基于BIM技术的绿色建筑性能方案优化研究

孙倩倩 曹 宁 于保俏 于保磊

（1.枣庄职业学院，山东 枣庄 277800；2.枣庄市金成置业有限公司，山东 枣庄 277800；3.枣庄海利颐养健康服务有限公司，山东 枣庄 277800）

建筑业作为高能耗行业，不仅在建材生产和建筑建造过程中消耗大量能源，其运行阶段的能源需求也占据了能源消耗的主要比例。在这一背景下，绿色建筑设计的重要性愈加凸显，通过合理选择建筑材料、优化建筑布局和提高设备效率等方法，可以降低建筑能耗。传统的建筑设计流程依赖于经验，并且往往在设计阶段忽略了对绿色建筑性能的综合评估，导致设计效率不高和模型与图纸不一致的问题[1]。本研究聚焦于利用BIM 技术优化绿色建筑性能，通过集成化的信息流对项目进行全阶段的设计和模拟。BIM 技术的应用能够有效地整合和分析建筑风场、光照等关键环境因素，在早期设计阶段进行更加精确的方案选择和优化，旨在为绿色建筑设计提供更高效的支持，以促进建筑业向更加节能、环保的方向发展。

1 工程概况

我国东部地区某居民安置点位于城区南侧，占地面积约为25.6万m2，计划新建建筑面积总计75.8万m2。项目规划包括地上建筑面积58.2万m2和地下建筑面积18.4万m2，共有4栋商业楼、1栋22班幼儿园和68栋住宅楼，分布于1#、2#、3#、4#四个区域，如图1 所示。该项目的设计和规划充分考虑了绿色建筑的要求，特别着重于建筑的能源效率和环境影响。利用BIM 技术，设计人员对建筑场地的风场环境和光照环境进行了数值仿真分析，以确保建筑设计在提供舒适的居住和工作环境的同时，也能达到高效节能和环境友好的标准。

图1 项目所在区域状况

2 基于BIM的气候条件分析

2.1 场地风环境

场地风环境对于绿色建筑的设计和运行至关重要，直接影响建筑物的通风效率、能源消耗、以及居住者的舒适度。合理的风场设计可以显著提高建筑的自然通风，减少对人工空调和加热的依赖，降低能源消耗，并提供更加宜人的室内环境。此外，有效的风场设计也有助于减少建筑物温室气体的排放，进一步推动可持续发展的目标。

在绿色建筑设计中，通过BIM 技术进行风场环境模拟，不仅可以提供三维视角观察和分析建筑物，还能够整合建筑物的物理和功能特性，设计人员能够在设计阶段就对建筑物的风场环境进行模拟，从而做出更加科学合理的设计决策[2]。

在进行BIM 技术的风场环境模拟时，首先需要收集和分析场地的风速、风向等气候数据，这些数据可以通过气象站提供的历史数据获得，或者通过现场的风环境测试来测定，设计人员可以利用BIM 软件中的特定工具和算法，如计算流体动力学CFD，模拟风在建筑物及其周围环境中的流动，展示风在不同建筑布局和结构设计下的流动路径和速度分布。基于模拟结果，对建筑的设计进行调整，以优化风场效果。例如，通过调整建筑物的朝向、形状或布局，引导风流更有效地穿过建筑物或周围区域，不仅能提高自然通风效果，还可以防止风力造成的结构压力，从而提高建筑的能源效率和居住者的舒适度。

该地区风场环境特征表明，西北风是主导风向，而东南和西北方向的风频也相对均衡，该地区风速一般保持在20m/h以下，尽管东北方向偶尔出现最高风速超过35km/h的情况，但这种强风出现频率相对较低，全年累计超过35km/h的风时长不足70h。

2.2 日照辐射

合理的日照分析可以优化建筑的能源使用，减少对人工照明和加热的需求，同时也影响着室内的光照质量和温度，进而影响居住者的舒适感和健康。例如，充足的自然光可以减少对人工照明的依赖，提高空间的视觉舒适度；而避免过度的直射阳光则可以减少过热的风险，降低冷却需求。在日照辐射分析中，BIM 技术可以帮助设计师评估日照对建筑的影响，在建筑设计的早期阶段模拟阳光在不同时间和季节下对建筑物的照射情况，包括直接的日照分析和光照对室内环境的影响，例如照明水平、热增益和阴影效果[3]。日照辐射分析步骤通常包括以下几个方面：

首先，收集地点的日照数据，包括地理位置、气候条件和季节变化等，然后，在BIM软件中建立三维建筑模型，并输入相关的日照数据，再利用BIM软件中的分析工具，如日照模拟插件，对建筑的日照接收情况进行模拟，分析不同时间点建筑各部分的日照情况，包括阳光直射区域、半阴影区域和完全阴影区域。

通过日照辐射模拟，可以对建筑的设计进行调整，以优化日照效果。例如，调整建筑的朝向、窗户大小和位置，或者设计遮阳设施，以控制日照对室内环境的影响。此外，日照分析还可以帮助设计人员选择合适的建筑材料和玻璃类型，以控制热增益和避免眩光。

