BIM技术在建筑节能分析中的应用——以某教学楼模型为例.doc

I 分类号 密级 编号 本科毕业论文 设计 题目题目 BIM 技术在建筑节能分析中的应用技术在建筑节能分析中的应用 以某教学楼模型为例以某教学楼模型为例 系 别 建筑与材料工程学院 专 业 名 称 工程管理 年 级 2012 级 学 生 姓 名 林琦 学 号 1251014041 指 导 教 师 聂琼 二 一六年五月 II 湖北第二师范学院毕业论文 设计 原创性声明湖北第二师范学院毕业论文 设计 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 论文作者签名 年 月 日 III 文献综述文献综述 一 概述一 概述 BIM 的英文全称是 Building Information Modeling 国内较为认可翻译为 建筑 信息模型 BIM 的概念最早由美国乔治亚技术学院 Georgia Tech College 建筑与计 算机专业的查克 伊斯曼博士 Dr Chuck Eastman 在 30 年前提出 1 建筑信息模 型集成了所有的几何模型信息 功能要求及构件性能 利用一个单独的建筑模型涵 盖建筑项目全寿命周期内的所有信息 包括过程信息 如施工进度 建造过程 维 护管理过程等 随着能源与建筑环境问题日益严峻 建筑绿色节能设计方法研究已经引起学术 界极大关注 目前 相关的统计结果显示 现在已经存在的和新建的建筑 基本都 是高能耗建筑 要进行建筑的节能设计 就必须要考虑环境 建筑师 设计方案等 等问题 而这其中最重要的 就是设计师 建筑的位置和结构决定着建筑的采暖 采光水平 等 建筑设计方案不同 能耗也会不同 2 所以 运用 BIM 技术进行建筑节能设计 是很有必要的 建筑节能分析涉及多个学科和阶段 BIM 模型为建筑多专业 跨阶段协同工作 提供了平台 BIM 集成了建筑各个专业设计信息 实现了超前建筑环境分析 有助 于建筑师优化建筑设计 BIM 软件能够将模型数据导出 形成专用格式如 GBXML 格式 为建筑环境分析计算 绿色建筑评估提供数据支持 3 跟据建筑设计方案建 立 BIM 模型 通过对模型中数据 导出环境分析的格式 然后再导入一些专业建筑 节能分析工具进行模拟分析 最后根据分析结果调整设计方案 可以达到建筑绿色 设计与评估的目的 二 研究现状二 研究现状 BIM 引入我国的时间虽然不长 但业界为 BIM 技术在我国建筑业的推广做了 大量的工作 麦格劳 希尔建筑信息公司 4 2007 年 5 月至 6 月对中国市场所进行的十 多场专家访谈和案例采编 以及 2008 年 6 月至 8 月在美国市场对数百名业主 建筑 IV 师 土木工程师 结构工程师和电气工程师 施工经理 总承包商和专业分包商进 行的第一手调研结果 5 作为一份具有前瞻性的调研报告 它通过对全球 BIM 应用 处于领先水平的美国市场的描述 向中国读者展现了 BIM 对建筑设计工程行业的深 远的 全方位的影响 同时诠释 BIM 在中国目前的应用现状 2010 年 中国房地 产业协会商业地产专业委员会采用问卷调查的方式对中国房地产开发商 BIM 的了解 程度 应用程度进行调查 并提出了商业地产实施 BIM 建议 6 BIM 在我国建筑业经过近 10 年的发展 推动缓慢 业界专家纷纷探讨阻碍 BIM 发展的因素 7 现阶段 BIM 在我国工程设计行业中的主要应用障碍有 设计 师设计思维及方法的转型障碍 设计企业短视现象严重的障碍 业主变革驱动力不 足的障碍 BIM 技术本身的缺陷障碍 现有建筑行业体制 行业规程及法律责任界 限不明的障碍等 2011 年 张春霞 8 指出 BIM 技术在我国的应用主要集中在一些 大型设计院 并从设计方 业主 软件公司 政府机构等几个不同角度分析了 BIM 发展障碍因素 BIM 技术在我国的应用最初发生在设计阶段 其三维可视化设计成果展示备受 业主 承包商的青睐 薛晓娟等 9 分析了 BIM 在可视化设计 参数化设计和协同 设计中的应用方式及工作机理 详细阐述了参数化设计在建筑结构设计中的应用 这些应用包括参数化建模 多方案优化设计 创建分析模型 自动出图以及工程量 统计 王陈远 10 建立了基于 BIM 的深化设计组织架构 在组织分工的基础上明确 了项目各参与方的职责 并设计了基于 BIM 的深化设计管理流程 陶敬华等 11 针 对海洋油气开发的特点和结构设计阶段的问题 提出了由 Revit 前处理 到 SACS 结构设计计算 12 再到 Revit 后处理 的 BIM 技术具体实施方案 并用案例 进行方案有效性验证 在欧美国家 BIM 项目的数量已超过传统项目 目前美国的绝大多数建筑项 目都已经通过 BIM 来完成 而在亚洲 日本对 BIM 的应用正进行得如火如荼 我 国 BIM 整体应用情况同发达国家还有一定差距 还处于推广尝试阶段 但 BIM 理念 正逐步为建筑行业所熟悉 13 目前的应用以设计公司为主 一些大的设计院 以及参与 国际设计项目的设 计单位已经开展了 BIM 相关的设计 国内已经有一 V 部分成 功的 BIM 应用案例 如中建国际 CCDI 设计的天津港国际油轮码头 14 上海现代建筑设计集团 2010 年上海世博会德国国家馆 15 等 三 总结三 总结 随着我国经济的飞速发展和能源问题的日益严重 