基于BIM技术的绿色建筑节能设计方法研究.pdf

新型建筑材料圆园23援110引言自 20 世纪末以来，发达国家深入探索绿色建筑及其应用，已相继发布了评价标准，加快了世界绿色建筑的发展1-3。近年来，随着 Autodesk 公司的 Revit 系列和 graph iSOFT 公司的 ArchiCAD 等 BIM 软件的推广，BIM 技术在绿色建筑领域得到广泛应用4-5。将 BIM 技术应用于建筑工程设计中，可以预测并找出设计缺陷，避免额外消耗6-8。例如，Revit 结构有效地集成建筑三维模型和结构模型，促进了建筑工程参与者之间的信息交流和协同工作。应用 BIM 技术有助于完成建筑工程的设计、施工和后期维护，推动了建筑设计方法的更新，提高了工作效率9-10。但是，在绿色建筑中应用 BIM 技术仍存在一些缺陷，例如设计精度不足和科学智能处理方法不当等。因此，如何改进基于BIM 技术的绿色建筑设计成为绿色建筑领域亟待解决的问题之一。针对传统建筑设计模式存在的高返工率、缺乏协同设计和智能信息处理等问题，提出了一种基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法，从绿色建筑设计原则、设计准备和设计概念等方面出发，构建了节能设计的总体方案。1绿色建筑节能设计总体方案1.1设计原则节能设计是绿色建筑设计的重要组成部分，需要遵循以基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法研究徐河，贾晓浒（内蒙古工业大学 建筑学院，内蒙古 呼和浩特010051）摘要：针对传统建筑设计模式存在的高返工率、缺乏协同设计和智能信息处理等问题，提出了一种基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法，从绿色建筑设计原则、设计准备和设计概念等方面出发，构建了节能设计的总体方案。同时，通过对传统计算机辅助建筑设计和 BIM 绿色建筑技术进行比较分析，阐述了节能设计要素的内涵，包括建模软件选择、围护结构节能设计和照明节能设计等方面，并给出了基于 BIM 的绿色建筑节能效果评估方法，为 BIM 技术在绿色建筑领域的应用提供了一定的理论基础和应用支持。关键词：BIM；绿色建筑；节能设计；评估方法中图分类号：TU201.5文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0030-05Research on energy-saving design method of green buildings based on BIM technologyXU He，JIA Xiaohu（School of Architecture，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）Abstract：In view of the high rework rate and lack of collaborative design and intelligent information processing in traditionalbuilding design processes，this paper proposes an energy-saving design method for green buildings based on BIM technology.Start原ing from the principles of green building design，design preparation，and design concepts，this method establishes an overall plan forenergy-saving design.Furthermore，through a comparative analysis of traditional computer-aided architectural design and BIM greenbuilding technology，the paper elaborates on the connotation of energy-saving design elements，including the selection of modelingsoftware，energy-saving design of building envelope structures，and lighting energy-saving design.The paper also presents an evalua原tion method for the energy-saving effect of green buildings based on BIM，providing a theoretical foundation and application supportfor the application of BIM technology in the field of green buildings.Key words：BIM，green buildings，energy-saving design，evaluation method收稿日期：2023-07-06作者简介：徐河，男，1998 年生，硕士研究生，E-mail：。