BIM技术在建筑节能改造领域的应用

目前，我国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，主要是普通烧结砖和钢筋水泥。从热工性能方面来说，建筑的围护结构热工性能远不能达到我国的节能设计规范要求。

由于这些建筑还存在着很大的使用价值，如果简单粗暴的推倒重建，住户来说需要承担一定经济压力，对自然环境来说，由于烧结砖和混凝土等材料的自然降解需要几十年甚至几百年，污染自然环境。

随着社会的发展，国家专项资金的支持，既有居住建筑节能改造的需求越来越大。BIM作为国家推广的技术，通过案例让我们来看看在既有建筑节能改造领域，BIM如何大有可为？

1、项目概况

以安徽某小区为例，该小区共建有居住建筑6栋，均为6层住宅楼，设计使用年限70年。造于1997~1999年，住宅建筑总面积为6381㎡。结构形式为普通框架结构，未采取保温措施。外墙采用烧结普通砖，清水墙体分化严重，外观情况比较差，传热系数远高于《安徽省居住建筑节能设计规范》的规定限值1.0W/(㎡·k)。屋面为加气混凝土层平屋面，屋面使用中重新做过防水设计。外窗的构造形式各户的情况不一，大多依旧采用老式普通铝合金窗户，保温性能比较差，气密性也不好，漏风现象严重。

2、模型的建立

从项目原设计单位找到原始图纸，首先根据项目的图纸内容，收集所需族文件，如果没有则需要单独创建。然后根据项目图纸内容进行绘制，注意标高等参数的设置。在模型创建的过程中，要及时检查原有图纸疏漏地方，因为原工程竣工可能会有图纸变更没有反映出来，还有的分部分项工程在使用过程中已进行改造过。创立过程中，对信息不全，图纸不清的地方需要整合清楚，如有必要，需要现场测量情况。

3、利用BIM技术对既有居住建筑节能潜力分析

1）围护结构热工性能分析

用Revit模型导入到建筑节能设计分析软件PBECA中，软件可以计算出建筑物各种形式的维护结构的面积和建筑物体积，计算各朝向的窗墙面积比、建筑物的体形系数、考虑热桥影响后墙体（含外墙、分户墙）的平均传热系数等，并比较判断计算结果是否满足相关节能标准的要求。摘取建筑节能计算报告书中重要的综合权衡表和综合判断结论两部分。

综合权衡表

综合判断结论

通过对建筑节能改造前的围护结构的热工性能的模拟计算，综合权衡后得到综合判断结论，屋面、外墙和外窗等围护结构热工性能均不能满足《安徽省居住建筑节能设计标准》中相关要求。

2）光环境分析

将Revit模型导入到Autodesk Ecotect Analysis中，并与Radiance相结合进行模拟。Autodesk Ecotect Analysis软件是一款功能全面，适用于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析工具，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，能够提高现有建筑和新建筑设计的性能。但Ecotect的计算精度较低，而Rdiance软件是由美国劳伦斯伯克利国家实验室以及瑞士洛桑生态技术联邦局开发的采光软件，采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法，相对于光能传递算法来说光线追踪更适合于精确的建筑采光分析，国际上采光分析论文基本都采用Radiance进行模拟，该软件分析计算的结果受到广泛的认可。本论文采用Ecotect建模，然后利用Radiance软件内核进行模拟计算，最后将计算结果返回Ecotect进行可视化分析。

标准层室内采光系数分布云图（卧室、起居室、厨房等）

标准层室内室内照度分布云图（卧室、起居室、厨房等）

3.室内风环境分析

用Revit打开模型，导出.dwg格式的三维模型。将此格式的模型导入到建筑风环境模拟软件斯维尔Vent中。Vent依据《建筑通风效果测试与评价标准》JGJ/T309—2013推荐的RNGk–ε湍流模型进行室外流场计算。

高度风速矢量图

高度风速云图

4.能耗分析

居住建筑的节能性由维护结构热工性能、建筑朝向、体形系数、窗墙比等参数决定，但是居住建筑到底节能多少需要对能耗进行量化。居住建筑的能耗分析就是通过模拟计算的手段,分析上述建筑单体本身属性的改变对建筑全年能耗的影响,进而为建筑师改进单体设计提供科学的依据。

