处的阶段的不同，参与活动的人及其进行的活动都各不相同，但又有着相关的一定的联系，从而确保项目的正常进行。而建筑信息是连接设计项目各过程的重要媒介，对最终交付使用建筑来说，建筑信息的传递是否准确无误、快速及时关系到最终设计意图的实现。通过 BIM 模型可以有效地整合以上各阶段的信息。BIM 模型是一种全新的建筑设计、施工、管理的方法，将规划、设计、建造、运营等各阶段的数据资料全部包含在 3D 模型之中，让建筑整个生命周期中任何阶段的工作人员在使用模型时，都能拥有精确完整的数据，帮助项目团队提升决策的效率与正确性。在建设项目的可行性研究阶段，BIM 为其在技术与经济上提供了可行性论证，提高了结果的准确性与可靠性。在可行性研究阶段，业主需要对建设项目方案的可行性做出决策，是否在满足建筑类型、质量、功能等的要求下还具有技术性与经济性。但是需要花费大量的时间、财力、精力等，才能得到可靠性高的论证结果。如果运用 BIM，建立概要模型的同时对项目方案进行模拟与分析，达到降低成本、缩短工期和提高质量的目的。①保证概念设计阶段的决策正确在概念设计阶段，运用 BIM 技术，对不同的设计方案进行分析与模拟，在拟建项目的选址、朝向、外形、结构形式、耗能、施工与运营等问题上提供参考，使设计人员做出合理决策，同时为更多的参与方加入该阶段提供了有效的平台，做出的早期决策也能得到及时的反馈，保证了设计决策的正确性与可操作性。②方便快捷与准确地绘制 3D 模型通过 BIM 软件，在 3D 平台上绘制 3D 模型，有别于传统技术下的模型，需依据多个 2D 平面图创建，同时 BIM 技术下任何平面视图都由 3D 模型生成，不需要重新绘制，提高了准确性并且直观快捷，为业主、预制方、施工方、设备供应方等众多项目参与人员的沟通协调，提供了更好的平台。③进行多系统的设计协作，提高设计质量相对于传统的设计模式，各专业（建筑、结构、暖通、机械、电气、通信、消防等）之间极易出现矛盾冲突且解决困难。而有了 BIM 整体参数模型，能在建筑各系统之间进行空间协调、检查碰撞冲突，大幅度减少设计时间、设计错误与漏洞。同时运用与 BIM 建模工具相关的分析模拟软件，对项目的结构、通风、光照、温度、隔音、隔热、供水与废水处理等多个方面进行模拟分析，同时基于结果不断完善设计。④灵活应对设计变更，对于设计变更，BIM 模型可以实现自动更新，如果施工图有细节变动，其自动在立面图、3D 界面、截面图、图纸信息列表等所有相关处做出自动更新修改，让设计人员和项目各参与方灵活处理，减少如施工与设计之间所持图纸不一样的情况。⑤提高可施工性，国内建设项目一直在研究如何提高设计图纸的实际可施工性，由于专业化程度的提高，同时大多数项目工程采用设计与施工各自承发包的模式，导致设计与施工人员的交流很少，加上一大部分设计人员施工经验的缺乏，致使施工人员很难做到按设计图纸进行施工。而基于 BIM 的 3D 平台，加强了设计与施工之间的交流，在设计早期阶段让有经验的施工管理人员参与进来，深入推广如一体化项目管理模式等新工程项目管理模式，以完善和解决可施工性的问题。为精确化预算提供便利，在建筑设计的任何阶段，按照定额计价模式，依托 BIM 技术同时根据 BIM 模型的工程量得出工程的总概算；项目各方面如建设规模、结构性质、设备类型等均会随着设计的不断深化而发生变动、修改，在签订招投标合同之前其导出的工程概算可以给项目各参与方提供依据，做出决策，是最终设计概算的基础。利于建筑的可持续发展设计，在设计初期，利用 BIM 模型强大的兼容性，进行初步能耗分析，为设计注入可持续发展的理念，而传统技术是在设计完成之后进行能耗分析，大大减少通过设计修改来满足低能耗设计需求的可能性。同时其他各类与 BIM 技术具有互用性的软件在提高设计项目整体质量上也发挥了很大的作用。

  3.4 BIM 建筑能耗分析技术的方法

  3.5 本章小结

  4.1 BIM 技术辅助方案节能设计

  4.2 BIM 辅助方案前期的场地分析与布局

  4.3 BIM 辅助方案概念设计阶段节能的设计方法

  4.4 BIM 辅助方案深化设计阶段节能的设计方法