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摘要：我国是个建筑大国，为了缓解我国能源紧张的压力，建筑节能必不可少。本文根据我国目前建筑节能设计的现状和国内外能量分析软件的应用现状，针对当前传统的节能设计方法无法满足需要的实际问题，提出将 BIM（建筑信息模型）技术与建筑能耗分析相结合，进行节能建筑设计这一新的设计方法。运用BIM技术创建的虚拟建筑模型包含了建筑的所有信息，将这个虚拟建筑模型导入建筑能耗分析软件中，可以自动的识别、转换并分析模型中包含的大量建筑数据信息，从而方便快捷的得到建筑能耗分析结果。
关键词：建筑节能设计；BIM（建筑信息模型）；能量分析
中国能源短缺问题空前突出，建筑节能已成为当务之急，中国建筑设计界必须采取强力措施积极应对。据统计，全国既有的近 400亿 m2建筑中 99%为高耗能建筑，每年新建房屋近 20亿 m2，95% 以上仍是高能耗建筑。单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的 3倍以上。建筑的节能设计，不仅对建筑环境工程师、设备工程师提出挑战，更重要的是对建筑设计师的挑战。建筑节能设计的一个重要方面就是降低建筑能耗。在决定建筑能量性能的各种因素中，建筑的体型、方位及围护结构形式起着决定性作用，直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平。而这三方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。因此建筑设计对建筑的能量性能起着主导作用。不同的建筑设计方案，在能耗方面会有巨大的差别。目前凭借先进的计算机技术进行复杂的数据计算和实时的动态模拟是实现建筑节能设计的科学性和合理性的重要保障。
1 建筑节能设计的现状
节能建筑设计的推广还远远达不到发展的要求，这一现象在我国更是突出。大多数的设计师参考其他生态建筑设计案例和套用己经有的技术手法，而且没有对所设计的方案和工程进行分析与计算，以检验设计的效果是否节能、是否经济、是否“绿色 ”等。目前，中国的建筑设计更多的是侧重于建筑的外观和功能，而忽视建筑的能效设计——即通过被动设计的方法，在建筑设计的初始阶段，就开始进行建筑能效设计，从而选择最优化的设计方案。在AutoCAD占据统治地位的2D CAD时代，只能通过手工输入的方式将建筑设计的相关数据输入到专业软件中，才能进行能量分析。而操作和使用这些软件不仅需要具备复杂的能量分析基础知识，而且本身也是专业化的程序，必须由专业人士经过专业培训才能进行操作。大量的专业数据、繁琐的输入工作使得能量分析与模拟对于建筑师来说是可望而不可及的。这是建筑师无法在设计过程中直接对设计方案进行建筑能量分析的一个重要原因。因此在传统的 2D设计模式中，能效计算通常安排在设计的最终阶段，由专业人士进行操作和分析、模拟，但此时建筑设计方案已经很难改变。于是，能量分析就成为一种象征性的姿态，对绿色建筑设计起不到什么作用。分析这些现象，建筑设计者有直接责任，但是真正的问题是建筑师在进行方案设计时，无法对设计方案进行定性与定量的计算分析，建筑设计与分析计算之间发生严重脱节现象，使得面向节能的生态建筑设计难以完成。
2 建筑能量模拟与分析软件的应用现状
在利用计算机技术进行建筑节能设计，主要是分析和模拟建筑能量性能这一领域，国外的研究开始于20世纪 60年代，特别是 20世纪 70年代世界石油危机后，在建筑能源领域成为研究热点。各个国家都在建筑能耗分析与模拟方面做了大量的研究，基于各自的节能标准开发了相当多的能量分析软件。如美国的DOE2、Energy plus，加拿大的 Hot 2000，英国的ESPr，日本的 HASP，我国的 DeST等等。在我国，《公共建筑节能设计标准 》已于 2005年 7月 1日起开始实施。节能设计成为强制性的设计标准，而传统的建筑能量分析方法却无法满足广大建筑师和建筑设计的需求。根据调查分析，能效设计概念难以在实践中实施的原因是多方面的，其中主要原因之一是缺乏能为建筑师所接受和使用的、在建筑设计的任意阶段，特别是初始阶段进行的能效设计方法和软件。建筑设计与建筑能耗分析间的矛盾主要表现在以下几个方面：（1）建筑能耗计算量大，算法复杂，建筑设计师需要借助辅助土具，否则较难掌握；（2）建筑师在方案阶段难于对方案进行直观快速的能耗分析，更难于优化节能设计；（3）方案阶段能耗分析的结果无法用来直接指导设计，以及帮助建筑师修改设计方案。如果能充分运用先进的计算机技术，使建筑师能够随意的在设计的任意阶段，特别是在设计的初期阶段毫不费力的对整个建筑的能源消耗和生态效应进行准确的计算和评估，得到关于建筑能量性能的宝贵的反馈信息，那么建筑师就能及时准确的对设计方案进行调整和优化，从而满足建筑节能的要求，最大限度的减少不可再生能源的消耗，真正实现绿色建筑设计的自动化、数字化。解决问题的关键是建筑师需要一个包含建筑全部信息的数字化模型，和一个有效便捷的、能识别这些信息的建筑能量分析工具。
3 基于BIM 技术的建筑节能设计应用研究
3.1 BIM 技术
