文章来源：浙江江南工程管理股份有限公司

    基于BIM技术的绿色建筑应用的研究

    ——以深圳广电集团科技大厦为例

    摘要：绿色建筑技术注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段。本项目以深圳广电集团科技大厦为案例，利用BIM技术，从设计阶段的建筑采光、声环境、风环境、建筑能耗，进行理论优化和仿真模拟，以达到绿色建筑节能、经济、环保、以人为本的目的。

    关键词：绿色建筑 BIM技术 建筑能耗模拟

    1.背景

    1.1、绿色建筑的定义

    绿色建筑指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源，包括节能、节地、节水、节材等，保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑物。绿色建筑技术注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段。

    1.2、基于BIM技术的绿色建筑设计基础

    BIM技术作为绿色设计的工具具有如下优势：

    （1）BIM的一些特性（如参数化、构件库等），使建筑设计针对上述分析的结果，有着及时和高效的反馈。

    （2）实际的构件信息在绿色建筑分析软件以强大的数据支持，同时确保了结果的准确性。

    （3）绿色建筑设计是一个跨越多个学科的综合性设计，BIM模型正好能够顺应此需求，实现了单一数据平台上各个工种的协调设计和数据集中。同时结合Navisworks等软件加入4D信息，使跨阶段的管理和设计完全参与到信息模型中来。

    （4）BIM的实施，能将建筑各项物理信息分析从设计后期显著提前，有助于建筑师在方案、甚至概念设计阶段进行绿色建筑相关的决策。

    2.BIM在绿色建筑中应用（以深圳广电集团科技大厦项目为例）

    2.1、采光模拟-日照分析

    针对于设计阶段的要求，本工程设计采用Ecotect和revit配合做日照分析，利用其强大的分析功能，对投影遮挡分析、日轨图分析、遮阳优化设计以及太阳辐射强度分析进行可视化处理。

    在Ecotect和revit中通过设置项目的地理位置、日期、时间，指定地点、投影方向和遮挡。Ecotect相比于revit数据集成度高，但可视化没有revit强大，因此采用两种软件交叉完成日照分析。分析日照以达到如下作用：

    （1）动静观察建筑的日照时间，并判断是否满足日照标准，帮助辅助设计建筑日照；

    （2）观察光照强时的遮阳效果；

    （3）观察室外广场地面在冬季和夏季的遮挡情况，辅助设计室外热环境。

    利用建好的模型文件，设置好深圳的地理位置（北纬：23.30°，东经：113.83°），在revit软件中打开日照分析，通过移动太阳的轨迹来改变时间状态，相应的光影也会出现变化。图1为广电模型在不同时刻的投影状况。

    图1日照模拟

    在Ecotect中投影设置面板中国电机AUNNUALSUNPATH，将在视图中绘制全年太阳运行轨迹，其中“8”字形曲线表示了全年中的等时运行轨迹，蓝色弧线表示全年各月1日的运行轨迹，图2为深圳广电模型在Ecotect中的全年日照轨迹模拟图。

    图2日照轨迹模拟图

    2.2、光环境分析

    光环境是建筑环境分析的重要组成部分，它涉及室内视觉舒适度、遮阳形式、照明能耗、空调能耗等多种影响因素，深圳广电集团科技大厦项目多采用幕墙，因此光环境分析显得格外重要，在分析过程中需要综合考虑各种因素的影响。

    在Ecotect中，室外照度采用的是设计天空照度，为全年从9点到17点的日照时数中有85%的时间能达到或者超过的照度。根据国家相关文件规定，深圳的照度设置为5000lx。本项目中的案例采用体网格，即三维空间实体网格。深圳广电集团科技大厦周边环境较为空旷，建筑间距较大，因此只对广电大厦的地上几层做采光分析，如图3。程序按数值大小以不同的颜色将计算结果显示在分析网格之上，同时程序还将在绘图区右侧显示出数据图例，如图4。

