应用BIM技术进行建筑节能设计

1.传统建筑节能设计流程及存在的问题

图2-17　传统建筑节能设计流程

（1）传统建筑节能设计的流程（图2-17）。CAD技术虽然可以将设计者对于建筑本身包含的几何和物理属性从纸质图纸描述转变成计算机数据描述，但对建筑物的二维形象认知并没有改变，只是从传统图示思维转换到数字图示思维。图示思维被用来作为一种解释性或分析性的工具，描述物体之间的空间关系、内在属性，或者展现建筑师的设计灵感，属于一种抽象的描述。以往的设计模式以业主提供的设计任务书为基础，综合考虑建筑的内部功能、外部环境，首先形成建筑的立意构思，勾画草图，然后完成对建筑的布局、朝向、材料类型、门窗布局、区域功能划分等的方案设计。结构和设备工程师在此基础上布置系统，各专业人员依据工作完成顺序依次参与到设计过程中。

（2）存在的问题。

1）缺乏协同设计。目前的设计流程大部分属于“线性化”流程，各个专业之间只以“建筑功能”为纽带连接，只有简单的沟通配合，缺少深度的交流，所以，设计不会彻底优化。例如，建筑设计师在更改设计方案时若没有及时反馈给暖通工程师，则可能导致暖通设备和管线的布置错误。因此，虽然现阶段的设计流程简单快速，但对于图纸中存在的“错、漏、碰、缺”问题却难以发现，最终会影响设计方案出图的质量。

2）设计效率较低。目前，二维设计图纸虽然能导入部分建筑能耗模拟软件，但需要设计者输入相关数据或作出数据修正，且效果不太理想，工作烦琐且容易出错。同时，由于传统的能耗分析通常在方案设计的施工图阶段以后，由专业人员进行模拟，分析时间上存在一定的滞后性。如果建筑的能耗性能不满足节能标准，更改起来非常麻烦，需要将概念设计、初步设计、施工图设计重新修正，且涉及建筑、结构、暖通多个专业，一方面增加了设计人员的工作量，降低了设计效率；另一方面对于业主而言会影响项目的进度和成本，不利于投资的收益。

3）准确性有待提升。在传统方式下，能耗模型的建立是依据二维设计图纸的建筑信息，由设计人员在软件内输入数据进行能耗测算，容易出现数据输入错误的问题，导致能耗模拟结果与事实不符的现象。同时，由于建筑设计软件与能耗模拟软件相互独立，两者无法直接传递数据，不能构成一体化分析流程，节能设计的准确性和有效性得不到保障。甚至有的设计单位为了满足节能设计标准和工作进度，建立的模型与真实数据不一致或者单纯地改变某一指标以满足节能标准，不利于实现真正的建筑节能设计优化。

4）缺乏经济性分析。现阶段对建筑的成本分析工作通常是在每一阶段的设计完成之后进行的，在设计过程中几乎不进行成本的计算与分析。因此，当设计方案的成本不满足投资要求或超出预算之后需要对设计方案整体进行修改。从设计师的角度而言，尤其在施工图设计阶段，各个专业的设计工作基本已经完成，此时再进行方案的成本控制，修改设计方案，会大大增加设计师的工作量。从投资方的角度而言，如何实现能耗性能和经济性的平衡，以最少的成本建造出最节能的建筑，才是其迫切关心的问题，因此，不能“重节能轻成本”，而应该统筹考虑，综合分析。

2.运用BIM技术进行建筑设计的特点及优势

BIM技术创造的虚拟建筑模型，包含着大量建筑材料、构件特征、空间关系等信息，实际上是一个储存了建筑全部信息的数据库。由于BIM技术信息整合和动态更新的特征，可以应用于建筑从设计、施工到运行的生命周期各个阶段的实施和管理，因此，其本身就是一种涵盖全生命周期范畴的方法。与传统的CAD设计技术只是简单地将绘图成果进行电子化相比，BIM技术不仅引发了将设计成果三维数字化的技术革命，还给建筑行业的管理理念带来了全新的研究视角。运用BIM技术进行建筑设计的特点及优势主要如下：

（1）三维模型构建和可视化。BIM技术构建的模型可以从三维或二维视角进行观察，形成多视角观察的功能。有利于建筑师实现建筑艺术追求、使施工人员深入了解建筑构件做法等目标。

（2）输出图纸文件。BIM模型包含完整的建筑数据信息，且包含建筑各个楼层的平面、剖面等视图，可以自动输出如DWG等用来指导后期施工或图纸深化的二维图纸。

（3）数据自动更新。对BIM平台创建的模型的修改都是基于同一个数据库，所以，对某个文件或图元进行更改时，整个数据库包含的信息都会同步更新。这样有利于多规程协调工作，即每个参与者对模型的修改都是有效的，是可以被其他人接收和使用的。

