摘要：随着城市化进程的不断推进，建筑能耗常年居高不下，节能减排已经成为我国建筑行业现阶段发展的主要方向。以非机械电气设备干预手段降低建筑能耗的“被动式建筑”，作为一种高效节能的新型建筑模式逐渐成为建筑节能领域的主流。与此同时，传统绘图方式中建筑信息传递的损失催生了建筑信息模型—BIM技术，BIM技术将二维的图纸通过三维建筑模型的形式展现出来，成为建筑工程各单位间信息管理和共享的平台。通过模拟实验的方式，对项目全生命周期进行优化。本文基于BIM的视角，对被动式建筑所处地的气候条件进行分析，结合建筑所处的场地情况，提出被动式建筑节能在设计阶段的一些有效策略并深入探讨，证实了BIM技术辅助被动式建筑节能设计确有可行性，提高了被动式建筑节能设计的质量和效率。
关键词：BIM技术；被动式建筑；节能设计策略
基于BIM技术的被动式建筑的节能设计主要分为BIM技术下气候和场地分析、BIM技术下被动式建筑节能规划布局设计、BIM技术下被动式建筑节能单体设计这三个阶段。其中，规划布局阶段包含合理的建筑朝向、合理的建筑间距两大策略；单体设计阶段包含适宜的建筑形体、充分的自然采光、高质的自然通风、高效的遮阳设计、低能耗的围护结构五大策略。本文具体研究框架见下图1：
图1 基于BIM技术的被动式建筑的节能设计策略研究框架
1 基于BIM技术的被动式建筑节能设计的前期分析
1.1 气候特征分析
图2 Ecotect风环境分析
图3 Ecotect日照分析
我国地域广阔，气候环境差异大，在设计时，要进行地域的区分。此外，不同地区的主导气候因素也不同，设计中还需注重各地区的气候针对性。在设计前期，可利用BIM技术性能分析辅助设计软件Ecotect软件中的Weathertool插件（下图2、3）载入当地气象数据，得出即时的太阳辐射、热、光学、声学分析等结论，还可形成焓湿图（下图4），对各种被动式策略进行分析；将BIM技术与 CFD 类软件相结合，可以对建筑内、外环境气流流场进行模拟，了解风环境对建筑的影响；将BIM技术与 Virtual Environment(VE)软件结合运用，可以精准模拟建筑日照遮挡、太阳能辐射以及温度效应等情况。根据以上气候分析软件得出项目所在地区的气候主导因素，充分利用有利的气候因素，规避或改善不利的气候因素，规划出适应自然环境的建筑，减少主动能耗的投入。
图4 焓湿图
1.2 场地分析
在设计中需要关注场地的生态“微气候”，BIM技术将局部的生态环境整合到一个整体生态环境中，使设计者可以清晰的看到不同举措对环境可能产生的影响。右图5展示了某小区的场地热辐射分布情况。通过设置水体、常绿乔木、凉亭、廊架等对热辐射较大的区域进行了隔热、遮阳设计，上述设计手法不仅改善了小区的微气候环境，也满足了居民的使用需求。
图5 某小区场地热辐射分析
2 基于BIM技术的被动式建筑节能设计规划布局策略
2.1 合理的建筑朝向策略
被动式建筑的朝向受到日照、通风、热辐射等影响，我们可以利用Ecotect软件中的Weathertool插件生成日轨图、季节风频图、辐射得热最优朝向分析图等，通过权衡模拟结果的优缺点，确定合理的朝向。
2.2 合理的建筑间距策略
图6 某办公建筑群冬至日阴影范围
建筑间距的确立受到日照和通风等因素的影响，利用Ecotect软件，我们可以通过项目所在地日照标准日全天建筑的阴影范围确定建筑的间距。右图6为某办公建筑群冬至日9：00-17：00之间的阴影变化情况，可观察到南部建筑未对北部建筑造成明显的阴影遮挡，说明此建筑间距是适宜的。我们还可以利用BIM技术的CFD流体分析软件Fluent进行风环境的模拟，从而制定出既满足风环境又经济合理的通风间距。
3 基于BIM技术的被动式建筑节能设计建筑单体策略
3.1 适宜的建筑形体策略
被动式建筑的体型系数反映了建筑外形的复杂程度，复杂的外形容易增大围护结构的热损失，也关系着建筑的采光和通风状况。一般情况下，体型系数越小，能耗也就越小。运用BIM软件进行被动式建筑的建模分析，通过不同体量模型间的比较，选择较为合理的建筑形体，同时我们也需要结合被动式建筑当地的气候情况来进行综合分析。