建筑节能设计变得越来越重要 BIM 的发展经历由 BIM 标准 BIM 工具到 BIM 应用的过程 当前 BIM 应用不仅是 一种技术实现问题 更是一种上升到行业发展战略层面的管理问题 因此 结合工 程管理学和计算机科学 从管理范畴对 BIM 进行深度分析 系统研究 BIM 国内外 应用现状及软件交互性 探讨其发展动态及存在的障碍 对提高综合集成管理质量 和水平具有重要理论和现实意义 同时也将进一步促进 BIM 的深人推广并使其价值 最大化 为 BIM 在我国的广泛应用起到重要基础研究作用和价值 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 VI 参考文献参考文献 1 麦格劳 希尔建筑信息公司 设计与施工的革新 生产与效率的提升 R 2009 2 王陈远 基于 BIM 的深化设计管理研究 J 工程管理学报 2012 26 4 12 16 3 陶敬华 远方 贾瑛 建筑信息模型 BIM 在海洋工程结构设计中的应用研究 J 土木 建筑工程信息枝术 2011 3 1 21 25 4 李相荣 BIM 建筑信息模型 应用于房地产项目管理信息化 D 北京交通大学硕士学 位论文 2011 5 中国房地产业协会商业地产专业委员会 中国商业地产 BIM 应用研究报告 2010 EB OL http www chinaBIM com 6 何关培 中国工程建设 BIM 应用研究报告解析 J 土木建筑工程信息技术 2012 4 1 15 21 7 张建新 建筑信息模型在我国工程设计行业中应用障碍研究 J 工程管理学报 2010 8 4 387 392 8 张春霞 BIM 技术在我国建筑行业的应用现状及发展障碍研究 J 建筑经济 2011 9 96 98 9 薛晓娟 赵昕 丁洁民 建筑信息模型在建筑结构一体化协同设计中的应用 J 结构 工程师 2011 27 1 14 18 10 王陈远 基于 BIM 的深化设计管理研究 J 工程管理学报 2012 26 4 12 16 11 王英 李阳 王廷魁 基于 B IM 的全寿命周期造价管理信息系统架构研究 J 工程 管理学报 2012 26 3 22 27 12 郭俊礼 滕佳颖 吴贤国 曹靖 晏伟 基于 BIM 的 IPD 建设项目协同管理方法研究 J 施工技术 2012 41 377 75 79 13 满庆鹏 李晓东 基于普适计算和 BIM 的协同施工方法研究 J 土木工程学报 2012 45 311 315 14 张建平 余芳强 李丁 面向建筑全生命期的集成 BIM 建模技术研究 J 土木建筑工 VII 程信息技术 2012 4 1 6 14 15 欧特克 中国 有限公司 上海世博文化中心获最佳 BIM 建筑设计一等奖 C 2010 摘摘 要 要 建筑信息模型 Building Information Modeling BIM 作为一种全新的理念和 技术 正受到国内外学者和业界的普遍关注 美国国家 BIM 标准的定义为 BIM 是 设施物理和功能特性的数字表达 将 BIM 技术运用到建筑的节能设计之中 将大大 改善建筑生产方式 节约资源 保护环境 本文阐述了建筑信息模型 BIM 的发 展和意义 分析了建筑节能发展的重要性和前景 以北京某教学楼 Revit 模型作为 研究对象 以生态建筑大师 Ecotect 软件作为研究工具 通过对 BIM 模型进行采光 分析 声学分析 热环境分析 展示 BIM 技术在建筑节能领域的运用 关键词 关键词 建筑信息模型 BIM 绿色建筑 节能 GBXML 采光 混响 VIII Abstract Building information model as a new concept and technology has received wide attention of domestic and foreign scholars and industry The definition of the national standard of BIM BIM is the expression of physical and functional characteristics of the digital facilities BIM technology will be applied to the construction of energy efficient design will greatly improve the construction mode of production resource conservation environmental protection This paper expounds the development and significance of building information model BIM analyzes the importance and prospects of the development of building energy efficiency In Beijing one of the teaching building of the Revit model as the research object to