分类：建筑论文 时间：2021-11-30 热度：678
摘要 以建筑信息模型(buildinginformationmodel，BIM)为出 发 点，结 合 某 高 校 综 合 实验室工程建设项目，研究了 BIM 技术在建筑设计中的应用。分析了基于 BIM 技术与权衡负荷判断法的建筑热工系统优化设计方法的可行性;讨论了基于 BIM 技术的建筑能耗模拟存在的问题及 BIM 技术在建筑热工系统与暖通空调系统设计中的应用;分析了现阶段我国 BIM 技术应用的发展趋势。
关键词 建筑信息模型 热工系统设计 节能 暖通空调系统设计 能耗模拟
0 引言
建 筑 信 息 模 型 (building informationmodeling，BIM )技 术是继计算机辅助设计(computeraideddesign，CAD)技术之后建筑业出现的又一种计算机应用技术，被誉为建筑业变革的革命性力量。在一些发达国家，应 用 BIM 技术 的项目数量已超过传统项目[1]。2011年我国住房和城乡 建 设 部 发 布 的《2011—2015年建 筑 业 信 息 化发展纲要》[2]指出：“十二五”期间，基本实现建筑企业信息系统的普及应用，加快 BIM、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用。为贯彻《2011— 2015年建筑业信息化发展纲要》的有关工作部署、推进 BIM 的应用，住房和城乡建设部于2015年7月印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，提出了推进 BIM 应用的指导思想与基本原则，明确了推进 BIM 应用 的 发 展 目 标，为 建 设、勘 察、设计、施工等 单 位 提 出 了 指 导 意 见。BIM 技术 将 为我国的建筑业发展注入新技术，将引领我国建筑业技术一次新的革命浪潮[3]。
数据显 示，全 球 能 耗 的50%用于 建 筑 的 建 造与使用过程[4-5]，建筑节能已成为建筑领域学术研究的重点。建筑节能设计是建筑节能至关重要的环节，建筑节能设计通过建筑热工系统节能设计、被动式供暖与降温技术的应用、建筑设备节能设计3个层面来完成[6]。GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》[7]是建筑热工系统节能设计的主要依据;通过相关建筑能耗模拟软件对不同的暖通空调系统设计方案进行预测和比较，可为暖通空调系统节能设计提供参考。然而在实际设计过程中，热工系统设计与暖通空调系统设计存在信息沟通不畅、分工不明确等问题。同时由于建筑热湿过程及建筑热工部件机理的复杂性，对于常用的能耗模拟软件 Ecotect，DesignBuilder，TRNSYS，DeST 及PKPM 等模拟 结 果 的 可 靠 性、精确性存在诸多疑问。随着 BIM 技术 的 迅 速 发 展，建 筑 节 能 设 计 中的关键问题有望得到更好的解决。
本文结合大连某高校综合实验室工程建设项目设计，介绍 BIM 技术在建筑热工系统优化设计、建筑能耗模拟及暖通空调系统设计中的应用，并对当前 BIM 技术在工程应用方面存在的问题进行分析。
1 BIM 技术在建筑热工系统节能设计中的应用
1.1 总体思路
建筑热工系统节能设计是通过控制建筑体形系数、窗墙面积比、围护结构的传热系数等几个主要指标 来 实 现 的。GB50189—2015《公共 建 筑 节能设计标准》提出了围护结构热工性能权衡能耗判断法，即当建筑设计不能完全满足规定的围护结构热工设计要求时，计算并比较参照建筑和所设计建筑的全年供暖与空调能耗，通过不断调整设计参数并计算能耗，最终达到所设计建筑全年的空调和供暖能耗不大于参照建筑能耗的目的，以此使建筑围护结构的总体热工性能符合节能设计要求。围护结构热工性能权衡能耗判断法以建筑能耗为判据优化建筑热工系统，而建筑能耗除了与建筑围护结构热工性能有关外，还与建筑供暖空调系统生产、转换、输送冷热量过程中的各种能耗有关。建筑冷热负荷主要与建筑围护结构热工性能相关，因此围护结构热工性能权衡负荷判断法能够直接判定围护结构的总体热工性能是否符合节能设计要求[8]。同时，不同建筑围护结构部位对建筑冷热负荷的影响程度不同，可通过正交试验设计方法与 Revit模型的冷热负荷计算结果确定不同建筑围护结构的主次效应顺序，分析试验数据，得出不同围护结构部位对建筑冷热负荷的影响程度，发现建筑围护结构优化设计的重点，确定围护结构的最优组合。