通讯作者：贾晓浒，教授，研究生导师，E-mail：。中国科技核心期刊30晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂下原则：（1）可持续发展和以人为本原则。考虑资源消耗、环境污染和资源保护等可持续发展问题，同时改善居住空间并保证居民健康。（2）符合居住舒适性和技术合理性。满足居民住宅建筑的空间需求，并利用太阳能、风能等自然资源。良好的节能设计可以提供良好的室内环境条件。（3）考虑地区环境差异和当地资源利用。结合外部自然环境特征、区域特色和居民的生活习惯，不仅要符合当地建筑风格，还要充分利用当地资源和环境，实现可持续发展目标。1.2初步设计准备节能设计在绿色建筑评估中的重要性体现在有效地节约和利用能源。BIM 在绿色建筑中的应用对于建筑节能至关重要。为了确保绿色建筑的成功实施，通常使用 BIM 模型分析建筑物的自然光照辐射和分布，制定可行的太阳能利用方案，实现对太阳能资源的充分利用。同时，基于 BIM 模型对室内自然采光进行分析，充分利用外部采光，减少室内照明的能耗。在选择和使用节能材料方面，根据公共建筑的功能需求和技术要求，利用 BIM 技术检测电力管网，避免因设计不合理而引发问题。最后，通过将外围结构和热性能参数作为 BIM建筑模型的输入参数，并使用相关软件计算所需的参数，在室内环境和结构热性能测试方面确保绿色建筑符合相关标准要求。如果设计或实施建设项目不符合相关绿色建筑标准的要求，则需要重新分析和计算建筑能耗。1.3概念设计在绿色建筑的节能设计中，通常需要将其转化为可根据建筑需求或居民想法实施的描述。因此，相关的设计文件是实施绿色建筑节能的基础。在评估绿色建筑的结果时，需要在设计阶段集成相关建筑信息，以获取精确详细的绿色建筑节能设计信息，然后将相关信息导入 BIM 平台数据库，为实施过程中的所有参与者提供共享数据11。实施绿色建筑的整个过程需要不同专业领域之间的合作和协同设计，而 BIM 模型可以为协同操作提供更好的信息管理平台。由于 BIM 模型包含有关绿色建筑概念的各种详细信息，因此可以为绿色建筑能效的模拟和分析提供基础和支持。此外，BIM 模型的参数化和模块化可以为后期的节能设计效果提供精确的信息反馈。基于 BIM 的绿色建筑能效设计的具体实施路线如图 1 所示。图 1绿色建筑能效设计的实施路线2绿色建筑节能设计的关键点2.1建模软件选择BIM 技术被用于建立建筑模型，然后在此基础上进行绿色建筑的节能设计，进行能耗模拟和分析，并根据模拟分析结果制定建筑节能模拟设计的技术路线。对于绿色建筑节能设计师而言，选择合适的 BIM 软件非常重要。近年来，设计师主要使用 Ecotec、Energy Plus 等类型的模拟分析软件来设计绿色建筑，并分析模型模拟结果，取得了良好的效果。Ecotec 软件具有操作简单、分析具体等特点，能根据不同的建筑设计模型进行相关参数优化，为具体实施提供有效保障。目前，大多数设计师将不同 BIM 模型软件提供的相关模拟软件与 Ecotec 模拟软件相结合，然后根据 BIM 模型软件中的模拟软件在不同阶段分析建筑设计模型的数据，并利用分析和设计模拟结果优化节能减排方案。2.2围护结构节能设计绿色建筑的屋顶部分需要综合考虑节能因素进行设计。目前常见的屋顶形式主要有高平屋顶、倾斜平屋顶和各种流线型平屋顶。在降低能耗和保温性能设计方面，通常需要考虑使用装饰材料、坡度设计和保温层，以在夏季和冬季达到良好的隔热保温效果。作为建筑的主体部分，外墙节能设计的目标是确保适宜的室内温度，避免外部高温的影响，并减少室内外温差的不良影响。用于节能外墙的材料通常是具有良好节能效果的复合建筑墙体材料。作为绿色建筑的重要组成部分，窗户主要用于通风、采光和隔热，在一定程度上对整个建筑的能耗有很大影响。因此，窗户设计不仅应满足用户的居住需求，还应满足建筑节能的要求。徐河，等：基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法研究31新型建筑材料圆园23援11最新的 BIM 设计方法通常能够满足高层建筑及其辅助围护设施的保温和节能需求。例如，使用 BIM 建筑模型，可以选择不同的墙体和屋顶建筑材料，并设置相关参数以优化节能施工方案。2.3照明节能设计如何设计阳光条件不仅是绿色建筑节能设计的关键，还会影响建筑的采光效果。有效利用照明节能技术可以降低人工能源消耗。在自然采光设计方面，有必要充分利用外部阳光产生的反射光来补充室内照明，减少室内人工照明所需的能源消耗，并满足建筑居住和生活所需的照明条件。在使用 Revit 建筑模型模拟时，可以导入照明软件 Ecotec对建筑的室内照明、阳光和采光进行模拟和全面分析。根据分析结果，可以调整建筑模型的结构或更新相关参数进行重新设计。根据绿色建筑设计的技术标准，建筑物卧室的平均采光系数与阳光条件有关，阳光条件越好，采光系数就越大。一般来说，卧室的平均采光系数为 4.7豫。客厅、厨房、卫生间等与窗户的距离较远，通常难以获得更好的阳光环境，采光系数一般为 1豫12。在绿色建筑节能设计中，不仅应满足室内采光系数的标准，还应满足室内节能和环保的要求。3基于 BIM 的建筑能效分析方法3.1基于 BIM 的建筑能效分析特点在过去，由于技术条件的限制，建筑能耗分析存在许多问题。