基于BIM 技术的既有办公建筑节能改造多目标优化方案探究——以西南大学行署楼节能改造为例

李建民，赵旭，张贵川，纪宇

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

0 引言

能源已成为世界发展的重要战略问题、政治问题和外交问题。我国建筑的能耗约占全社会总能耗的30%，如果再加上建材生产过程中消耗的能源（占全社会总能耗的16.7%），和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%，建筑能耗已成为制约我国经济、社会发展的主要问题之一。[1]在建筑能源消耗中，公共建筑的单位面积电耗是普通居民建筑的10倍左右，其中办公建筑能耗占主要能耗的32.5%。建造高效节能办公建筑，是缓解这一矛盾的有效途径。近年来，国家针对建筑行业相继出台了一系列建筑节能政策和标准，早在“十一五”规划就把建筑节能放在重中之重。在节能政策的推动下，建筑节能从严寒及寒冷地区兴起逐渐发展到夏热冬冷地区并向夏热冬暖地区推进。[2]办公建筑作为一种重要的基础设施，因其覆盖面积广、能效利用率低、节能改造潜力大，已经成为我国建筑节能改造的重要方向。

目前重庆市作为我国重点发展的城市之一，已建成公共建筑约1亿m2，但高能耗办公建筑所占比例大，整体技术水平较落后，存在围护结构传热系数较大，空调设备选型装机容量偏高，能效利用率低，对光、温等环境调控水平有限等问题。目前既有办公建筑改造技术较盲目，缺乏科学规划，对关键技术研究认识不足，导致许多既有办公建筑改造方案不合理，改造和运行成本高，办公建筑改造后出现“营养过剩”的现象。针对我国既有办公建筑面临的问题，结合我国建筑事业可持续发展的客观要求，本文通过引入BIM 技术，对重庆地区既有办公建筑节能改造方案进行研究。新型办公建筑节能改造方案有可视化，协调性，模拟性，优化性的特点，克服了传统办公建筑节能改造方案改造难度大、影响因数复杂、改造后节能效果不确定等缺点，是一种新型节能改造方案。

办公建筑作为一种人员集中分布的基础设施，对其节能改造除了要保证能效利用率外，还需要保证采光、通风等舒适性要求。围护结构是节能改造过程中的主要改造部件，其结构传热系数对建筑的保温性能有着重要影响。空调设备选型装机容量的选择和新能源的利用也直接影响建筑的改造效果。

据统计，一般进行节能改造的费用仅为建筑总造价的3%～6%，而节能效果却可达20%～40%[3]。因此，选取科学合理的围护结构、空调容量，并引入新能源系统，避免不必要的材料消耗，从而节省前期投资，对促进既有办公建筑节能改造的推广应用具有重要意义。本文将根据工程热力学原理，采用多目标优化法对既有办公建筑节能改造方案进行优化研究，在提高既有办公建筑能效利用率的同时使其造价更低。

1 改造方案设计

重庆既有办公建筑节能改造主要措施有围护结构节能改造、空调系统、增设新风系统、新能源的利用。综合重庆的地理、经济、文化价值、社会价值等综合因素。适合重庆既有办公建筑的节能改造技术有增设外墙屋面保温层、选择双层高性能保温窗、减少门窗空气渗透量、更换适装机容量空调系统、增设太阳能系统、培养良好的节能使用习惯。[4]

2 Ecotect Analysis模拟分析功能介绍

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是通过对建筑工程项目的各项相关数据进行数字信息仿真模拟，建立具有的建筑真实信息的模型。本文应用BIM 软件Ecotect Analysis 进行相关数据分析。

通过Ecotect Analysis 应用软件，创建简单的建筑信息模型，可以方便的对改造方案进行建筑能效评估。得到的分析结果可以及时对方案做出合理调整和更换，从而做出更有利于建筑持续性的选择[5]。

Ecotect 分析的范围很广，从太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明到热工、室内声场、室内外风场都可以进行模拟，涵盖了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响与可视度等。其分析过程为：