1.2 建筑概况
某综合实验室 为 单 层 建 筑，建 筑 高 度4m，建筑面积160m2。图1为综合实验室房间功能分布图。图2为基 于 Revit软件 的 综 合 实 验 室 建 筑 模型。该建筑为南北朝向，综合办公实验室为混凝土剪力墙结构，综合实验室、太阳能实验室及空调机房为钢结构。该建筑主要用于办公、教学与科研，建筑相关信息见表1。
1.3 基于 BIM 技术的热工系统优化设计
参照建筑是进行围护结构热工性能权衡判断时用于计算全年供暖和空调能耗的基准建筑，参照建筑的形状、大小、朝向以及内部的空间划分和使用功能与所设计建筑完全相同，围护结构热工参数和体形 系 数、窗墙面积比等重要参数应符合 GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》的规定。本文中的综合实验室由于是单层建筑，其体形系数较大，为更接近实际设计过程，文中按照体形系数小于等于0.3选取相关围护结构传热系数限值。GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》中未规定建筑外门的传热系数限值，考虑到外门在建筑中占有较大比例，本文将外门列入建筑围护结构优化设计中。表2为参照建筑围护结构基本信息及冷热负荷模拟结果。
建筑围护结构优化设计中有屋顶、外 墙、外 窗及外门4个因素，每个因素选取3个水平，采用 L9(34)正交表。以建筑冷负荷及热负荷为指标，采用综合评分法对试验结果进行分析。先按重要性程度给各个指标赋予权重，再计算加权指标，化为单一指标问题。考虑到建筑冷负荷及热负荷的重要程度，本文中将建筑冷负荷与热负荷的权重均取为1。表3为正交试验因素、水平表，表4为正交试验表。
分析正交试验结果发现：
1)不同围护结构部位对建筑冷热负荷的影响程度不同，该综合实验室各围护结构部位对建筑冷热负荷的影响程度从大到小依次为外窗、外墙、屋顶、外门。因此，在对该建筑围护结构进行优化设计时，应重点优化外窗与外墙，其次为屋顶与外门。
2)建筑冷热负荷越小越有利于建筑节能，因此选取综合评分指标小的水平作为某一因素的最优 方 案，最终得到建筑围护结构优化组合为A3B2C1D1。通过对该优化组合的建筑冷热负荷进行模拟得到其 综 合 评 分 为15699 W，与参 照 建筑冷热负荷综合评分15709 W 相差很小，可认为该优化组合方案满足建筑节能设计要求。
对不同建筑而言，窗墙面积比、体形系 数 等 参数不尽相同，各围护结构部位对建筑冷热负荷的影响程度必然存在差异，因此通过正交试验设计方法对建筑冷热负荷进行模拟，发现各围护结构部位对建筑冷热负荷影响程度的主次顺序，确定围护结构的优化组合，对建筑热工节能设计不失为一种较为理想的方法。
2 BIM 技术在建筑能耗模拟分析中的应用
2.1 基于 BIM 技术的建筑能耗模拟
随着BIM 技术的快速发展，Ecotect，IES，GBS等基于 BIM 技术的可持续分析软件为建筑能耗模拟提供了分析平台。通过 BIM 核心建模软件与可持续分析软件之间的数据交换可以完成气象参数分析、风场分析、能耗分析及噪声分析等。在各个软件相互交换数据的过程中，数据的延续性及一致性是关键。本 文 结 合 核 心 建 模 软 件 Revit与可 持续分析软 件 Ecotect的建 筑 能 耗 模 拟 结 果 对 不 同BIM 软件之间数据交换的延续性及一致性问题进行分析。
2.2 基于 BIM 技术建筑能耗模拟数据的延续性与一致性分析
在该综合实验室建筑围护结构优化设计 Revit模型的基础 上，导 出 gbXML 格式 文 件，将 其 导 入Ecotect中进行建筑能 耗 模 拟，模 拟 结 果 如 图3所示。为了分析软件相互交换数据的过程中 BIM 模型数据的延续性及一致性，本文通过 Ecotect软件对该综合实验室建模并进行建筑能耗模拟，模拟结果如图4所示。
通过建模过程及对能耗模拟结果分析发现：