    图3光环境模拟图（1）

    图4光环境模拟图（2）

    颜色越亮，代表光照越强。由软件分析得到，深圳广电集团科技大厦裙楼的照度范围在68-75%之间，满足人们生产办公的舒适要求。再对整体裙楼做光照分析（图5）。在线框模式观察到日照能量的分布，深圳广电集团科技大厦裙楼的照度范围在68-96%之间，满足建筑生产办公的舒适要求。在实体模式中观察到的光照照度与线框模式下基本相同，实体模式下的光照分布更加直观，照度范围在68-96%之间，满足建筑生产办公的舒适要求（图6）。

    图5光环境模拟图（3）

    图6光环境模拟图（4）

    利用Ecotect软件还可分析其他与光照有关的数据的计算，如所有可见热量区域、建筑温度分布，图7为深圳广电集团科技大厦裙楼光照相关计算的输出结果。图中共四条曲线，其中横坐标为冬季某一天24小时的区间，纵坐标为光照强度，蓝色点画线为室外受光程度，黄色点画线为阳光烈焰强度，绿色点画线为室外风速，黄色虚线太阳散射强度。根据软件分析深圳广电集团科技大厦裙楼一天的日照强度在12-17时最大，在1000-1300lx之间（规范要求办公场所的照度应满足500-1000lx），满足人们的办公生活需求。图8描述了深圳广电集团科技大厦室外温度分布，其中横坐标为网格深度，纵坐标为室外阳光照度，由图可知深圳广电集团科技大厦室外阳光照度在网格中心处最高，两边最低。

    图7所有可见热量区域（1）

    图8所有可见热量区域（2）

    2.3、噪声模拟分析

    室内声环境是室内建筑物理的基本组成部分，通常人们在音响为50dB以下的环境中能够保证较高的工作效率，超过这一程度则会影响人们的情绪，造成疲劳，而安静睡眠则需要控制声音在40dB以下。对于会议室等特殊场所，需要按照建筑面积和需求对其进行音质设计，以便达到最佳听觉效果。图9为混响声模拟所用的模型。

    图9声环境模拟图

    图10声环境混响时间曲线

    在计算选项卡中，假设深圳广电集团科技大厦裙楼中单一一层每10平方米有一人办公，则一共210人左右办公，再输入该楼层的体积，得到混响时间曲线如图10。深圳广电集团科技大厦裙楼中语音频率为500-4KHz范围内的计算值远高于语音用途的建议混响时间1.2-1.4s（标记为speech的蓝色范围），是建议值的2倍。将部分吊顶材料改用水泥膨胀珍珠岩板，通过材质的吸声系数曲线对它们进行比较，查看材质在倍频程中心频率上的吸声系数及其曲线，如图11。

    图11不同材质的混响时间曲线

    通过对比，发现两种材质差别主要集中在中高频范围，混凝土板对于中高频的吸声作用较弱，大部分中高频声被反射回室内空间，而水泥膨胀珍珠岩板的中高频吸声作用相对于前者要强一些。回到分析视图中的混响时间选项卡，图12为调整后的混响时间计算结果。

    图12调整吸音材料后的混响时间曲线

    深圳广电集团科技大厦在换了屋面吸声材质之后，语音所在的中频范围内的混响时间明显有所下降，并且基本控制在0.7-0.8s左右，但低频的混响时间还是偏高，对于需要讲话的房间来说，其频率特性曲线应较为平直，同时低频混响时间不宜高于中频混响时间，因此在设计当中应再次修改墙体的材料以保证吸声系数。

    2.4、风环境分析

    建筑风环境包括室内风环境和室外风环境两个部分。室内风环境针对空调通风和自然通风系统，进行模拟分析，以防止室内设计完成后，出现室内风场不均、风场盲区、自然通风不良等影响室内舒适的问题。室外风环境针对单体建筑或者群落建筑进行风场模拟，避免因建筑规划不合理导致的风场安全问题。