ecological construction master Ecotect software as a tool to study by the BIM model of lighting analysis acoustic analysis analysis of the thermal environment of the to display the application of BIM Technology in the field of building energy conservation Key words BIM GreenBuilding GBXML Daylight Reverberation energy conservation IX 目目 录录 1 绪论 1 1 1 选题背景及研究意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 研究内容及研究方法 3 2 BIM 概述 4 2 1 BIM 的概念与发展 4 2 1 1 BIM 的概念 4 2 1 2 BIM 的发展 5 2 2 BIM 在整个项目生命周期中的运用 5 2 2 1 建筑设计阶段的 BIM 技术运用 5 2 2 2 建筑施工阶段的 BIM 技术运用 7 2 2 3 建筑运营阶段的 BIM 技术运用 7 3 绿色建筑的发展与内涵 9 3 1 绿色建筑的定义 9 3 2 绿色建筑的意义 9 3 3 国内外绿色建筑发展比较 10 4 BIM 在绿色建筑设计中应用的实际案例分析 以某教学楼模型分析为例 11 4 1 采光与辐射分析 11 4 1 1 项目概况 11 4 1 2 太阳运行轨迹分析 13 4 1 3 采光系数和光照强度分析 14 4 2 声环境分析 17 4 2 1 简介 17 4 2 2 混响时间分析 17 4 2 3 几何声学分析 21 4 3 热环境分析 23 X 4 3 1 简介 23 4 3 2 热环境分析实例 23 5 结论与展望 31 5 1 结论 31 5 2 展望 31 5 2 1 BIM 模型在设计软件之间的交互 31 5 2 2 节能分析软件算标准的统一 32 参考文献 33 致 谢 34 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 选题背景选题背景及研究意义及研究意义 全球范围内建筑行业的危机在日益严重 世界上 40 原材料由建筑物所消耗 建筑业是全球经济中的关键因素 并且 由于设施消耗世界上 40 能源和 65 2 的 电力 建造业也是节能减排的关键因素 1 每年 建筑物排放到大气的碳排放量为 占 40 和材料运输建造时材料浪费率为 20 因此建筑业也是环境保护中的关键因 素 显然 建设工业有责任尽可能有效地利用地球资源 在设计与施工期间发生的 微小变化 将对生命周期产生很大影响 改进后的施工设计 能使建设的效率提高 3 8 2 因此 为了提高运营效率 工作重点是需要以确保人力和流程进行优化 BIM 以新的理念和做法 大大提高了信息技术和业务结构 他们将解决建筑浪费和 建筑行业中的效率低的问题 这种新的概念 建筑信息模型 是减少建筑浪费 增加建筑的价值 减少环境损害 提高居住舒适性的关键的因素 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 国外 BIM 应用已经开始普及 BIM 应用始于美国 美国总务署 Geneml Services Admisation GSA 3 负责美所有联邦设施的引进和运营 为了提高建筑业的生产效率 及信息化水平 美国总署于 2003 年推出了国家 3D 4D BIM 计划 规定了基于 IFC 标 准的建筑信息模型在同行业之间信息交互的要求 以达到信息化促进商业进程的目的 之 后陆续发布了一系列 BIM 指南 BIM 进行交互的分析软件很多 体系也很成熟 例 如做风环境分析的 Phoenices 太阳辐射分析析 Vasari 日照分析的 Ecotect 人员疏散 模拟的 Pathfinder 等等 越来越受到建筑师的青睐 特别是 Ecotect Analysis 它能进 行与绿色建筑相关的日光分析 气候分析 声热分析 太阳及热辐射分析等 4 涵 盖了建筑的节能分析的众多模块 在我国 住房城乡建设部发布的 2011 2015 年建筑业信息化发展计划 中 将 BIM 和其他基于网络协同工作的新技术作为 十二五计划 的重点产业信息化推 进 5 越来越多的中国企业开始使用 BIM 的建设 从当前建设项目的发展现状看 中国的 BIM 在建设中的成功案例很多 除了北京奥运会建造的鸟巢和水立方体 比 2 较成功的还有上海世博文化中心项目 6 它获得了 Autodesk 中国 有限公司颁发的最 佳 BIM 建筑设计一等奖 其建筑模型如图 1 1 结构模型见图 1 2 世博文化中心 Revit 模型渲染效果图如图 1 3 随着 BIM 理论在西方国家越来越成熟 它在中国建设项目中的运用也变得越来 越成熟和重要 7 作为一个发展中国家 在对国际标准的条款 还有很多具体问题应 要处理 目前 从国内许多著名的案例可以看出 BIM 的已经成功地证明了它的能 力 变得很成熟 目前 BIM 技术的应用主要是通过相关的软件来实现 