将REVIT中建筑模型保存成.idf格式的文件，在IDFEdit中对模型的参数进行更加详细的设置，根据《安徽省居住建筑节能设计标准》第5.0.5的规定采暖和空调系统的运行规定如下：

采暖计算期为当年12月1日至次年2月28日，空调计算期应为当年6月15日至8月31日；

室外气象计算参数采用当年典型气象年；

整栋建筑每套住宅室内计算温度，冬季全天取18℃，夏季全天取26℃；

采暖、空调设备为家用气源热泵空调器，制冷时额定能效比取2.3，采暖时额定能效比取1.9；

通过对软件输出的Spreadsheets文件数据进行统计分析，得到改造建筑能耗的情况：

4、改造方案的设计

1）节能性分析

本项目提出来三套方案，建造出相应的Revit三维模型。将模型导出到PBECA软件中进行模拟计算分析，验证外墙、门窗和屋顶等部位平均传热系数是否满足规范要求。在ECOTECT、斯维尔Vent和ENERGYPLUS等软件中，分别验证采光遮阳、室内通风和建筑全年能耗是否满足要求。如果有不满足要求的地方，应及时修改优化方案。分析数据如下：

通过三种方案的热工性能的数据分析，可以得出方案一的热工性能最优，其次是方案二，最后是方案三，且三套方案均满足《安徽省居住建筑节能设计标准》的相关要求。

2）可视化分析

Revit所建三维模型，在软件里便可以进行可视化分析。设计人员及时对改造方案做出修改意见，并对比不同方案在建筑美学方面的优缺点。

3）能耗分析

利用EnergyPlus分别对三套方案的全年能耗进行分析。

三套方案的采暖耗热量、空调耗冷量、采暖耗电量和空调耗电量逐渐增大，方案三能耗与方案一、二的差距最大。因为方案一采用了更好的保温措施，所以相应能耗也最小。

4）造价分析

将设计方案的Revit工程模型导入到算量软件中，软件自动识别Revit模型中构件，进行清单定额套取并计算工程量。

结论：单位经济指标方案一与方案二和方案三分别相差3.5%和16.19%，总体来说方案一与方案二的造价相差不大，方案三造价最低。

5）节能改造经济性分析

根据能耗模拟结果，该项目在进行节能改造后，建筑物单位能耗由70.08kWh/m2降低到方案一的39.92kWh/m2，方案二的43.4kWh/m2，方案三的53.86kWh/m2，按此计算每年的节能收益为，方案一：（70.08-39.92×6381×0.5953=114566元 ，方案二和方案三分别是：101346元与61614元。

根据采用投资回收期法进行对节能改造经济性分析，动态回收期计算考虑资金时间价值、折现率等因素，设第一年全年为改造期，货币的标准折现率为5%，并从第二年产生折现率，节能改造的支出费用和改造后每年收益情况。运用动态回收期公式得到计算结果：方案1P't=13年，方案二P't=15年，方案三P't=21年（P't为动态投资回收期）。

经过业主委员会综合考虑节能效果、节能费用和节能投资回收期，最终选择方案一。目前进行节能改造的居住建筑大多是使用了十几年的旧住宅，一般居住建筑的使用年限为50年，由改造方案的节能动态回收期为13年可知：在进行改造后，十几年的时间可收回投资，至少还有一、二十年的收益。因此节能改造既能大大节省住宅使用过程的费用，又能大大降低住宅的使用能耗，提高室内居住舒适度，值得广泛开展。

5、总结

中国既有居住建筑节能改造事业已开展十多年，已经初步形成一个系统，既有居住建筑节能改造的包括围护结构的节能改造，遮阳通风改造，建筑设备改造更新，可再生能源的利用等方面。但是缺乏比较完善的节能改造方案，包括改造前，改造中，改造后的模拟分析和数据实测收集。利用BIM技术能够很好分析出既有建筑节能方面存在的问题，设计出适合的节能改造方案。