2.1 建立分析模型

指定项目信息视图（PROJECT）录入模型信息并指定三维编辑视图（3D EDITOR）根据经验建立简化模型。

2.2 设置参数

设置材质参数、热环境参数、时间参数、人员参数及气象数据。

2.3 分析并查看结果

指定分析视图（ANALYSIS）显示各项计算和分析，指定报告视图（SUMMARY）生成报告。

3 案例分析

3.1 方案模型和模型参数选取

本文所研究的节能改造方案以西南大学行署楼为例，建筑主体基本尺寸：长57.8m，宽17.2m，高11.0m。外墙及屋顶材质均为钢筋混凝土，窗为木质窗框的单层玻璃窗，户门及阳台门为单层玻璃木门。空调系统为分散式空调系统并且未采用新能源系统。

西南大学行署楼模拟模型

3.2 改造方案设计

既有办公建筑围护结构的节能改造应该在减少对原有建筑破坏、降低对正常使用的影响、增加最少的改造荷载的前提条件下进行，采用适宜的节能技术手段，在兼顾经济性的同时，尽可能提高建筑保温隔热性能，降低建筑能耗.改造设计需要有系统优化的思想，最优的方案应该是社会成本最低、能源效率较高、又能满足需求的节能方案[6]。

综合考虑各项因素，针对西南大学行署楼节能改造应采取的主要措施有：墙体外贴XPS 保温板或外贴STP 保温板；屋顶外抹保温砂浆或屋顶贴XPS 保温板；窗改为双层玻璃铝合金框或low-E中空玻璃高分子材料框；门改为实松木门或中间夹保温材料木门；空调系统选用合适装机容量；新增太阳能光伏电板。

各部件改造方案不同，因此会有S=2*2*2*2*1*1种节能效果与造价不同的改造方案。应用Ecotect 软件对16种方案进行逐个模拟分析得到最低造价和最佳节能效果改造方案。[5]

节能改造前模型分析结果：

能源消耗

最低造价改造方案分析结果：

能源消耗

构件造价

最佳效果改造方案分析结果：

能源消耗

构件造价

未改造前建筑年能源消耗165000KW·h 左右，改造后建筑年能源消耗位于100000KW·h～115000KW·h 之间。节能改造效率位于在50%到65%之间，年节约50000KW·h～65000KW·h的能源，以每度电0.5元计算，年节约量约合人民币25000～32500元。改造成本位于500000元到1400000元之间。其中最低造价改造方案节能效率为50%，改造成本约为500000元，符合我节能改造50%的基础标准；最佳效果改造方案节能效率为65%，改造成本约为1400000元，达到我国节能改造效果65%的高质量标准。

4 结论与建议

本文采用多目标分析法，在BIM 软件Ecotect 程序环境下，对重庆地区既有办公建筑进行了多目标化节能改造方案优化设计，得到不同方案条件下改造后的节能效果。通过对优化结果的分析，可以得出以下结论：

4.1 在对既有建筑进行简化的基础上，得到了用于热工分析的模拟模型，并设计了不同的方案。结果表明，模型简单可靠，能客观准确地反映既有建筑的热工性能

4.2 既有办公建筑围护结构进行节能改造的费用较低，但节能效果明显。

4.3 将BIM 技术软件引入既有办公建筑改造方案中可以得到合适的改造方案既可达到改造后的能效要求又可以将造价降到最低。

[1]倪德良.既有建筑节能改造的意义、方法和建议.上海住宅，2005-12

[2]饶武.夏热冬暖地区既有建筑节能改造技术探讨.墙体与设计，2008-1

[3]张志军，曹露春.可再生能源与建筑节能技术.中国电力出版社，2012-1

[4]王琨，谢兴保.夏热冬冷地区生态建筑节能建筑的应用探讨.四川建筑，2005-2

[5]Autodesk，lnc.Autodesk Ecotect Analysis 绿色建筑分析应用.电子工业出版社，2011-1

[6]任乃鑫，阮帆，赵宇洲.夏热冬冷地区既有办公建筑围护结构节能改造.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2010-7

[7]GB 50189-2005公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[8]李继业.建筑节能工程材料.化学工业出版社，2012-1