1)基于 BIM 技 术的建筑能耗模拟在一定程图4 Ecotect自建模型能耗模拟结果度上克服了传统能耗模拟存在的建模复杂、工作量偏大等弊端。但是在导入模型数据的过程中发现，原 Revit模型中的地理位置信息、建筑围护结构热工参数、建 筑 室 内 人 员 信 息 等 数 据 不 能 完 全 导 入Ecotect软件中，需在导入后的模型中重新设定上述基本信息。
2)在能耗模拟结果变化趋势上，虽然采用不同的 BIM 软件创建模型得到的能耗模拟结果大致相同，但是在夏季及过渡季，不同模型的能耗模拟结果差异明显。可见，在 Revit模型 与 Ecotect模型之 间 进 行 数 据 交 换 的 过 程 中，BIM 模型 数 据 的延续性及一致性较差，这直接影响了建筑能耗模拟结果的精确性。
3)解决 BIM 信息 在 不 同 软 件 间 交 换 时 数 据的延续性 和 一 致 性 是 建 筑 能 耗 模 拟 的 重 要 课 题。在建筑能耗模拟中要以较少的软件实现 BIM 设计，尽量减少不同软件间数据交换次数。
3 BIM 技术在暖通空调系统设计中的应用
3.1 暖通空调系统概况
该综合实验室空调系统由变风量空调系统、独立新风系统、风 机 盘 管 + 新 风 系 统 及 排 风 系 统 组成。表5为空调系统主要设备相关信息。图5为通过 Revit软件建立的空调系统三维模型。
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3.2 基于 BIM 技术的暖通空调系统设计应用分析
与传统的二维设计相比，基于 BIM 技术的 暖通空调系统设计的优势主要体现在其可视化、参数化的设计方法。可视化的设计方法使得系统设计界面更加直观，设计人员可以通过三维模型直观、形象地表示出各系统管线的位置;参数化的设计方法使得在模型修改过程中一处更新，处处更新，减少因设计变更而产生的工作量，从而极大地提高管线综合的效率和正确性，保证较高的设计质量。本文结合综合实验室空调系统设计，分 析 基 于 BIM技术的空调系统设计的主要优势。
3.2.1 图元连接检查
Revit软件中可通过“显示隔离开关”功能显示该项目中未完成物理连接的连接件。“显示隔离开关”功能只检查项目中连接件是否完成物理连接，而不检查连接件的物理连接是否正确。图6a显示了综合实验室变风量空调系统送风管路上未完成物理连接的连接件。经检查，上述错误是因为风管与三通只是在空间上的堆砌，并未实现物理连接。如果不能发现这一连接错误，就会导致后续分析结果不精确等问题。
3.2.2 系统连接查错
Revit软件中的“系统检查”功能用于检查设备连接件的逻辑连接和物理连接。例如，选择检查风管系统时，系统将自动检查项目中已指定到“机械” 规程下的风管系统的图元连接件的逻辑连接和物理连接，如果被检查的连接件属性设置错误或物理上未连接，将会出现连接错误提示，供设计人员参考。在图6b中，因为流动方向不匹配，导致无法计算流量，需检查系统中设备的流动方向。
3.2.3 系统综合查错
对于空调系统逻辑连接和物理连接良好的系统，Revit软件的“系统检查器”功能可以检查系统的流量、静压、压力损失等信息。图6c给出了综合实验室变风量空调系统某一末端的流量、压力损失及静压等信息。通过“系统检查器”功能，可判断系统实际运行时的大致状态，同时可发现系统设计的不足。
3.2.4 管线综合
通过管线综合可以优化管线排布方案，进行管线的碰撞检测，从而较好地解决传统二维设计下难以避免的错、漏、碰、撞等现象。使用 Revit软件中的“碰撞检测”功能可快速准确地确定各个模型之间的图元是否相互碰撞。基于 BIM 技术的管线综合不仅具有直观的三维显示功能，而且能够快速准确地找到并修改碰撞图元，从而极大地提高管线综合的效率和准确性，使项目的设计和施工质量得到保证。由于本文中空调风系统与空调水系统为单独模型，因此风系统与水系统间的管线排布方案及设备布置可能出现碰撞情况。图6d为空调新风管与风机盘管之间的碰撞分析。通过碰撞检测可及时发现问题并优化管线排布方案。
4 BIM 应用问题分析