（4）实时分析。BIM模型包含的建筑数据信息随时可以被提取，根据模型不同阶段的不同详细程度，可以导入其他软件进行各个阶段的模拟分析。因此，在设计阶段可以根据不同阶段的设计目标，选取合适的信息进行利用。

（5）协同工作。BIM软件之间遵从众多开放标准，主要可分为两类：一类是NBIMS、IFD等用来指导BIM技术实施的标准；另一类是IFC、GB XML、PCSC、COBie等规定数据描述方法、交换格式的数据交换标准，这是实现多软件之间数据共享的基础，使得大部分BIM软件之间可以实现数据共享和平台构建，优化了数据流通过程，避免了模型数据的重复处理。例如，Revit软件建立的三维模型，可以GB XML格式输出到Ecotect、Energy Plus、Green Building Studio等软件进行能耗模拟，极大地方便了建筑设计、暖通设计等技术人员进行协同工作，有利于BIM软件“生态圈”的建立。

以上优势BIM技术可以在建筑全生命周期的各个阶段使用，包括从策划、设计、施工、运营和维护，甚至建筑拆除和重建的全过程，对信息、数据、资源等集中协同管理，提高工作效率，降低工作成本。目前，BIM在全生命周期阶段的应用见表2-13。

表2-13　BIM在全生命周期阶段的应用

BIM的理念和方法的实现依赖于软件工具的开发，软件承载着BIM的技术标准、应用功能、实现手段，是BIM实践不可缺少的一环。不同功能的BIM软件见表2-14。

表2-14　不同功能的BIM软件

3.BIM软件平台下的建筑设计

图2-18　BIM技术应用案例——武汉中央商务区宗地14B项目

由表2-14可知，目前市场上能够创建BIM模型的软件众多，其中知名度最高，国内外应用最广泛的是Autodesk Revit系列。图2-18所示为采用BIM技术建立的虚拟模型。

Revit Technology公司于1997年开发了Revit软件，最初始的功能仅有三维参数化建模设计。之后Revit Technology软件在2002年被美国Autodesk公司收购，成为Autodesk公司三维数字产品的重要成员，经过十几年的开发，Revit逐渐发展成了建筑、MEP（Machine、Electric、Plumbing）多专业一体化的BIM工具，并延伸出Revit Structure和Revit MEP，也成为我国三维设计市场上被使用最广泛、认可度最高的三维建模软件。Revit Architecture可以让建筑师在三维空间模式下进行建筑方案设计，快速表达设计意图，完成概念设计、方案设计、施工图设计，最后得到所需的建筑施工图档指导后续各专业工作。Revit提供了一个设计与信息记录的平台，具有设计、图纸管理和明细表等功能。在Revit模型中，一个虚拟的建筑模型，可以有多种表现形式，如图纸形式、视图形式、数据明细表形式。对建筑模型某个部位进行操作时，Revit将实时收集更新建筑项目的相关信息，并在模型的所有表现形式中体现该信息。在模型任何部位如视图、图纸、明细表的更改、操作都可以被Revit的参数化修改引擎自动协调。通过对工程管理的阶段划分和专业分类，Revit平台的工作流程可划分为建模设计、记录和显示、数据分析、协作设计，如图2-19所示。

（1）建模设计。Revit建模设计主要可分为场地设计、体量研究、建筑建模、结构建模、MEP建模。

图2-19　Revit平台的工作流程

图2-20　场地分析

1）场地设计（图2-20）属于建筑的规划部分，场地规划是对一个特殊的地块进行评价，以决定其合适的用途。绘制一个地形表面，然后添加建筑红线、建筑地坪及停车场和场地构件，可以得到建筑地形的等高线、高程、覆土类型、不同区域的不同渗透特征等数据。然后可以为这一场地设计创建三维视图或对其进行渲染，以提供更真实的演示效果。

2）体量研究通常在概念设计阶段使用（图2-21），通过创建建筑的体量实例，抽象地表示建筑物或建筑物群落主要构件的体量之间的材质、形式和关联。依据业主的要求，初步确定建筑的形状、体型系数、楼层面积、门窗面积。当建筑设计师开始进行可持续设计时，运用BIM体量研究可以直观地、可视地描绘建筑或建筑群落的演变。

图2-21　Revit绘制建筑概念体量

周山河漫游动画

3）建筑建模是一个详细的建筑物形成的过程。在建筑概念设计后，建筑师可以通过概念体量内填充建筑图元来完善建筑的具体构造，确保前期策划的连续性，形成连续的工作流程，避免重复工作。Revit以建筑图元为单位绘制建筑的墙、门、窗、柱、屋顶、天花板、幕墙、楼梯等部位，这些建筑图元包含了建筑构件的标高、尺寸、构造层类型、功能、材质、制造商、型号、成本等几何和物理数据，不仅可以完全还原建筑的现实面貌和建造属性，包含的制造商、成本等数据还可以为后期的经济分析、运营管理提供可靠的数据支持（图2-22）。

