建筑节能设计对比的研究

1引言

据统计，我国400亿m2的既有建筑中有99%为高能耗建筑，同时每年新建房屋近20亿m2，其中仍然有95%为高能耗建筑，单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上[1]。针对我国建筑数量多、能耗高的现状，发展节能建筑迫在眉睫。在建筑的全寿命周期中，方案决策阶段对建筑性能的影响高达50.2%，设计阶段也达到48.3%，而施工和使用阶段则仅为0.7%和0.8%[2]。因此在前期做好节能设计可对建筑节能起到事半功倍的效果。

目前建筑节能设计的方法有两种：一种是基于2D技术的建筑节能设计，即待施工图设计完成后，由建筑师进行相应的节能计算与分析；另一种是基于BIM（BuildingInformationModeling）的建筑节能设计，即通过创建并利用建筑信息模型，以进行建筑节能设计与优化。基于BIM的建筑节能设计作为一种新技术、新方法，已经成为近年研究的热点，在工程实践中也得到不同程度的应用。然而基于BIM的建筑节能设计现仅局限于某一方面的开发或应用，且与传统的建筑节能设计方式的差异鲜有研究。为了便于工程技术人员全面地认识这种新技术，也为研究人员的深入研究提供参考，本文比较两种建筑节能设计方式，探索基于BIM的建筑节能设计的优势及其发展瓶颈，并提出有针对性的建议。

2基于BIM的建筑节能设计

BIM是以3D设计为基础、以数字信息为载体，将建筑项目全寿命周期内的所有信息高度集成在一个建筑模型中，以便在设计、施工和运营维护阶段供各参与方使用[3]。这种建筑信息模型不仅包括建筑的几何形态信息（如材质、构造、尺寸等），还包括大量的非几何信息（如材料的强度、性能、传热系数、构件的造价等），并且所有的数据具有连续、及时、可靠和一致的特点[4]。基于BIM的建筑节能设计是指，先采用BIM核心建模软件，通过建立工作集的方式对建筑、结构、暖通、电气和给排水等专业进行协同设计。在概念设计、方案设计、初步设计和施工图设计的每一阶段，依据图纸设计的不同深度，将建筑模型直接导入相应的建筑性能模拟软件中进行模拟分析，模拟数据包括能耗、舒适度，以及相应的经济性指标等。然后根据模拟的数据进行建筑各专业的优化设计。每一阶段逐步推进，直到施工图设计完成为止，如图1所示。

3两种设计方式的对比

3.1设计效果的对比

3.1.1协同设计2D模式的建筑设计因缺乏各专业之间的信息共享，各专业设计师之间沟通协调困难，同时也难以发现图纸中存在的“错、漏、碰、缺”等问题。另外，建筑节能设计包括建筑和设备两个专业，分专业独立设计会导致设备工程师需要重复输入建筑数据后才能进行能耗分析，无法实现节能建筑的全过程、集成化和精细化的设计与评价[5]。基于BIM的建筑各专业设计，不仅可以通过建立工作集的方式在本地进行各专业间信息的同步更新与交换，还可以采用基于云计算的bim技术，实现跨区域和跨单位的协同工作和信息共享[6]。这种多专业的协同设计会大大提高设计的质量，避免因设计错误导致施工阶段资源的浪费，同时也有利于建筑多专业的整体式节能设计与优化。

3.1.2效率2D格式的图纸与建筑能耗模拟软件基本上不能实现自动导入。建筑师需手工将建筑设计的相关数据输入到专业的能耗软件中以进行能耗分析，大量繁琐且重复的输入工作耗费了建筑师大量宝贵的时间。因此能效计算通常被安排在施工图设计完成之后，而此时如果要对图纸进行修改，其难度较大。BIM核心建模软件与相关能耗模拟软件基于共同的IFC（IndustryFoundationClasses）标准，即不同软件之间共享同一数据源，因此能实现建筑信息模型在建模软件与能耗模拟软件之间的自动导入，只需输入少量地理位置等信息即可进行能耗模拟分析。如表1所示，目前中国最常用的Revit建模软件与相关模拟软件之间可按以下格式实现自动导入。以BIM数据源进行能耗分析，比传统手动录入数据耗时短，极大地提高了效率[7]，使得设计师在设计的每一个阶段都能及时迅速地基于能耗模拟结果进行相应的建筑节能设计及其优化。

3.1.3准确度传统方式下，在进行能耗模拟时易出现所得数据与实际不符的现象，其中一部分原因是基于2D模式手动输入的模拟模型与实际建筑模型不符[9]。传统的建筑性能分析中，由于软件与实际设计相对独立操作，没有统一的数据格式，无法在设计时完成一体化分析，也无法满足建筑节能设计的准确性和可靠性[10]。基于BIM的建筑节能设计，其建筑模型是一个参数化的模型，纵向上包括了多专业，横向上包括了几何和非几何的所有相关建筑信息。建筑模型的信息完整且准确，其信息能在不同专业之间以及不同软件之间做到无缝衔接，实现一模多算的整体设计，避免因建筑信息的丢失导致模拟模型与建筑模型的不统一而影响模拟数据的准确性[10]。另外，有些BIM核心建模软件本身也具备一定能耗模拟的功能，比如Revit自身具备冷热负荷和能量仿真等分析能力，这样也能减小因模型的相互导入引起信息丢失而导致的模拟数据的误差。