建筑公司一 般选用 ArchiCAD 和 Revit 图 1 1 世博文化中心建筑模型 图 1 2 世博文化中心机电模型 图 1 3 世博文化中心 Revit 模型渲染效果图 3 1 31 3 研究内容及研究方法研究内容及研究方法 本文阐述了建筑信息模型 BIM 的发展和意义 分析建筑节能发展的重要性 和前景 以北京某教学楼 Revit 模型作为研究对象 用生态建筑大师 Ecotect 软件对 BIM 模型进行采光分析 声学分析 热环境分析 分析各项优化方式 展示 BIM 技 术在建筑节能领域的运用 4 2 2 BIMBIM 概述概述 2 2 1 1 BIM 的的概念与发展概念与发展 2 1 1 BIM 的概念的概念 建筑信息模型 BIM 是关于建筑信息的数字表示和管理的方法 建筑信息模 型 BIM 是包含了建筑的一切相关信息 8 目前使用 BIM 软件的包含个人 企业 和政府机构 对项目的设计 建造 运行进行规划 以及维护不同的物理基础设施 比如水 电 气 垃圾和通信公用事业 公路 桥梁和港口等 民用建筑房屋 公 寓 学校 商店 办公室等 美国国家建筑信息模型标准项目委员会定义为建筑信息模型 BIM 9 是一个 建筑的物理和功能特性的数字表示 BIM 能为建筑生命周期中有关构成提供可靠决 策依据 传统的建筑设计在很大程度上依赖的是在二维的技术图纸 平面图 立面图 剖面图等 建筑信息模型扩展了为 3D 扩增的三原色的空间尺寸 宽度 高度和 深度 与时间作为第四维 4D 和成本作为第五 5D 因此 BIM 覆盖不仅是几何 它还涉及空间关系 光分析 地理信息 以及数量和建筑构件的性能 例如 制造 商的详细信息 BIM 包含建筑形状或空间 如房间的形状 携带其几何形状 关系和属性 BIM 设计工具允许从建筑模型视角提取图纸用于生产和其他用途 这些不同的视图 被自动匹配 BIM 软件还对对象赋予了参数定义 并关联到其他的项目 这样 如 果一个相关项目进行了的修改 与其关联的项目将自动也会变更 简化了工作任务 大大提高了效率 对于参与项目的专业人士 实现了虚拟的信息模型 BIM 由设计团队交给 建筑 师 景观建筑师 测量师 土木 结构和建筑服务工程师等 的主承包商和分包商 然后到施工人员 每个部分数据都共享 这使新负责该项目的团队将信息进行逐步完 善 并提供了更广泛的信息 5 2 1 2 BIM 的发展的发展 BIM 诞生于美国 美国总务管理局于 2003 年推出了国家 BIM 计划 对 BIM 的 概念使用等信息进行了推广 2006 年美国颁布了一项为期 15 年的 BIM 规划 10 2007 年 2007 年美国建筑科学研究院推出智能建筑联盟 Building Smart alliance 负责开发研究 BIM 技术 2009 年 美国 Wisconsin 州政府颁布法令 要求大型公共 建筑项目需要使用 BIM 技术 其他国家也纷纷加入 BIM 技术行列 2010 年日本交 通省宣布推行 BIM 技术 目前日本 BIM 技术的应用范围已经逐步扩展到全国 政 府也作为了主导地位 欧洲也已经有很多政府投入到 BIM 技术的研究之中 现在 BIM 技术正在引发一次建筑史上的革命 2003 年 我国开始引进 BIM 技术 并逐 步运用到建设当中 目前主要以设计公司为主 国家 十一五 和 十二五 建筑 信息化发展纲要中也将 BIM 技术纳入研究范围之中 11 目前 BIM 技术的使用主要在设计单位 从这个层面来讲 BIM 在中国的应用 还只是处于起步阶段 纵观全球 BIM 技术的发展状况 中国 BIM 技术也会逐渐成 熟 2 22 2 BIM 在整个项目生命周期中的运用在整个项目生命周期中的运用 2 2 1 建筑建筑设计阶段的设计阶段的 BIM 技术运用技术运用 建筑信息模型横跨整个建筑生命周期 BIM 大多从前期设计阶段开始 这个阶 段也是 BIM 技术发挥最多的部分 首先开发设计构建团队针对预测和实际目标对建 筑设计出 BIM 模型 建模是 BIM 技术运用的关键因素 精确的模型是建筑施工的基 础 12 另一方面 设计师在对建筑进行 BIM 模型设计时 能同时将构建的材料 施 工工艺等信息输入到模型之中 这是建筑信息模型优于普通图纸的地方 如图 2 1 在建立的案例模型上选中建筑墙体 左边属性栏会显示墙体的相关信息 点击 编辑类型 在弹框中我们能看到墙所在区域 厚度 材料等具体参数 并赋予墙 体相应的材料 这里 我们选用一般的混凝土砌块 在弹框的结构一栏中 点击 编辑 能对墙进行更具体的设置 包括墙的功能以及各层面的材 如图 2 2 所示 同时我们还能观察到 材料属性窗口还显示出了混领土砌块墙体的各项物理性能 6 如 阻力 热量值能等 这为 BIM 模型进行能量分析打下了信息基础 图 2 1 建筑构件属性框 7 图 2 2 墙体具体参数设置窗口 2 2 2 建筑建筑施工施工阶段阶段的的 BIM 技术技术运用运用 在建设过程中 如期完成项目并不是件容易的事 期间很可能遇到预算紧缩 人力有限 工期加快和工程变更等事件 BIM 能对建筑信息建模型做碰撞检测 确 定冲突的确切位置 BIM 能在实际建造之前进行虚拟建造 以减少不确定性 提高工作安全性 模 拟和分析潜在的问题 分包商可以在开始施工前进行预运算 有机会通过系统模型 