传统方法只在建造过程中进行，无法修改设计图纸，造成资源浪费。利用建筑模型在设计阶段进行能耗分析可提高施工效率、降低成本。传统方法只考虑单一因素，缺乏经济性和实用性。BIM 技术通过整合建筑模型、环境和参数，处理和分析数据，并实现建模软件与能耗仿真软件的交互。促进了各部门的协作和信息共享，全面分析建筑能耗并为决策提供支持。3.2建筑能耗分析过程随着 BIM 技术的快速发展，建筑能耗模拟和分析变得越来越方便。BIM 能耗分析软件的应用可以全面考虑与建筑项目相关的多种因素，如建筑能耗和室内能耗动态分析等。通常，BIM 能耗模拟软件采用 Ecotec 来设计和分析具体的建筑项目。利用 BIM 技术来模拟和分析能耗不仅可以将有效的信息导出到分析软件并完成相关分析，而且可以减少不同阶段之间的重复工作，提高工作效率。将包含在 BIM 核心建筑模型中的信息传输到相关的能耗分析软件中，将能耗分析软件获得的分析结果返回到建筑模型中，然后通过动态调整模型参数来不断改善节能设计效果。4基于 BIM 的绿色建筑节能效果评估4.1建立评价指标体系基于 BIM 技术的建筑能耗分析软件主要利用设计阶段的建筑模型模拟分析建筑在施工和使用阶段的节能效果，因此需要建立相关评价指标体系以评估绿色建筑的节能效果。评价体系不仅应作为建筑节能效果评估的依据，还应提供绿色建筑节能设计的指导方针。通过对评价体系所得的建筑能效效果进行评估分析，可跟踪施工项目各部门的工作过程，总结分析施工项目中存在的问题。良好的评价体系应遵循以下原则：首先，采用定性和定量分析方法对绿色建筑的节能效果进行科学评估；其次，评价指标应可调整，以适应具体建设项目的要求；此外，应简化指标分析和计算过程，使评估过程易于操作，同时发挥实用性。根据国内外绿色建筑能效评价标准，绿色建筑能耗模拟分析软件输出的相关报告基本上能满足节能设计要求。因此，能耗分析软件的模拟结果可作为评估绿色建筑节能效果的依据。根据涉及的不同方面，可以建立绿色建筑节能评价指标体系，具体如表 1 所示。表 1绿色建筑节能设计效果评价体系及各级指标关系4.2绿色建筑节能效果评价模型通过使用建立的绿色建筑能效评价指标体系，全面考虑评价体系中各级别指标的不同重要性，并计算相应指标的权重。权重计算方法可以考虑主客观原则。根据节能设计的目标、标准和具体设计方案，可以建立节能效果评价指标体系的层次结构模型，如图 2 所示。图 2节能设计评估层次结构根据上述能耗节约评价层次结构模型，为了获得每个评价指标的权重，需要构建相关的判断矩阵，如式（1）所示：一级索引二级索引节能设计设计方案可行性；外防护结构质量；能源消耗能源消耗光照条件；能源利用；外部环境条件采光条件室内照明条件；外窗透光率通风条件室内通风；室内空气质量；室外通风徐河，等：基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法研究32晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂B=b11b12b1mb21b22b2mbm1bm2bmm杉删山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫（1）通常使用数字 1-0 来表示判断矩阵中每个元素的相对重要性。然后，根据评价专家对每个指标的重要性进行比较，并给出相应的得分以形成一个判断矩阵。然后计算每个指标的权重。具体的计算公式如下所示：ai=mj=1仪bij姨（2）a軃i=aimi=1移ai（3）u=mi=1移mj=1移bija軃ima軃i（i=1，2，m）（4）式中：a軃i判断矩阵的每个组成值。c=u-mm-1（5）cq=cq（6）式中：c判断矩阵的一致性指标；q随机一致性指标；cq修正一致性比率。随机一致性指标如表 2 所示。表 2判断矩阵中不同维度对应的随机一致性指标如果 cq约0.1，说明判断矩阵具有很好的一致性。否则，可以通过不断调整判断矩阵元素的值来实现一致性要求。能源节约评价指标体系建立后，通常需要将定性指标量化处理。因此，通过为每个评价指标设置等级，并根据这些指标在评价指标体系中的不同等级或相应项目的重要性将其分为 5 个等级：优秀、良好、一般、合格和不合格。这 5 个不同的等级依次可以用整数 10、9、8、7 和 6 来表示。每个指标的得分由专家评分获得，并根据评分结果建立节能效果评价样本矩阵。例如，假设参与评分的专家数量为z，依次对 x 个主要评估指标进行评分，每个主要评估指标又包含 y 个次要评估指标，则最终的节能效果评价样本矩阵可按式（7）表示：S=S111S112S11zS121S122S12zSxy1Sxy2Sxyz杉删山山山山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫（7）4.3工程案例中评价模型的应用根据某建筑设计院制定的设计技术方案，创建了一个绿色建筑的三维模型。然后，在 BIM 平台上，不同的专业人员和部门可以协同工作。图 3 显示了包括建筑结构模型在内的三维建筑模型。图 3三维建筑结构模型基于 BIM 数据平台，将建筑模型导入能耗分析软件，可生成相关分析报告。根据绿色建筑节能效果的分析报告和评价指标体系，使用主要指标节能设计方案 B1、能耗 B2、采光条件 B3和通风条件 B4构建判断矩阵。