4）结构建模将建筑的承重结构如梁、支撑、桁架、承重墙、基础等构件组合在一起，模型包含构件的几何尺寸、荷载工况、荷载性质、约束类型、钢筋布置、连接关系等设计数据（图2-23）。结构模型建立后，通过设置恒荷载、活荷载等参数计算结构线荷载、面荷载等是否满足要求。这一功能不仅可以在Revit内部实现，还可以与其他软件结合使用，获得更加科学、可靠的设计结果。例如，与AutoCAD结合，完成快速出图，并将施工图导入其他专业结构设计软件进行进一步优化，从而实现BIM应用流程的深化和完善，提高设计效率。(www.xing528.com)

图2-22　建筑图元创建建筑模型

图2-23　Revit进行结构设计

图2-24　空压机室设备及管路布置模型示例

5）MEP（机械、电气和管道系统）设计以参数化建模为基础对风管系统、电气线路、供回水系统等设备构件和连接构件的布置安装（图2-24），使建筑满足供热制冷、照明灯具使用、用水等要求。MEP具有参数化、平剖面双向关联的特点，并同时提供了“链接模式”“工作共享”两种协同工作模式，实现了各专业同时设计的目的，确保了信息的及时传递与准确性。

（2）记录和显示。记录和显示设计主要功能是创建、注释和优化项目文档，向团队成员、顾问、客户和承包商传达设计意图。其包括项目视图、明细表、施工图文档、渲染、漫游等成果文件，是数据分析使用的必要前提，如明细表功能，可以直接统计各种材质如混凝土的型号和使用量，方便进行成本的计算，避免重复计算工程量，有利于设计阶段的投资成本控制。Revit数据集成功能的具体内容见表2-15。

表2-15　Revit数据集成功能

图2-25　日光分析

（3）数据分析。BIM模型是数据化模型，因此，对数据的分析尤为重要。分析设计提供了专业的分析工具以在设计过程中获得更多的决策信息。其主要包含了面积分析、能量分析、结构分析，另外，Revit 2018版本更新了日光分析（图2-25）。面积分析可以帮助建筑师了解各个空间的面积、体积大小，合理划分空间组合；能量分析可以帮助分析进入、流出或通过建筑模型中房间和体积的能量运动，此信息可以帮助建筑师作出更明智的决策，经济高效地提高性能并减少建筑的环境影响；结构分析主要是创建结构分析模型，对建筑荷载、边界条件等结构属性进行分析，帮助确定结构是否符合设计标准；日光分析依据建筑现场的地理环境和气候特征，可视化地描绘太阳在特定时间在天空中的运动轨迹，展示自然光和阴影对项目外部和内部的影响。

（4）协同设计。将BIM应用于全生命过程的管理，进行全生命周期内的信息集成及不同阶段的协同研究，是BIM技术的重要作用之一。而协同设计平台，为这一目标的实现创造了必要条件，Revit通过文档管理、流程控制、沟通效率三个方面加强了各个专业、各个设计参与方的数据共享和工作连续性。

其中一种方式是以Revit模型数据为基础，输出为多种格式文件，以便于Revit以外的其他软件直接使用（图2-26）；另一种是Revit协同设计平台创建了链接模型、团队协作、多规程协调、碰撞检查、共享定位等功能。具体内容见表2-16。

图2-26数据传递方式

表2-16　Revit协同设计平台

4.BIM软件平台下的能耗模拟

世界上正在使用的能耗模拟软件有一百多种，适用范围较广的有DOE-2、EnergyPlus、DeST、eQUEST、Ecotect等。DOE-2是开发最早的能耗模拟软件，其由美国能源部和美国劳伦斯伯克利国家实验室共同研发。该软件使用区域广泛，是国际上最具权威性的模拟软件之一，并以此软件为计算内核衍生了一系列模拟软件，如Power DOE，Visual DOE、eQUEST等。DOE-2采用经典的LSPE结构（Load、System、Plant、Economic四大模块），对于功能和结构较为复杂的建筑，DOE-2仍然可以精确地处理计算。但是其对暖通系统的分析能力存在局限性，能够处理的系统种类不多，另外，它是基于DOS环境进行开发的，使用时需要手动编程输入数据，且格式固定，有关键字限制，不适用于普通用户。

