基于BIM的绿色建筑性能分析及优化设计研究

王宏亮 陈振坤

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430058）

绿色建筑在设计、建造、使用和维护的整个生命周期中可以最大限度减少对环境的负面影响，同时提高建筑的资源利用效率和室内环境舒适性[1]。然而，在实践中，绿色建筑的设计与优化过程面临诸多挑战，如复杂性、多目标性和跨学科性。针对上述问题，本文基于BIM技术，对绿色建筑性能分析及优化设计方法进行了研究。BIM技术不仅能够实现建筑的三维可视化，还能整合各类建筑信息和性能数据，实现多学科的协同设计与优化，为绿色建筑的性能分析和优化设计提供全新的途径和手段。

1 绿色建筑设计指标分析

绿色建筑作为可持续发展的重要方向，其设计过程中需考虑一系列的指标，确保建筑在各方面都具有优良的性能和环境友好性。绿色建筑设计指标主要包括建筑的规划与布局、节能模拟与设计、遮阳与辐射分析、自然通风、室外绿化环境以及声环境等方面[2]。在实际设计过程中，应综合考虑各项指标之间的相互影响，寻找最佳平衡点，实现绿色建筑的可持续发展目标。

1.1 建筑规划与布局

合理的规划与布局可以最大限度优化建筑的能源利用和资源分配。通过BIM技术在建筑模型中创建建筑的三维可视化模型，包括建筑的几何形状、结构和空间布局等信息，可以直观地了解建筑的整体布局和空间组织，根据建筑的功能区域、空间布局及建筑朝向和形状，对建筑规划与布局进行多方案比较分析，发现设计上的问题和不足之处，选出最优的规划方案，实现不同功能区域的协调和互动，提高室内空间的舒适性，充分利用自然光和热量。考虑建筑与周围环境的关系，营造良好的景观和绿色空间，促进生态平衡。

1.2 节能模拟与设计

在节能模拟方面，BIM 技术可以模拟建筑的热传导、热辐射、通风效果等，评估建筑的热负荷和能耗。通过模拟不同能源系统的运行效果，可以比较不同设计方案的节能效果，并提出相应的节能设计策略。这些策略可以包括使用高效的建筑外墙材料和窗户，采用太阳能光伏板和太阳能热水器等可再生能源技术，优化建筑的空调系统和照明系统等。同时，要注意节能设计与建筑其他性能指标之间的平衡，避免单一追求节能而影响其他方面的性能。

1.3 遮阳与辐射分析

在建筑设计过程中，需要考虑建筑的遮阳效果，减少建筑受到太阳辐射的影响，降低室内温度。可以通过合理设置建筑的遮阳设施，如百叶窗、遮阳板等来实现。通过对BIM 建筑模型进行遮阳分析，可以模拟不同时段和季节下建筑受到的太阳辐射，同时结合建筑材料的热学特性，预测建筑受热和散热情况，模拟建筑模型中的热传导和辐射过程，评估建筑的热负荷和能耗。图1 和图2 分别为建筑室内采光分析和建筑的遮阳模拟情况。

图1 建筑室内采光模拟

图2 建筑太阳遮挡模拟

1.4 自然通风

在BIM 模型中添加自然通风的属性，包括建筑的通风口和风口位置、大小和数量等，通过模拟建筑模型中的气流，预测不同通风设置下的室内气流速度、温度分布和湿度变化[3]。在BIM模型中，自然通风属性与建筑的其他性能指标，如热力学、遮阳分析等相互关联，例如，在考虑自然通风的同时，还可以结合建筑的热负荷进行综合分析，找到最佳的通风方案，以保持室内温度的舒适性。在施工过程中，预测施工对通风口和风口的影响，并采取措施进行调整和保护。在运维阶段，实时监测建筑的通风效果，及时发现并解决通风问题。

1.5 室外绿化环境分析

采用BIM 技术在建筑模型中集成绿化环境的信息，包括树木、植物、景观元素等。通过引入植被的生长模型和气候数据，预测绿化环境在不同季节和气候条件下的效果，结合建筑的遮阳分析和绿化效果，对绿化环境进行模拟和优化，优化绿化布局，减少城市热岛效应，改善室外热环境，确保绿化布局的合理性和生态效益。在施工过程中，可以预测建筑施工对绿化环境的影响，并采取措施进行保护和恢复。在运维阶段，可以实时监测绿化环境的状况，及时发现并解决植物生长和养护等问题。

1.6 建筑声环境分析

通过在BIM 模型中引入声学属性，如材料的吸声系数、传声系数等，并与其他工程属性如热力学、照明等相互关联，形成全面的综合分析，在设计阶段预测和评估在不同条件下建筑的声环境。例如，在考虑建筑的室内声环境时，结合热力学分析，避免空调系统噪音对室内环境的影响。BIM 技术支持多种模拟和可视化工具，使得声环境分析结果更加直观和易于理解，通过BIM模型实时调整设计方案，对比不同方案的声环境表现，从而找到最优的设计方案。在施工过程中，可以预测建筑施工产生的噪音，并采取措施进行控制，以减少对周边环境和居民的干扰。在运维阶段，可以实时监测建筑的声环境，及时发现并解决潜在的噪音问题。