节能评价系统的主要指标判断矩阵如表 3 所示。表 3节能指标评价体系判断矩阵由判断矩阵可计算得到权重向量 a=（0.136，0.247，0.315，0.063）。根据一致性检验公式，最大特征值 u=4.13，一致性比cq=0.0140.1。通过一致性检验，可得到每个主要指标的权重，如表 4 所示。表 4节能评价指标体系主要指标的权重依次比较每个主要指标下的每个次要指标，以确定其层次的判断矩阵。例如，通过对节能设计主要指标下的各种因素进行判断和比较，可以得到相应的判断矩阵，如表 5 所示。根据判断矩阵，对应的 a=（0.124，0.216，0.473）。cq=0.0080.1，通过一致性检验。一致性检验后，得到一级指标下各二级指标的权重，如表 6 所示。矩阵维数12345678910q0.01 0.02 0.36 0.54 0.82 1.15 1.27 1.32 1.41 1.49BB1B2B3B4B11.00.50.81.5B21.51.02.53.0B30.50.51.02.5B40.80.51.51.0主要指标节能设计能耗采光条件通风条件权重0.1360.2470.3150.063徐河，等：基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法研究33新型建筑材料圆园23援11表 5节能评价指标体系次要指标判断矩阵表 6节能评价指标体系二级指标权重同样地，可以使用相同的方法获得通过比较其他一级指标下元素所形成的判断矩阵。同时，可以根据判断矩阵获得相应的权重。最后，可以计算出绿色建筑节能效果评价指标层的所有不同指标权重，如表 7 所示。表 7节能设计效果评价体系各级指标权重因此，可以使用式（7）构建相应的评分矩阵，并与表 7 中节能设计效果评价系统各级别的指标权重相结合。按照本文提出的节能评价方法，绿色建筑节能效果的综合评价结果 M按式（8）计算：M=（0.21 0.17 0.35 0.23 0.13）109876晌尚上上上上上上上上上上上上上上上上上裳捎梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢梢（8）建筑项目的节能效果综合评价值为 8.82，处于良好和中等之间，表明绿色建筑模型的节能效果达到了预期目标。5结论作为现代建筑业的重要发展方向，绿色建筑与 BIM 技术的广泛应用密不可分。本文利用了具有建筑信息模型和仿真功能的 BIM 技术，从减少建筑能耗、维护生态环境可持续发展的角度出发，研究了基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计方法。系统阐述了绿色建筑的设计原则和设计理念，并给出了绿色建筑节能设计的总体方案。深入研究了绿色建筑节能设计要素，从建模软件选择、围护结构节能设计和照明节能设计等方面考虑，提出了基于 BIM 的绿色建筑节能分析方法。此外，还从节能效果评价指标系统设计和绿色建筑节能效果评价模型设计等方面提出了基于 BIM 的绿色建筑节能效果评价方法。实例进一步验证了本文提出的节能设计方法对绿色建筑领域具有一定的参考意义。提出的基于 BIM 技术的绿色建筑节能设计不仅可以为 BIM 技术的深入研究提供参考，还可以为绿色建筑领域的广泛应用提供技术支持。参考文献：1Yoon S，Park N，Choi J.A BIM-based design method for ener原gy-efficient building C/International Joint Conference on Inc.IEEE，2009.2夏冰，陈易.关于低碳建筑设计方法的比较研究J.建筑节能，2014，42（9）：60-67.3Eleftheriadis S，Mumovic D，Greening P.Life cycle energy effi原ciency in building structures：A review of current developmentsand future outlooks based on BIM capabilitiesJ.Renewable andSustainable Energy Reviews，2017，67（1）：811-825.4Hasanain F A，Nawari N O.BIM-based model for sustainablebuilt environment in Saudi ArabiaJ.Frontiers in Built Environ原ment，2022（8）：1-20.5张玉琢，朱雨萱，陈慧铭.基于 BIM 的绿色建筑深化设计质量管理研究以寒区节能示范屋为例J.沈阳建筑大学学报（社会科学版），2022，24（5）：484-488.6王文韬，赵吉坤.基于 BIM 技术的绿色建筑节能优化研究J.建筑节能（中英文），2022，50（7）：41-49.7贺卫红.绿色建筑节能设计中 BIM 技术应用探讨J.陶瓷，2022（5）：143-145.8Changsaar C，Abidin N I A，Khoso A R，et al.Optimising energyperformance of an eco-home using 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