的信息分析预组装现场 13 另一方面 施工团队可以轻松地从 BIM 模型中提取材料 的数量和种类等属性 还能定义该部位的施工方法 范围等 BIM 也可以防止错误 发生 通过启用冲突或碰撞检测 并在计算机模型中标记出问题出现在建筑物的哪 个部位 例如 结构框架和建设服务管道可能错误地相交 如图 2 3 在 Revit 软 件主菜单栏的分析模块下 可进行风管系统检查 管道系统检查 和机电线路检查 如图 2 3 Revit 碰撞检查 2 2 3 建筑运营阶段的建筑运营阶段的 BIM 技术运用技术运用 BIM 可以将设计团队 施工队伍和建设单位联系在一起 每一方都能通 BIM 模型添加和提取相关信息 达到信息的共享 对建设单位与施工队有很大的帮助 例如 业主发现他住的大楼出现渗漏时 他可以查看模型可能出现问题的水阀 的位置 而不用把整个建筑挖开 并查看阀门模型 制造商 零件号等相关信息 将模型切换到三维视图 能方便我们掌控全局 在建筑模型左侧项目属性浏览器中 8 编辑 可视性 如图 2 4 在过滤器中只勾选管道 这样就能在模型中标出所有管 道位置 由漏水部位判断出哪部分管道出现问题 图 2 4 项目可见性窗口 9 3 3 绿色建筑的发展与内涵绿色建筑的发展与内涵 3 13 1 绿色建筑的定义绿色建筑的定义 绿色建筑 也称为绿色施工或可持续建筑 是指在整个建筑生命周期中从选址 到设计 施工 运营 维修 改造或拆除时 对环境造成影响小和资源利用率高的 建筑 换句话说 绿色建筑设计及住宅建设与环境之间取得平衡的可持续发展 这 就要求在所有项目阶段的设计团队 筑师 工程师和施工人员的密切合作 绿色建 筑提倡建筑设计关注经济 实用 耐久性和舒适性 在能源和环境的占领导地位 LEED 是一套绿色建筑设计 施工 操作和维护评级系统的 由美国绿色建筑委 员会提出的 还有英国 BREEAM 建筑研究建立环境评估法 建筑的可持续性研 究系统 14 目前 世界绿色建筑委员会开展绿色建筑对健康影响的研究 新技术正 在不断发展 在创建绿色结构 绿色建筑的共同目标是要减少整个建筑对人类健康 和自然环境的影响 有效利用能源 水和其他资源 保护居住者的健康和改善员工 的工作效率 减少浪费 污染 另外的一个类似的概念是天然建筑 通常是规模较小 往往把重点放在使用天 然材料 同时 美国服务总局 2015 年的报告发现 与典型的商业楼宇相比 住户 更倾向于成本较低 具有优异的节能性能的绿色建筑 3 23 2 绿色建筑的意义绿色建筑的意义 在美国 建筑物占 39 的能源消耗总量 68 的总耗电量 30 的垃圾填埋场 废物 38 的二氧化碳排放量 12 的总耗水量 绿色建筑的作用显得相当重要 它具有多方面的效益 15 1 环境效益 加强和保护生物多样性和生态系统 改善空气和水的质量 减少 废物流 保护和恢复天然资源 2 经济利益 降低运营成本 提高乘员生产力 提高资产的价值和利润 优化 生命周期经济性能 3 社会效益 提高居住者的健康和舒适 改善室内空气质量 尽量减少当地公 用事业基础设施的压力 提高整体生活质量 10 3 33 3 国内外绿色建筑发展比较国内外绿色建筑发展比较 众所周知 中国是世界上最大的建筑市场 2015 年全球新建筑中 有将近一半 位于中国 然而 只有约 4 的这些根据节能标准是建立的 16 到 2020 年 中国的建筑市场将占到全国总能耗的 40 虽然它占全世界 GDP 的 15 中国消耗了世界钢铁及其具体一半的 30 然而 在中国建筑消耗水资源 的三分之一 最近的研究表明 我国家的能源消耗的几乎一半已被用于建筑有关的 用途 建筑如此巨大需求 要求我们应当提倡发可持续发展设计 自 2005 年绿色建筑已经成为中国的国家可持续发展战略的重要组成部分 并逐 渐出现在 4 年展现中国自己的特色 2006 年中国的正式定义绿色建筑评定标准 GB T 50378 2006 17 在 2005 年 中国国务院发布了 中华人民共和国中国科技中长期发展规划 2005 2020 年 其中明确都把建筑节能和绿色建筑作为国家中长期科学和技术发 展在研究的主要领域 中国的绿色建筑已全面执行与大力推广 2006 年 中国的绿色建筑评价标准 GB T 50378 2006 18 规定 建筑要以节 约资源 节能 节地 节水 节材 为目的 保护环境减少污染 提供健康 与自 然和谐相处 中国绿色建筑的目标是按照十一五规划的战略性总体目标设计的 19 国外的发展要早于中国 第一个是英国在 2000 年颁布的绿色建筑评级系统 为推动可持续设计与建设的环境评估方法 BREEAM 紧随其后是美国绿色建筑 委员会 USGBC 开发和发布的能源与环境设计 LEED 评分系统 旨在改善建 筑环境性能 之后 LEED 越做越好 提出绿色建筑倡议 GBI 目的为了协助国 家住宅建筑商协会 NAHB 促进其绿色建筑可持续设计 20 11 4 4 BIM 在绿色建筑设计中应用的实际案例分析在绿色建筑设计中应用的实际案例分析 以某教学楼模型以某教学楼模型 分析为例分析为例 4 14 1 采光与辐射分析采光与辐射分析 4 1 1 项目概况项目概况 采光分析将以某教学楼模型作为案例 图 4 1 为此模型的三维渲染图 项目地 点位于北京城区 采用独立桩基础 框架 剪力墙结构 建筑层数为三层 