?BIM視界 | BIM 在節(jié)能改造領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋?/h1>

 二維碼

作者：武漢天帷來源：武漢天帷

目前，我國存在大量的既有居住建筑，其中大部分是 80 年代之后建造的。建筑 材料的使用方面，主要是普通燒結(jié)磚和鋼筋水泥。從熱工性能方面來說，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能遠(yuǎn)不能達(dá)到我國的節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

由于這些建筑還存在著很大的使用價值，如果簡單粗暴的推倒重建，住戶來說需要承擔(dān)一定經(jīng)濟(jì)壓力，對自然環(huán)境來說，由于燒結(jié)磚和混凝土等材料的自然降解需要幾十年甚至幾百年，污染自然環(huán)境。

隨著社會的發(fā)展，國家專項(xiàng)資金的支持，既有居住建筑節(jié)能改造的需求越來越大。BIM作為國家推廣的技術(shù)，通過案例，讓我們來看看在既有建筑節(jié)能改造領(lǐng)域，BIM如何大有可為。

案例分析

1、項(xiàng)目概況

以安徽某小區(qū)為例，該小區(qū)共建有居住建筑 6 棟，均為 6 層住宅樓，設(shè)計(jì)使用年限 70 年。造于 1997~1999 年，住宅建筑總面積為 6381㎡。結(jié)構(gòu)形式為普通框架結(jié)構(gòu)，未采取保溫措施。外墻采用燒結(jié)普通磚，清水墻體分化嚴(yán)重，外觀情況比較差，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于 《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定限值 1.0 W/(㎡·k)。屋面為加氣混凝土層平 屋面，屋面使用中重新做過防水設(shè)計(jì)。外窗的構(gòu)造形式各戶的情況不一，大多依舊采用老式普通鋁合金窗戶，保溫性能比較差，氣密性也不好，漏風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。

2、模型的建立

從項(xiàng)目原設(shè)計(jì)單位找到原始圖紙，首先根據(jù)項(xiàng)目的圖紙內(nèi)容，收集所需族文件，如果沒有則需要單獨(dú)創(chuàng)建。然后根據(jù)項(xiàng)目圖紙內(nèi)容進(jìn)行繪制，注意標(biāo)高等參數(shù)的設(shè)置。在模型創(chuàng)建的過程中，要及時檢查原有圖紙疏漏地方，因?yàn)樵こ炭⒐た赡軙袌D紙變更沒有反映出來，還有的分部分項(xiàng)工程在使用過程中已進(jìn)行改造過。創(chuàng)立過程中，對信息不全，圖紙不清的地方需要整合清楚，如有必要，需要現(xiàn)場測量情況。

3、利用 BIM 技術(shù)對既有居住建筑節(jié)能潛力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能分析

用 Revit 模型導(dǎo)入到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件 PBECA 中，軟件可以計(jì)算出建筑物 各種形式的維護(hù)結(jié)構(gòu)的面積和建筑物體積，計(jì)算各朝向的窗墻面積比、建筑物的體形 系數(shù)、考慮熱橋影響后墻體（含外墻、分戶墻）的平均傳熱系數(shù)等，并比較判斷計(jì)算 結(jié)果是否滿足相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。摘取建筑節(jié)能計(jì)算報告書中重要的綜合權(quán)衡表和 綜合判斷結(jié)論兩部分。

綜合權(quán)衡表

綜合判斷結(jié)論

序號	檢查項(xiàng)	結(jié)論
1	天窗類型	無
2	屋頂構(gòu)造	不滿足
3	外墻構(gòu)造	不滿足
4	可開啟面積	不滿足
5	外窗氣密性	不滿足
6	綜合權(quán)衡	不滿足
結(jié)論		不滿足

通過對建筑節(jié)能改造前的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的模擬計(jì)算，綜合權(quán)衡后得到綜合判斷結(jié) 論，屋面、外墻和外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能均不能滿足《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中 相關(guān)要求。

光環(huán)境分析

將Revit模型導(dǎo)入到Autodesk Ecotect Analysis中，并與Radiance相結(jié)合進(jìn)行模擬。Autodesk Ecotect Analysis 軟件是一款功能全面，適用于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的 可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，其中包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和 新建筑設(shè)計(jì)的性能。但 Ecotect 的計(jì)算精度較低，而 Rdiance 軟件是由美國勞倫斯伯 克利國家實(shí)驗(yàn)室以及瑞士洛桑生態(tài)技術(shù)聯(lián)邦局開發(fā)的采光軟件，采用了蒙特卡洛算法優(yōu)化的反向光線追蹤算法，相對于光能傳遞算法來說光線追蹤更適合于精確的建筑采光分析，國際上采光分析論文基本都采用 Radiance 進(jìn)行模擬，該軟件分析計(jì)算的結(jié)果受到廣泛的認(rèn)可。本論文采用 Ecotect 建模，然后利用 Radiance 軟件內(nèi)核進(jìn)行模擬計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果返回 Ecotect 進(jìn)行可視化分析。

  標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)采光系數(shù)分布云圖（臥室、起居室、廚房等）

標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)室內(nèi)照度分布云圖（臥室、起居室、廚房等）

室內(nèi)風(fēng)環(huán)境分析

用 Revit 打開模型，導(dǎo)出.dwg 格式的三維模型。將此格式的模型導(dǎo)入到建筑風(fēng)環(huán)境模擬軟件斯維爾 Vent 中。Vent 依據(jù)《建筑通風(fēng)效果測試與評價標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 309— 2013 推薦的 RNG k–ε湍流模型進(jìn)行室外流場計(jì)算。