3.1.4经济性分析全寿命周期成本主要由建安成本和运营费用决定。针对建安成本，传统2D模式的工程量计算是由造价工程师将图纸手动输入到造价软件进行统计，工程量计算的时间占整个造价计算约50%～80%[11]。由此造价估算需待每一设计阶段完成之后才进行，在设计过程中几乎不进行经济性分析。基于BIM的建筑节能设计能方便准确地实时估算项目的建安成本和运营费用。利用BIM的建安成本计算包括以下三种方法[12]：①利用应用程序接口（API）在BIM软件和成本预算软件中建立连接，将工程量信息从BIM软件中导入到造价软件；②利用开放式数据库连接（ODBC）直接访问BIM软件数据库，然后根据需要从BIM数据库中提取所需要的计算信息；③输出到EXCEL，有些BIM软件也可以统计工程量，将其工程量导入EXCEL进行汇总计算。

3.1.5设计可视化CAD模式绘图通常是由设计师抽象表达相应的构件及其尺寸。而基于BIM的建筑节能设计具有可视化的特点，不仅可以使一些设计问题在早期暴露出来，为项目节能设计在节能、外观和经济性方面提出合理的建议。另外，从能耗模拟软件导出的模拟结果不但包括文本格式，还可以导出动画格式，便于非专业人士的理解。

3.2模型后续利用性的对比

3.2.1绿色建筑的申报评估基于2D模式的绿色建筑的申报、评估通常是由设计单位按照要求设计，申报单位按照要求汇总整理资料进行申报，评审单位根据申报材料开展评审活动，其申报、资料整理及评审工作基本由手工完成，不仅降低工作效率，也不利于绿色建筑评价的标准化和制度化[13]。基于IFC标准对现有BIM基础数据进行必要的扩展，将绿色建筑相关数据集成到BIM模型中，可以促进绿色建筑的申报和评价的自动化，提高工作效率，降低绿色建筑的技术门槛。据统计，从BIM模型中提取节能方面的数据用于我国绿色建筑的等级评价时，其信息能自动高效地判定《绿色建筑评价标准》条款中住宅建筑控制项和公共建筑控制项的百分比分别为33%和60%，使得公共建筑一般项的自动判定率达70%，住宅建筑一般项的自动判定率甚至能达到100%，因此基于BIM的绿色建筑在节能部分的申报评估的自动化程度大幅度提高[14]。

3.2.2施工和运营阶段的应用与基于2D图纸建立的能耗模拟模型仅能用于能耗分析不同，BIM模型贯穿项目全寿命周期，除了在设计阶段发挥作用，在施工阶段和运营阶段同样具有应用价值。譬如，在施工阶段将模型导入施工模拟软件可以对整个建造过程或重要环节及工艺进行模拟；可以基于3D模型创建4D（加时间）以及5D（加时间和成本）对施工项目进行管理；也可以基于BIM模型在众多项目参与方之间实现集成式的合同管理模式等；甚至在运营阶段也能利用创建的BIM模型进行设施管理（FM）。

3.3运行条件的比较

3.3.1软硬件要求BIM所包含的数据要比CAD图纸丰富得多，要保障BIM相关软件的运行速度和绘图的流畅度，对计算机的计算能力和存储能力都有较高的要求。随着项目规模和复杂性的增加，以及软件版本的升级和新功能的增加，对计算机的硬件配套投入也需逐步增加。为实现协同工作，BIM数据通常是集中存放在服务器上，项目成员通过网络访问文件服务器进行数据读写，这就需要设置一个切实可行的、性能良好的BIM工作网络环境。此外，要实现基于BIM的建筑节能设计只靠一个软件或者一类软件是不可行的，需要较多软件的支持。而这些软件基本被美国大型软件开发商垄断，价格较高，使得基于BIM的建筑节能设计在软硬件配套设施上的投入较传统方式偏高。

3.3.2人才要求BIM人才既要具备工程能力又要具备应用能力。而目前的BIM人才尚嫌不足：①刚参加工作、靠短时间速成的BIM建模员工程能力薄弱；②工程经验丰富的设计师CAD思维模式根深蒂固，工作任务饱和，学习机会相对较少，无时间无激情学习BIM等新技术，当然也受到学习机会的影响；③少数兼备工程和BIM综合能力的人才数量少、佣金高，其原因在于目前高校缺乏BIM相关知识的课程，而培训机构培训费用高昂，影响了BIM人才的全面培养，BIM应用人才匮乏成为制约BIM技术应用的瓶颈[15]。