第一层高 6m 第二层 3 9m 第三层 3 9m 女儿墙高 1 2m 总建筑面积为 2650 6m2 为更好 计算采光 建筑南面添加玻璃幕墙结构 墙体材料为混凝土砌块 楼板为现浇混凝 土 根据项目的属性在项目信息页面 输入模型相关数据 定位到北京城区 图 4 1 Revit 教学楼模型 接下来将 Revit 模型导入到 Ecotect 生态环境分析软件中 打开主菜单 点选下 拉菜单中的 导出 在弹框中选择 gbxml 如图 4 2 所示 GBXML Green Building Extensible Markup Language 绿色建筑可扩展标记语言 能将 Revit 软件模 型的图形和材料信息导入到 Ecotect 软件中 大大减少了设计人员的工作量 12 图 4 2 Revit 模型导出为 gbxml 文件 Gbxml 文件导出完毕后 打开 Ecotect 生态建筑大师软件 点击主菜单栏 file 文件选项 点选 import 导入选项 在弹框中选择 Model Analysis Data 模型丨分析数据 如图 4 3 所示 然后选取之前导出的后缀为 xml 的文件 图 4 3 Ecotect 软件导入 Gbxml 文件方法 13 成功导入模型后 可以在项目定义界面 对项目进行再次定义 包括建筑名称 建筑类别等 由于 Revit 模型中设置过这些基础信息 Ecotect 软件能将它们自动匹 配到选项栏中 但是 Revit 软件没有项目的坐标和气象资料 因此 在项目信息设 置窗口 主要工作是设置项目所在地区的气象资料 通过气象搜索工具 见图 4 4 能匹配到世界各地的气象资料 我们输入 Bei Jing 搜索框自动匹配到北京坐标 39 90 116 40 选中资料导入模型进行之后的分析 图 4 4 建筑模型信息设置 4 1 2 太阳运行轨迹分析太阳运行轨迹分析 建筑的遮挡采光效果对住户的影响很大 拥有良好光照设计的建筑 将大大减 少资源消耗 并提升居住体验 在建筑的设计阶段 Ecotect 能对建筑 BIM 模型进 行日照分析 对建筑结构进行优化 达到节能的效果 太阳运行轨迹包含每日运动轨迹和全年运动轨迹两种分析方式 打开项目阴影 显示 能通过太阳运动轨迹查看建筑的阴影状态 这种方式操作简单 直观 分析 建筑一年四季的采光状况 判断建筑是否满足冬日日照标准 进入 阴影设置面板 分别勾选 Daily Sun Path 和 Annual Sun Path 然后点击 Display Shadow 激 活阴影显示 就可以得到两种模式下 日照轨迹和产生的相应阴影情况 如图 4 5 14 所示 图 4 5 每日日照轨迹 左 全年日照轨迹 右 通过点击网格上各点 可以直观的观察到某一天 某一时刻的日照情况 根据 需要对模型进行改进 以达到标准要求 4 1 3 采光采光系数系数和光照强度分析和光照强度分析 用网格分析工具 可以对建筑模型进行采光分析 在模型中创建平面网格 Ecotect 将对网格上各点的光照进行模拟计算 最终获得平面采光数据 首先在网格 属性设置中选择 网格自动适配到建筑 课桌高度一般在 600mm 左右 因此 进 行采光分析将网格向 Z 轴正向偏移 600mm 在网格分析栏最下方 点选 Calculation 打开照明分析向导 在 Sky Condition 输入我国采光标准规定的 照度 5000lux 这是三类采光的室内室外临界照度 窗户洁净度选择一般 如图 4 6 所 示 15 图 4 6 采光参数设置 选择开始计算 得到采光分析数据 在 DATA SCALE 选项栏中的下拉菜单 里能选择各种分析数据 包括自然采光系数 自然采光照度 人工照明照度 全局 照度等 这里我们选用常见的自然采光系数和照度分析如图 4 7 图 4 8 图 4 7 采光系数分部图 16 图 4 8 采光照度分布图 图 4 7 用颜色的深浅展示出采光系数的分布的情况 颜色越趋于黄色 说明采 光效果越好 反之越趋于蓝色说明采光较差 这种表示方法很直观 能简单判定采 光较差的区域 以便进一步优化 另外在分析过程完成后 在 Analysis Grid 一栏 中 勾选 Show Node Value 显示节点值 能在网格中显示各节点的实际数值 如图 4 8 所示 网格标出了所有节点的具体照度值 观察网格中存在深蓝色区域表 示照度较弱区域 最低照度节点数值为 180lux 由于最低照度与建筑标准相差不多 对这一区域进行优化 除了改变建筑结构的方法以外 还可以考虑增加人工照明方 式 在主菜单中点选 Draw 在下拉菜单中点选 Light Source 添加人工照明灯 具 将人工照明灯具覆盖范围拉伸到照度差的地方 再次对网格进行计算 得到人 工照度网格图 如图 4 9 所示 添加人工照明灯具后 叠加原有照度 该区域照度 均超过 260lux 满足工作需求 达到了节能优化目的 17 图 4 9 人工照度系数分布 4 24 2 声环境分析声环境分析 4 2 1 简介简介 建筑声环境也是节能和住户体验的一项重要因素 它与建筑的结构 材料密切 相关 建筑拥有良好结构能更好的满足几何声学要求 减少混响时间 使声音传递 效果更好 建筑选用合适的吸音材料 能有效隔离噪音 提高舒适度 声环境的分 析主要包括三个方面 混响时间分析 几何声学分析 声学响应分析 