在建筑设 计 方 面，基 于 BIM 技 术 的 “虚 拟 建筑”设计将成为未来计算机辅助建筑设计的主流，这一论断已得到众多专家学者的认可。基于 BIM技术的建筑设计在建筑热工优化设计、暖通空调系统优化设计、绿色建筑方案评估及多学科之间的协同设计等方面有其优越性。然而国内在这方面的研究尚处于起步阶段，相关规范及标准并不完善，在工程应用中仍存在诸多问题。
1)基于 Revit软件及权衡负荷判断法的建筑热工系统优化设计能够确定建筑围护结构的优化组合，实现建筑热工系统节能设计。Revit软件基于美国 ASHRAE标准计算建筑冷热负荷，与我国的 GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气 调节设计规范》中规定的负荷计算方法存在差异。因此，通过 Revit软件中的负荷计算工具对建筑围护结构进行优化设计，最终得到的冷热负荷不能直接用于暖通空调系统 的 设 计 中，这 导 致 了 BIM 技术在项目设计过程中信息传递的不畅，不能完全发挥BIM 技术的优势。因此，在 BIM 相关软件的开发及对国外软件的引入方面，软件内部核心建模及计算标准与国内相关标准的结合仍有待提高。
2)数 据 是 BIM 技 术 的 核 心。 一 个 完 整 的BIM 项目需要 多 种 软 件 来 实 现，BIM 模型 在 不 同软件之间交换时数据的延续性和一致性是 BIM 技术应用的重要 前 提。目 前，虽 然 BIM 相关 软 件 都支持相互之间的模型识别及数据传递，但是在实际应用过程中建筑模型在不同软件之间传递数据时的延续性及一致性不能得到保证。因此，软件研发人员在确定 BIM 数据 的 内 容 和 数 据 结 构 时，必 须保证 BIM 数据的通用性，即在不同的 BIM 相关软件之间能够保证良好的数据延续性及一致性，特别是在涉及计算、分析软件之间的数据交换的延续性及一致性是目前 BIM 应用亟待解决的问题。
3)基于 BIM 技 术的建筑暖通空调系统设计通过三维模型的展示和分析，可使设计师直观地了解该项目。同时 BIM 技术在专业协同设计方面能够降低出错率、减少返工、提高设计效率。虽然基于BIM 技术的暖通空调系统设计为设计人员带来了诸多便利，但是“族”的欠 缺 是 当 前 BIM 技术 在建 筑 暖 通 空 调 系 统 设 计 领 域 应 用 最 大 的 不 足。 “族”是 Revit软 件中构成项目模型基本的参数化构件。建筑暖通空调系统涉及众多机电设备，而当前 Revit软件 的“族”文 件 有 限，难 以 满 足 设 计 需要，为了达到参数化设计，需要花费大量的时间、精力自建设备“族”，无形中增加了设计人员的工作量，降低了设计效率。
5 结论
1)建筑热工系统节能与暖通空调系统节能是建筑节能的重点，在设计阶段对建筑热工系统及暖通空调系统方案进行优化设计具有重要意义。基于BIM 技术及权衡负荷判断法的建筑热工系统优化设计方法可以确定建筑围护结构的优化组合，是建筑热工系统节能设计较为理想的方法。
2)基于 BIM 技术 的 建 筑 能 耗 模 拟 在 一 定 程度上避免了传统建筑能耗模拟的缺点(如建模过程复杂、工作量大等)，但是 不 同 BIM 软件 间 数 据 交换过程中数据的延续性及一致性较差。在 BIM 相关软件的研发方面，一方面要把建筑模型数据在不同软件间的互通性、数据传递的延续性及一致性放在首位，另一方面应 充 分 考 虑 BIM 软件 内 的 数 学模型与我国 建 筑 设 计 相 关 标 准 的 结 合，做 到 基 于BIM 的相关分析与计算能够直接为我国建筑节能设计提供参考。
3)基于 BIM 技术 的 暖 通 空 调 系 统 设 计 方 法以其参数化设计、协同设计的独特优势减少了建筑工程项目中各协同部门之间出现的矛盾，有效地提高了设计工作的效率和质量。但就当前应用较为广泛的 Revit软件 而 言，“族”的欠 缺 是 BIM 技术在暖通设计领域应用最大的不足。因此，应加速推进我国 BIM 技术相关 标 准 的 建 立，发 展 基 于 统 一标准的“族”库 系 统，在 信 息 化 时 代 充 分 发 挥 BIM技术在建筑领域中的优势。——论文作者：刘 超☆ 赵天怡△ 张吉礼 刘明生 陈婷婷 杨欣炜
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