3.2 充分的自然采光策略
建筑体量、进深与高度、采光口的大小、形式、高度都将影响被动式建筑的自然采光。首先，通过BIM模型比选，可得出合理的被动式建筑体量、进深和高度。其次，将BIM模型导出为GBXML格式，导入Ecotect软件进行模拟光环境的分析，选择适宜的开口设计。下组图7为某房间的采光口模拟分析，可发现单侧窗口并不能解决室内均匀采光的问题，当房间调整为双侧开窗后，室内自然采光均匀度得到了较大改善。由此可见，基于BIM的Ecotect模拟自然采光分析对于设计方案的优化具有指导意义。同时，在设计中，我们还需综合考虑采光口尺寸和整体能耗的平衡，寻求最优的自然采光设计。
组图7 Ecotect光环境模拟分析
3.3 高质的自然通风策略
自然通风利用室外流动的空气来降低室内温度并改善室内空气质量，减少机械通风的使用，从而达到节能减排的目的。被动式建筑的设计中，窗户的大小尺寸是影响通风质量的主要因素。借助BIM技术的CFD流体分析软件进行风环境的模拟，比对不同大小、设置高度、不同与风向角度的开窗情况，得出最优的开窗组合形式。
3.4 高效的遮阳设计策略
夏季，良好的遮阳措施可以减少空调等机械设备的使用；冬季，良好的遮阳措施可以减少通过窗户散出的热量。在利用BIM技术辅助被动式建筑遮阳设计时，可以通过Ecotect分析夏季不同遮阳形式对其窗户带来的阴影变化及室内温度的逐时变化，以清晰的掌握不同遮阳形式的效果差异。此外，对于遮阳构件的调整与优化，也可以通过Ecotect来达成。右组图8中，某建筑方案首层南面为五扇1800X1200（H）的矩形窗，通过Ecotect计算，在窗外设置一水平遮阳板，因上午光照时间少于下午，所以形成的水平板东侧较短西侧较长，这样的遮阳形式虽然达到了遮阳的目的，但是并不美观。我们通过再次计算调整，采用竖向遮阳板与横向遮阳板组合的形式，缩减了水平板的长度，达到了功能与美观的统一。
图8 Ecotect遮阳形式分析
3.5 低能耗的围护结构策略
被动式建筑的围护结构主要包括墙体、门窗、屋面、地面。围护结构材料保温隔热性能的优劣是影响建筑整体能耗的关键指标。传统设计中，多在施工图阶段才考虑围护结构的材料选择，非常被动。而基于BIM技术下的被动式建筑外围护结构设计，既可以节省时间成本，也可以使设计师从方案阶段就对围护结构材料的选择有一个直观的认识。利用Archicad能耗分析软件Eco-Designer进行不同材料的围护结构比对，评判不同材料的热工性能，最终选择满足设计和节能要求的低能耗材料。
4 结语
本文对BIM技术下的被动式建筑节能设计的阐述以宏观到微观、整体到局部的方式展开。首先，利用BIM技术下的气候模拟分析工具Ecotect，对外部气候环境进行模拟，从规划布局上对建筑间距、建筑朝向进行着重考虑；再通过BIM信息模型，对建筑单体的形体进行推敲，通过风光的模拟分析，对建筑开窗进行设计，而后结合气候主导因素的分析结论，针对通风、遮阳出具不同的信息模型，最后对围护结构材料进行能耗模拟，通过以上整个设计过程，比对选出最优方案，达到降低被动式建筑能耗、提升室内舒适度的目的。
被动式建筑的节能设计受到各方面因素的影响，专业间需要合作协同，节能手段需要比对整合。BIM技术提供并行合作平台，可通过信息模型的方式提供可视化、高质量的分析结果，设计师还可通过BIM技术及其辅助能耗分析软件对被动式建筑节能设计进行测试与优化，为被动式建筑低能耗设计的进一步发展提供了技术支撑。BIM技术与被动式建筑节能设计的结合具有深远意义。
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论文作者:刘青
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/8
标签：被动式论文; 建筑论文; 技术论文; 建筑节能论文; 遮阳论文; 气候论文; 采光论文; 《基层建设》2019年第11期论文;