Ecotect 得声 学响应能综合考虑建筑的混响和几何声学 混响时间可以简单理解为回音的时间间 隔 一般的 建筑面积越大 混响时间约长 声效越差 混响时间分析 将根据不 同声效计算公式对建筑的混响时间进行分析和优化 几何声学分析则是根据建筑的 结构型和特点对建筑声场进行分析和优化 18 4 2 2 混响时间分析混响时间分析 选用教学楼一个报告厅模型 图 4 10 进行混响分析 报告厅地板为混凝土 墙体为混凝土砌块 屋顶则是水泥膨胀珍珠岩板 图 4 10 声环境测试模型 首先对模型的参数进行设置如图 4 11 所示 座位为 50 软布座 使用率为 80 在计算公式下拉菜单里选择赛宾公式 设置完成后点选 Calculate 进行计算 19 图 4 11 模型参数设定 计算结果如图 4 12 所示 横轴为声波的频率单位 Hz 纵轴为混响时间单位 ms 观察蓝色赛宾公式计算结果 在声音频率在 50Hz 1kHz 范围内 混响时间远高 于建议值 左侧标明的语音频率范围内的混响时间一般为 0 6S 左右 而我们计算结 果约为 1 8S 超出两倍建议值 图 4 12 混响时间 在建筑结构无法改变的情况下 我们可以考虑更换建筑材料来进行优化 具体 20 方法如下 选中报告厅的天花板 点选主工具条中的 Material Properties 对天花 板各材料的声学属性进行比较 来选择合适的材料 将几种材料比较后 我们考虑 将混凝土悬挂天花板替换为石膏悬挂天花板 点选材质管理器中的 Acoustic Data 声学数据 得到二者的材料声属性比较 如图 4 13 图 4 13 材料声属性对比 从图中我们可以看出 在低频语音范围内 二者的差异最明显 石膏板的吸声 21 系数要比混凝土的高很多 正满足我们的需要 在建筑模型的材料菜单中 将天花 板的材质替换为石膏板后 其他条件不变 再次进行计算分析 得到图 4 14 所示结 果 可以看出 此时的混响时间已经达到建议标准 图 4 14 优化后混响时间 22 4 2 3 几何声学分析几何声学分析 分析建筑的几何声学 首先需要在模型中添加发声体 还是以报告厅模型为例 通过主菜单编辑选项 在报告厅的正前方添加一个发声体 模拟出人声 如图 4 15 根据需要 还可以设置多个声源 以模仿真实效果 为简化实验 我们只设置一个 距地板平面 1 5m 的发声体 模拟人的发声效果 图 4 15 模型插入发声体效果图 混响时间的计算结果与所选反射面有关 选取天花板平面作为 反射面 来研 究 声波只经过天花板反射 声波线的范围更加清晰方便研究 将 Star Angle 起始角 Stop Angle 终止角 Increment Angle 增量角 和 Rotation Angle 旋转角 设置为默认 这些值可以控制声源的的调节度 设置好后 将试 图切换为前视图 在计算工具栏下 点选几何声学分析 获得分析结果如图 4 16 所 示 23 图 4 16 几何声线剖面图 可以从模型剖面看到由声源发出的声波线 经天花板反射后的路线图像 声波 经第一次反射后涵盖了所有区域 达到了设计要求 然后 这只是一个简单的报告 厅模型 在复杂或要求高的建筑 比如歌剧院 对几何声学的要求就高很多 它们 一般具有特异形体的天花板及墙体 进行分析得到的声线就不会如此模型均匀 要 使声线覆盖所有观众席 则需要对各反射面以及声源方位进行调整 最终达到几何 声学要求 24 4 34 3 热环境分析热环境分析 4 3 1 简介简介 影响建筑舒适感的除了采光以外 还有一项就是热环境 其中包括的了温度 湿度等等 建筑的节能更多的还是能源的控制 影响建筑热环境的主要有 地理环 境 气候环境 太阳辐射等 此教学楼楼层为三层 为简化分析 取二楼一间教室 作为热空间进行分析 如图 4 17 所示 图 4 17 模型设置热环境区域 4 3 2 热环境分析实例热环境分析实例 建立热量测试区域后 点选左侧模型分析模块 在 Thermal Analysis 选项框 中导入气象资料 热环境计算中包含多项计算项目 包括 逐时温度曲线 逐时热 损失 逐月能源消耗 温度分布 围护结构得热 简介太阳得热 直接太阳得热 25 通风得热 内部得热 区域得热等等 我们主要以前三项作为分析对象 在设置框 选择全年中某天的热环境情况 也可以拖动滑块 查看动态热环境变化 如图 4 18 图 4 18 热环境分析参数设定 我们先将日期定为 5 月 7 日这一天 在区域设置栏中 选中建立的热量分析区 域 在右边的 Internal Design Conditions 室内设计条件 中的着衣量 湿度 风 速 照度保持默认 人数设置为 28 人 工作时产能为 70W 由于我们还要做得失 热分析 所以 还需要设置工作时间表 如图 4 18 所示 为了简化实验数据 我们 只设置 5 月 7 号这一天的工作时间表 保存后执行热环境计算 得到三组热环境数 据分析报告 26 图 4 18 工作时间表设置 第一组数据为 5 月 7 日当天逐时温度报告 如图 4 19 及表 4 1 图 4 19 每刻温度曲线图 27 图 4 19 为温度曲线图中横轴表示时刻共 24 小时 左纵轴为温度 单位摄氏度 右纵轴为每平方的辐射强度 单位 W m2 蓝色虚线描绘了室外温度的变化 黄色短 虚线为太阳漫射强度 黄色长虚线为太阳直射辐射强度 