高度風(fēng)速矢量圖

高度風(fēng)速云圖

能耗分析

居住建筑的節(jié)能性由維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、建筑朝向、體形系數(shù)、窗墻比等參數(shù)決定，但是居住建筑到底節(jié)能多少需要對能耗進(jìn)行量化。居住建筑的能耗分析就是通過模擬計(jì)算的手段,分析上述建筑單體本身屬性的改變對建筑全年能耗的影響,進(jìn)而為建筑師改進(jìn)單體設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)。

將 REVIT 中建筑模型保存成.idf 格式的文件，在 IDFEdit 中對模型的參數(shù)進(jìn)行 更加詳細(xì)的設(shè)置，根據(jù)《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第 5.0.5 的規(guī)定采暖和空調(diào) 系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)定如下：

• 采暖計(jì)算期為當(dāng)年 12 月 1 日至次年 2 月 28 日，空調(diào)計(jì)算期應(yīng)為當(dāng)年 6 月 15 日至 8 月 31 日；

• 室外氣象計(jì)算參數(shù)采用當(dāng)年典型氣象年；

• 整棟建筑每套住宅室內(nèi)計(jì)算溫度，冬季全天取 18℃，夏季全天取 26℃；

• 采暖、空調(diào)設(shè)備為家用氣源熱泵空調(diào)器，制冷時額定能效比取 2.3，采暖時額定能效比取 1.9；

通過對軟件輸出的 Spreadsheets 文件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到改造建筑能耗的情況：

4、改造方案的設(shè)計(jì)

節(jié)能性分析

本項(xiàng)目提出來三套方案，建造出相應(yīng)的 Revit 三維模型。將模型導(dǎo)出到 PBECA 軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算分析，驗(yàn)證外墻、門窗和屋頂?shù)炔课黄骄鶄鳠嵯禂?shù)是否滿足規(guī)范要求。在 ECOTECT、 斯維爾 Vent 和 ENERGY PLUS 等軟件中，分別驗(yàn)證采光遮陽、室內(nèi)通風(fēng)和建筑全年能耗是否滿足要求。如果有不滿足要求的地方，應(yīng)及時修改優(yōu)化方案。分析數(shù)據(jù)如下：

通過三種方案的熱工性能的數(shù)據(jù)分析，可以得出方案一的熱工性能最優(yōu)，其次是方案二，最后是方案三，且三套方案均滿足《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

可視化分析

Revit 所建三維模型，在軟件里便可以進(jìn)行可視化分析。設(shè)計(jì)人員及時對改造方案做出修改意見，并對比不同方案在建筑美學(xué)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

能耗分析

利用 Energy Plus 分別對三套方案的全年能耗進(jìn)行分析

三套方案的采暖耗熱量、空調(diào)耗冷量、采暖耗電量和空調(diào)耗電量逐漸增大，方案三能耗與方案一、二的差距最大。因?yàn)榉桨敢徊捎昧烁玫谋卮胧?，所以相?yīng)能耗也最小。

造價分析

將設(shè)計(jì)方案的 Revit 工程模型導(dǎo)入到算量軟件中，軟件自動識別 Revit 模型中構(gòu)件，進(jìn)行清單定額套取并計(jì)算工程量。

結(jié)論：單位經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方案一與方案二和方案三分別相差 3.5%和 16.19%，總體來說方案一與方案二的造價相差不大，方案三造價最低。

節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)能耗模擬結(jié)果，該項(xiàng)目在進(jìn)行節(jié)能改造后，建筑物單位能耗由 70.08 kWh/m2 降低到方案一的 39.92kWh/m2，方案二的 43.4kWh/m2，方案三的 53.86 kWh/m2，按 此計(jì)算每年的節(jié)能收益為，方案一：（70.08-39.92×6381×0.5953=114566 元   ，方案二和方案三分別是：101346 元與 61614 元。     

根據(jù)采用投資回收期法進(jìn)行對節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析，動態(tài)回收期計(jì)算考慮資金時間價值、折現(xiàn)率等因素，設(shè)第一年全年為改造期，貨幣的標(biāo)準(zhǔn)折現(xiàn)率為 5%，并從第二年產(chǎn)生折現(xiàn)率，節(jié)能改造的支出費(fèi)用和改造后每年收益情況。運(yùn)用動態(tài)回收期公式得到計(jì)算結(jié)果：方案 1 P't=13 年，方案二 P't=15 年，方案三 P't=21 年 （P't 為動態(tài)投資回收期）。     

經(jīng)過業(yè)主委員會綜合考慮節(jié)能效果、節(jié)能費(fèi)用和節(jié)能投資回收期，最終選擇方案 一。目前進(jìn)行節(jié)能改造的居住建筑大多是使用了十幾年的舊住宅，一般居住建筑的使用年限為 50 年，由改造方案的節(jié)能動態(tài)回收期為 13 年可知：在進(jìn)行改造后，十幾年的時間可收回投資，至少還有一、二十年的收益。因此節(jié)能改造既能大大節(jié)省住宅使用過程的費(fèi)用，又能大大降低住宅的使用能耗，提高室內(nèi)居住舒適度，值得廣泛開展。

5、總結(jié)

中國既有居住建筑節(jié)能改造事業(yè)已開展十多年，已經(jīng)初步形成一個系統(tǒng)，既有居住建筑節(jié)能改造的包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造，遮陽通風(fēng)改造，建筑設(shè)備改造更新，可再生能源的利用等方面。但是缺乏比較完善的節(jié)能改造方案，包括改造前，改造中，改造后的模擬分析和數(shù)據(jù)實(shí)測收集。利用 BIM 技術(shù)能夠很好分析出既有建筑節(jié)能方面存在的問題，設(shè)計(jì)出適合的節(jié)能改造方案。

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