BIM 即 "建筑信息模型 "（Building InformationM odeling），运用BIM 技术，建筑师作设计的过程，就是建造一个真实建筑的过程。这个虚拟的建筑模型，包含了大量建筑材料和建筑构件特征等信息，是一个包含了建筑全部信息的综合电子数据库。在这样一个真实的智能的建筑模型中，建筑师可以任意的输出平面、剖面、立面，以及各种细部详图、建筑材料、门窗表，还可以输出预算报表、施工进度等等。随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种建筑 3D CAD软件日趋完善和成熟，在提高设计质量、缩短时间、节约成本等方面，有着 2D CAD软件无法比拟的优越性。从 2D CAD过渡到基于BIM技术的 3D CAD，是未来计算机辅助建筑设计的发展趋势。越来越多的世界知名建筑师和事务所开始使用 BIM软件进行建筑设计。我国的一些设计院、事务所也开始关注这一世界上最先进的建筑 CAD技术。这就为绿色建筑设计中能量分析的自动化、智能化提供了基础和平台。
3.2 基于BIM技术的建筑节能设计
利用 BIM技术，建筑师在设计过程中创建的虚拟建筑模型已经包含了大量设计信息，包括几何信息、材料性能、构件属性等等，只要将模型导入相关的能量分析软件，就可以得到相应的能量分析结果。原本需要专业人士花费大量时间输入大量专业数据这个过程，如今利用先进的计算机技术就可以自动完成，建筑师不需要额外花费精力。在建筑设计的方案阶段，能充分利用建筑信息模型和能量分析工具，简化能量分析的操作过程，是建筑师进行绿色建筑设计迫切需要解决的问题。目前，美国的 Green Building Studio可以满足建筑师的这一需求。GBS直接从 BI M 软件中导入建筑模型，利用其中包含的大量建筑信息来建立一个准确的热模型（其中包括合理的分区和方位），并将其转换成 XML 格式（gbXML是一种开放的 XML格式，已被 HVAC 软件业界迅速接受，成为其数据交换标准）。并根据当地建筑标准和法规，对不同的建筑空间类型进行智能化的假定。最后结合当地典型的气候数据，采用 DOE2.2模拟引擎（一个被广泛接受的建筑分析程序）进行逐时模拟。每年能量消耗、费用以及一系列建筑采暖制冷负荷、系统（诸如照明、HVAC、空间供暖的主要电力和天然气的能源使用）数据都能立刻展现出来。而整个过程中，建筑师只需在 G reen Building Studio中手动的输入建筑类型和地理位置即可。GBS还能输出gbXML、3D VRML、DOE - 2.2等文件格式，可以利用其他工具诸如 Trane 的 T race 700，或 eQuest、EnergyP lus等对建筑能效进行进一步的分析。
在建筑设计基本完成之后，需要对建筑物的能效性能进行准确的计算、分析与模拟。在这方面，美国的Energy Plus软件是其中的佼佼者。EnergyPlus是一个建筑全能耗分析软件（whole building energy analysistool），是个独立的没有图形界面的模拟软件，包含上百个子程序，可以模拟整个建筑的热性能和能量流、计算暖通空调设备负荷等，并可以对整个建筑的能量消耗进行分析。在 2D CAD 的建筑设计环境下，运行 EnergyPlus进行精确模拟
图 1 自由塔的外表皮
需要专业人士花费大量时间，手工输入一系列大量的数据集，包括几何信息、构造、场地、气候、建筑用途以及 HVAC 的描述数据等。然而在 BIM 环境中，建筑师在设计过程中创建的建筑信息模型可以方便地同第三方设备例如 BsproCom 服务器结合，从而将 BIM 中的 IFC文件格式转化成 EnergyPlus的数据格式。另外，通过 GBS的 gbXML也可以获得 EnergyPlus的 IDF格式。BIM 与 EnergyPlus相结合的一个典型实例是位于纽约“911”遗址上的自由塔（F reedom Tower）。在自由塔的能效计算中，美国能源部主管的加州大学 "劳伦斯 伯克利国家实验室 "（LBNL）充分利用了 Archi-CAD创建的虚拟建筑模型和 EnergyPlus这个能量分析软件。如图 1所示，自由塔设计的一大特点是精致的褶皱状外表皮。LBNL利用 Archi CAD软件将这个高而扭曲的建筑物的中间（办公区）部分建模，将外表几何形状非常复杂的模型导入了 EnergyPlus，模拟了选择不同外表皮时的建
筑性能，并且运用 EnergyPlus来确定最佳的日照设计和整个建筑物的能量性能，最后建筑师根据模拟结果来选择最优化的设计方案。
除以上软件以外，芬兰的 Riuska软件等，都可以直接导入BIM模型，方便快捷的得到能量分析结果。
4 结束语
随着我国经济的飞速发展和能源问题的日益严重，环保的经济和生活方式，已成为社会发展的潮流趋势，建筑节能设计变得越来越重要并得到快速发展。利用 BIM技术，建筑师可以在设计过程中创建包含建筑全部信息的虚拟建筑模型，在设计的任意阶段将其直接导入相关的能量分析软件中，就可以方便快捷的得到能量分析结果，从而及时调整设计方案，优化建筑性能，充分利用 CAD技术来保障绿色建筑设计的科学性和合理性。目前在采用BIM技术的 3D建筑 CAD软件与建筑能耗分析软件的结合方面，仍然存在许多尚未解决的问题。不久的将来，综合利用BIM和建筑能耗分析进行绿色建筑设计的技术，会越来越完善和成熟。
参考文献
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[4]ABOUT GREEN BUILDING STUDIO 〔EB /OL〕.http：/ /www.greenbuildingstudio.com.（InternetResource）.
论文作者:吴胖胖1,安小英2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/23
标签：建筑论文; 建筑设计论文; 能量论文; 建筑师论文; 模型论文; 软件论文; 建筑节能论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;