在节能设计软件中，在我国应用比较广泛的软件有Ecotect Analysis、PKPM节能设计软件（PBECA）及BECS节能设计软件。Ecotect Analysis软件由英国Square公司开发，诞生之后因其模型精度高、模拟准确等优势迅速被普及使用。Ecotect Analysis软件分析范围很广，覆盖了太阳辐射分析、焓湿图策略分析、热环境分析、光环境分析、声环境分析、经济性及环境影响等建筑物理环境的七个方面。具体分析内容见表2-17，但是该软件日光分析能力较强，能耗计算精度较差，而且在设计过程中与我国国家、地方的节能设计技术标准、规范相割离，不利于判断设计方案是否符合节能标准。

PKPM能耗模拟分析软件的特点是与我国节能标准链接，节能分析内容符合实际设计需求，另外，软件操作简单方便，可以导入CAD格式文件、BECS软件文件等，但构建的模型较简单，包含信息少，计算精度有待进一步提高。

表2-17　Ecotect Analysis可持续设计分析内容

清华斯维尔软件科技公司开发的BECS软件，以DOE-2为计算内核，计算结果可靠，与类似的PKPM软件相比，BECS与Revit等BIM软件兼容性更强，计算精度更高。通过建立三维模型，以《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）为热工计算依据，结合《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）等对建筑模型的能耗规定进行计算，判断设计建筑是否满足设计标准的规定性指标或综合权衡性能指标。BECS软件所建立的模型，与建筑设计过程中的三维模型一致，包含建筑物与能耗有关的物理、几何信息数据。并且随着设计进程的推进，模型也会随着越来越细致。在软件输入界面，输入通风、空调等设备信息和布置位置，以及建筑门、窗、维护结构的位置、尺寸、材质等信息，根据设定的气候文件，通过计算室内温度及室内得热量来计算出建筑冷热负荷。由于考虑气候的变化条件和实时温度变化，BECS的计算过程是一个动态平衡的过程，可以根据设定的建筑情况和室内设计温度值，模拟出建筑的全年8 760h动态能耗。既可以将Revit、Rhino等软件创建的三维模型直接导入使用，还可以将生成的模型以GBXML格式导入其他软件中进行建筑环境分析。

5.基于BIM的建筑节能集成化设计流程

建筑集成化设计方法注重通过被动式技术与主动式技术结合获得满足舒适感等节能目标，是一种通过合理安排建筑物、围护结构设计及暖通空调等设备之间的关系来提高能源使用率的设计方法。这种设计方法通常在理念、功能、性能及经济上将节能建筑与建筑设计标准结合在一起。

在建筑项目实施的不同阶段所做的相应决策的效力不同，在决策影响力最大的阶段做好决策，就能取得事半功倍的效果，对减少项目生命周期各个阶段的浪费有着十分积极的作用如图2-27所示。

因此，建筑集成化设计能越早参与到设计阶段，对项目的影响就越深远，发挥的作用越大；反之，若节能技术只用来作为施工中的弥补手段，不仅节能设计目标难以实现，也会造成成本支出的增大。建筑集成化设计是从全生命周期考虑，融合多种学科与技术，因而，具有以下特点：

（1）将传统建筑设计目标与技术集成为主线的设计过程；

（2）技术选择因地制宜，与相关设计标准结合；

（3）设计过程基于数据信息，而不是基于形式，一切过程只为保证设计目标的达成；

（4）贯穿设计过程的各个阶段；

（5）基于多学科多知识网络，将不同专业人员的不同工作有机融合，增强相互作用效果。

图2-27　不同阶段的决策有效性

节能模拟计算是实现建筑节能的重要基础，通过对传统节能设计流程的分析可以发现其存在着一定的缺陷，而基于BIM的建筑节能集成化设计流程则可以弥补这些缺陷。BIM技术将信息收集、分析、分享功能与集成化设计方法结合，可以实现能耗实时模拟，经济成本分析及各专业人员的数据共享与处理，建立一个资源开放的平台，在有效性、实时性上都更胜一筹。以BIM建模软件为中心，依靠工作集的形式对建筑、结构、暖通、电气和给水排水等专业进行协同设计，在概念设计、方案设计、初步设计和施工图设计的每一阶段根据不同的目标确定评价指标。在图纸设计的不同深度阶段，根据数据形式的需求，将BIM模型及其包含的建筑数据信息直接与其他相关软件链接，进行不同设计决策内容如结构形式、投资估算、能耗情况的分析，并计算相关评价指标。然后利用优化算法对目标进行寻优生成设计。每一阶段逐步推进，直到施工图设计完成为止。因此，依据不同设计阶段的顺序及目标，构建基于BIM的节能设计基本流程（图2-28），可以将传统建筑设计和建筑节能设计整合，并形成连续的工作流。只有设计团队的各种信息、专业知识能够进行充分交换和配合，得到的设计方案才能被业主认可，建筑节能才能落到实处。

图2-28　基于BIM的建筑节能集成化设计基本流程

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