​BIM视界 | BIM 在节能改造领域将大有可为！

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。

案例分析

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 1.0 W/(㎡·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

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。

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）

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/T 309— 2013 推荐的 RNG k–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

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

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 ENERGY PLUS 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。

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。

能耗分析

利用 Energy Plus 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。

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。

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 70.08 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 1 P'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。