2.3 焓湿图

在绿色建筑设计中，焓湿图可以帮助设计人员优化建筑的通风系统、选择合适的建筑材料和评估建筑的能效。将焓湿图与BIM 技术结合，能够提升建筑环境分析的精度和效率。通过在BIM 模型中集成焓湿图，可以直观地分析和预测建筑内部的热和湿度条件，从而进行更准确的热舒适度和能效分析。在进行焓湿图分析时，首先需要确定建筑所处地区的气候条件，包括平均温度、湿度、季节变化等[4]；然后，在BIM 模型中设置和模拟不同的环境条件，如冬季加热或夏季冷却情况，并观察这些条件下的焓湿变化。此外，需考虑建筑内部活动产生的湿热负荷，如人员数量、设备使用等，这些都会影响建筑内部的热舒适度。通过利用BIM技术和焓湿图，可以在建筑设计的早期阶段评估不同的通风和空调系统设计方案，选择最适合的方案以实现最佳的热舒适度和能效。例如，根据焓湿图分析结果，可以调整建筑的窗户尺寸和位置、选择适当的遮阳设施或调整建筑的隔热材料，最大限度地利用自然通风和减少能源消耗。

3 基于BIM技术的绿色建筑性能方案优化

BIM技术在绿色建筑性能优化中扮演着关键角色。BIM技术通过提供详细的建筑信息模型，对建筑物全生命周期进行综合分析，包括能源消耗、材料效率、室内环境质量等各个方面，设计人员可以在设计初期就识别和应对可能的性能问题，从而实现更为高效和可持续的建筑设计。

3.1 绿色建筑性能方案优化的重要性

绿色建筑性能的优化不仅有助于减少运营成本，还能提高用户的舒适度和健康。例如，通过优化自然光利用和室内空气质量，可以创造更加舒适和健康的居住和工作环境，对于提高居住者的幸福感和生产力具有重要意义。此外，绿色建筑的优化还能提高建筑物的市场价值和吸引力，通过BIM 技术进行能效分析和环境模拟，能够有效指导节能材料的选择和建筑布局的优化[5]。

3.2 方案设计

3.2.1 建筑总平面布局方案比选

在绿色建筑设计中，建筑总平面布局的选择对其绿色性能具有决定性影响。不同的布局方案会导致建筑在能效、自然光利用、通风效果以及环境影响等方面的显著差异。有效的布局设计不仅能够提高能源效率，还能提升居住者的舒适度和健康。在该项目中，根据建筑朝向，提出三种不同的布局方案，具体见表1。

表1 建筑朝向方案

采用BIM 技术对三种方案进行分析：①方案A 室内光照均匀，但夏季可能会有过热问题，特别是西向窗户，冬季舒适，但夏季可能需要额外的冷却措施，如遮阳设施和空调，对风场影响较小，主要受建筑群体布局和周边环境影响，冬季能耗较低，但夏季因冷却需求较高，总体能耗较高，夏季室内温度可上升至28℃，冬季能降至18℃，冷却能耗增加高达30%；②方案B 南面获得充足光照，但北面可能较暗，夏季较为凉爽，冬季可能稍显寒冷，南北朝向对风场的引导效果一般，冬季因加热需求而能耗上升，但夏季能耗较低，总体平衡，夏季室内温度可保持在25℃以下，冬季加热能耗比方案A增加20%；③方案C 提供了较为均匀的光照，避免了严重的过热或过暗问题，夏季和冬季都相对舒适，方向的选择有利于引导自然通风，改善室内空气质量，该方案实现了年度能耗的最优化，夏季和冬季的能耗都相对较低，年均室内温度保持在理想范围，夏季不超过27℃，冬季不低于20℃，年能耗比方案A 和B 平均降低15%。

3.2.2 建筑窗墙比方案比选

为了评估不同窗墙比对建筑能效和室内环境舒适度的具体影响，在方案C的基础上，针对窗墙比进行方案比选，采用五种不同的窗墙比0.2、0.25、0.3、0.4 和0.5。为了确保比选方案的一致性，均采用相同类型的玻璃，即6+12A+6 中空Low-e 玻璃，同时，其他围护结构材料也保持一致。不同建筑窗墙比的能耗情况如图2所示。

图2 不同窗墙比的建筑能耗

由图2 可知，随着窗墙比的增加，建筑内部对热量的需求逐步上升，采暖供热、空调制冷和通风系统能耗量相应增加。具体而言，窗墙比为0.2 时，供热能耗为155.46kW·h，制冷能耗为1684.26kW·h，通风系统能耗为1748.14kW·h；当窗墙比达到0.5 时，供热、制冷和通风能耗分别上升至178.68kW·h、1825.37kW·h 和1803.04kW·h，增幅分别为12.26%、8.45%和3.11%。

在照明能耗方面，则呈现相反趋势。随着窗墙比的增加，照明能耗逐渐降低，从窗墙比0.2 时的687.32kW·h 下降至窗墙比0.5 时的578.93kW·h，减少了约15.92%。这主要是由于窗墙比较高时，自然光照的增加减少了对人工照明的依赖。

另外，在各窗墙比工况下，室内设备的能耗保持不变，均为713kW·h。整体而言，单位面积的能耗量与窗墙比呈正相关关系，窗墙比越大，建筑的能耗也越高。然而，过高的窗墙比可能对建筑结构的稳定性产生不利影响。因此，在实际工程中，本方案将窗墙比设为0.30。

4 结语

综上，本文通过运用建筑信息模型（BIM）技术，针对绿色建筑性能的优化进行了深入探讨。结合具体工程案例，详细分析了建筑的风场环境和光照环境，并通过数值仿真分析提出了相应的优化方案。研究表明，通过调整建筑总平面布局和窗墙比等参数，可以有效提升建筑的绿色性能。此外，BIM技术的应用不仅提高了设计的精准度和效率，还确保了方案选择的科学性和合理性，为类似的工程建设提供了宝贵的参考。