    人行区域风环境，一般情况下要求规划区建筑物周围人行区域距地1.5m高度处的风速小于5m/s，以达到满足不影响人们正常室外活动的基本要求。本小节利用PHOENICS软件对深圳广电集团科技大厦风环境进行评价分析。

    本项目研究以夏季主导风向西南偏西风，主导风速2m/s，冬季主导风向为东北偏北风，主导风速1.6m/s。本项目主要就深圳广电集团科技大厦室外自然通风状况进行模拟分析。本研究中，在原有二维图纸的基础上建立三维BIM模型，利用PHOENICE对模型进行风环境模拟，BIM模型如图13。

    图13深圳广电集团科技大厦项目效果图

    在PHOENICS软件中模型外场尺寸选择主要以不影响建筑群边界气流流动为准，根据相关工程经验并做模拟试算后，确定放置外场计算尺寸为1200m×1000m×300m（长×宽×高），模型中沿Y轴方向设置为北向。

    室外风环境模拟时，确定合理的边界条件是保证模拟计算结果正确的一个重要环节。为了让区域的模拟比较接近真实情况，对建筑所处的地理位置的风速与风向进行分析。利用风玫瑰图，给出频率最多的风速风向情况，确定为当地平均风速，作为模拟区域的输入条件。

    深圳广电集团科技大厦在室外1.5m高、西南偏西风场下，计算得平均风速为1.67m/s，最高风速出现在西北墙角处，约2.2m/s。模拟结果如图14：

    图14风环境平面图

    图15风环境办公室立体图

    从上述图形模拟结果分析得出，在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑室外绝大部分区域在人行高度1.5米处的风速环境没有超过节能评估评价标准所规定的5.0m/s，风速放大系数不大于2。因此，我们认为在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑的室外风环境在舒适度要求的范围之内。从上述图形模拟结果分析得出，在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑室内绝大部分区域在高度1.5米处的风速环境没有超过节能评估评价标准所规定的5.0m/s，风速放大系数不大于2。因此，我们认为在2.0m/s的西南偏南风场下，建筑的室内风环境在舒适度要求的范围之内。从图15模拟结果分析得出，在2.0m/s的西南偏南风场下，办公室绝大部分区域在高度1.5米处的风速环境没有超过节能评估评价标准所规定的5.0m/s，风速放大系数不大于2。因此，我们认为在2.0m/s的西南偏南风场下，办公室风环境在舒适度要求的范围之内。

    2.5、建筑能耗模拟

    深圳广电集团科技大厦建筑能耗计算主要以空调能耗为主要研究对象。建筑的空间体量较大，设备较为密集，建筑能耗的计算变得越来越困难，对于计算精度的要求却在不断提高。随着计算机计算的快速发展，再结合复杂的能耗计算方法，满足室内环境要求的逐时建筑能耗。

    （1）建筑能耗基本情况

    （2）维护结构材质

    （3）建筑特性（体形系数和窗墙比）

    体形系数

    窗墙比

    （4）室内人员活动时间

    （5）能耗计算结果

    3.结语

    本文通过对BIM技术和绿色建筑相关理论的研究，结合BIM技术分析出基于BIM的绿色建筑工作流程，来解决传统绿色建筑的瓶颈问题。本课题的思路是以深圳广电集团科技大厦为案例，使用BIM技术在绿色建筑实践的应用为导向，以绿色建筑设计时间顺序为主线，在设计阶段进行BIM技术应用研究。

    （1）在应用BIM技术参数化、可视化的特点进行快速的概念建模，并利用日照、通风等模拟对建筑的体型。对总平面布局进行深化设计，然后以简单BIM模型为基础，进行初步性能分析，对比选出最优方案。

    （2）在绿色建筑设计阶段，应用BIM技术参数化、协同设计的特点，协同建筑、结构和机电等专业，对已选出的最优方案在BIM平台进行具体深化设计。并结合风、光、热、声、能耗等性能模拟，进行建筑的设计优化，以便达到绿色建筑评价标准中的要求。

    作者

    相光祖，本科，任职于浙江江南工程管理股份有限公司

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