从虚线与横轴焦点还能了 解当日日出时间为 5 点多 绿色虚线代表风力大小 拖动日期滑块 能动态观察一 年中温度的变化情况 表 4 1 统计了全天各时刻的温度 以及室内室外的温差 结 合这些数据能分析住宅的舒适度是否满足要求 表 4 1 温度分析数据 HOURINSIDEOUTSIDETEMP DIF C C C 0026 015 011 0 0126 014 311 7 0226 014 111 9 0326 013 812 2 0426 013 612 4 0526 014 311 7 0626 015 011 0 0726 014 111 9 0826 018 08 0 0926 020 06 0 1026 018 57 5 1126 024 02 0 28 HOURINSIDEOUTSIDETEMP DIF C C C 1226 024 02 0 1326 022 23 8 1426 024 11 9 1526 026 00 0 1626 023 22 8 1726 025 01 0 1826 023 03 0 1926 021 34 7 2026 018 08 0 2126 018 08 0 2226 016 79 3 2326 015 310 7 第二组数据反映一天之内热环境区域的得失热情况 如图 4 20 和表 4 2 所示 图 4 20 每小时能量得失曲线图 表 4 2 能量得失数据统计 29 HOURHVACFABRICSOLARVENT INTERNZONAL Wh Wh Wh Wh Wh Wh 000 340 22900 010 340 27300 020 1720 28800 030 2740 31000 040 2780 32500 050 3330 266980 060 3380 2085880 070 3420 28813720 080 3540015680 090 2140017640 100 720017640 110 460015680 120404005880 1320654970015680 1423395750017640 1523355710017640 1621225540015680 170568001960 180546005880 30 HOURHVACFABRICSOLARVENT INTERNZONAL Wh Wh Wh Wh Wh Wh 190468003920 2003290000 2101530000 220440 9000 230 150 19600 TOTAL886222020 2474171500 图 4 20 记录了热环境分析区域的得热和失热的逐时数据 通过模拟这些数据 可以研究回护结构的保温隔热性能 和其他构件得失热情况结合分析 能从宏观和 微观两个方方面来了解建筑的相关热工性能 在图中 绿色曲线为 HVAC Load 采暖空调负荷 红色实线表示 Conduction 围护结构导热的得失热 红色虚线为 SolAir 综合温度产生的热量 黄色实线为 Diect Solar 太阳直接热辐射得热 绿色实线为 Ventilation 冷风渗透 得失热 深蓝色为 Internal 内部人员与设备得热 浅蓝色实线为 Inter Zonal 区 间得失热 在表 4 2 的数据列表中 Conduction 与 SolAir 合并称为了围护结构得失 热 FABRIC 将图 4 20 与图 4 18 相比较 可以发现二者曲线形态十分相似 这是因为 建筑 的内部温度很大程度上受人的影响 能量的变化与区域内人员数量成正比 因此在 对区域进行热环境优化时 可以考虑合理安排工作时间 达到控制热能得失的效果 31 第三组数据反映的是热环境区域每月的冷热消耗情况 如图 4 21 及表 4 3 所示 图 4 21 每月冷热消耗条形图 表 4 3 每月冷热消耗数据 HEATINGCOOLINGTOTAL MONTH Wh Wh Wh Jan136605501366055 Feb8106290810629 Mar3890200389020 Apr3229763634766862 May017170571717057 Jun018684521868452 Jul019560631956063 Aug018705941870594 Sep015998351599835 32 HEATINGCOOLINGTOTAL MONTH Wh Wh Wh Oct25672488129513802 Nov3548310354831 Dec9515070951507 TOTAL39009441026376414164708 PER M 69477182802252279 Floor Area 56 147 m2 要使建筑内部温度维持在舒适的范围内 需要进行冷热控制 常见的为空调 暖气设施 这些设备引入同时也引入的能源消耗的问题 建筑保温或散热性能不好 将导致资源的过渡消耗 例如电力和燃煤的使用量能大 不符合节能要求 借助冷 热消耗分析图 我们能在前期进行模拟预测 进而做出优化 图 4 21 中的红色条形图为热能消耗 蓝色为制冷消耗 纵轴为消耗值 且均为 正值 横轴为 12 个月份 结合表 4 3 的月消耗实际值 我们发现建筑的冷耗能量要 比暖耗能量高 分析可能原因有建筑散热能力差 遮阳能力不足 人员