2 基于BIM技术的绿色建筑设计流程

基于BIM 技术的绿色建筑设计融合了信息建模、多学科协同和可视化仿真等技术手段[4]，其设计流程如图3所示。

图3 绿色建筑设计工作流程图

2.1 BIM模型建立

在设计阶段，需要建立BIM 建筑模型，BIM 模型不仅包括建筑的几何形状，还包括各个构件和系统的属性信息，如材料特性、能源消耗数据、室内舒适性参数等。通过BIM模型，可以快速获取建筑的相关信息，进行多学科协同设计。

2.2 边界条件界定

在建筑环境性能分析过程中，需要确定边界条件，即各项分析的输入参数。边界条件的确定需要综合考虑建筑的位置、气候条件、建筑功能等因素。BIM 技术可以快速修改模型的属性信息，帮助团队灵活调整边界条件，进行多方案比较。

2.3 建筑环境性能分析

基于建立的BIM模型，对建筑环境性能进行分析，包括热学模拟、日照分析、自然通风模拟、声环境分析等，建立不同的设计方案，可以实时观察建筑在不同条件下的性能变化，如温度分布、光照强度等，对其进行模拟评估，发现问题，并提出优化措施。

2.4 成果表达

在成果表达过程中，首先需要对绿色建筑环境模拟数据进行处理，得到建筑在不同条件下的性能指标，如能耗、采光质量、室内温度等。然后将数据结果进行三维可视化处理，利用动态模拟方式展示绿色建筑性能的变化过程，观察建筑在不同时间段和季节的性能变化，如夏季的能耗情况、冬季的室内温度分布等。通过数据处理和三维可视化处理，可以更好地理解和评估建筑的性能表现，有助于优化设计方案，使建筑更加符合绿色建筑的要求。成果表达的有效性将直接影响到绿色建筑设计的成功与否。

2.5 优化设计

基于建筑环境性能分析的结果和边界条件的界定，设计团队可以进行优化设计，包括调整建筑的形态、材料选择、系统配置等。通过综合考虑性能分析结果、可持续发展目标、业主需求和成本效益，优化设计可以找到最优的设计方案，实现建筑的高效、舒适和可持续发展目标。BIM技术在优化设计中的应用，使得设计团队可以更全面、高效地进行优化设计，为绿色建筑的成功实现提供了有力的支持。

3 基于BIM技术的绿色建筑优化设计方案

本文以某办公建筑为例，该建筑总面积约50000m2，总高约55m，共计20 层，南北朝向，主立面朝南，窗户采用玻璃幕墙，取暖采用地源热泵系统。本次设计在满足办公需求的前提下，最大限度提高能源利用效率、降低碳排放、改善室内环境质量。

3.1 优化方案确定

在绿色建筑设计过程中，冬季采暖能耗、自然通风和自然采光三项指标对建筑性能影响较大[5,6]，因此，本文主要从上述三项指标着手，采用BIM 技术对该办公建筑进行优化设计。

（1）采用高效节能的供暖系统，如地源热泵系统或太阳能热水系统，通过BIM技术进行模拟和分析，优化供暖系统的布局和参数。采用BIM 模型分析建筑外墙、屋顶和地板的保温性能，选择合适的保温材料和厚度，减少冬季能量的散失，降低采暖能耗。同时，结合建筑的朝向和形态，优化窗户和门的位置及尺寸，以提高建筑的日照收集效率，最大限度地利用太阳能进行被动采暖。

（2）通过BIM技术进行通风模拟分析，确定最佳的通风口位置和大小，考虑建筑周边环境和风向，优化通风口的开启方式和角度，结合建筑的功能区域，区分不同区域的通风需求，采用可调节的通风系统，以实现不同区域的个性化通风控制和自然通风效果，提高室内空气质量。

（3）通过BIM 模型，分析建筑的朝向和立面形态，确定最佳的窗户布置和大小，以最大限度地利用自然光，减少人工照明的使用。采用高透光率的材料，如透明玻璃、光导板等，增加自然光的透过率，提高室内采光质量。结合建筑的功能和使用需求，确定不同区域的采光要求，采用可调节的遮阳设施，以满足不同区域的采光需求。

通过BIM 技术的模拟和分析，可以得到建筑在冬季采暖能耗、自然通风和自然采光等方面的性能表现，并对优化结果进行评估和比较，优化设计指标计算结果见图4。

图4 优化指标选取结果

3.2 优化结果

采用BIM 模型进行模拟计算，得到不同窗墙比条件下的建筑能耗、自然采光和建筑室内通风的计算结果，如图5所示。

图5 建筑性能优化结果

由图5 可知，随着窗墙比的增大，热负荷指标逐渐减小，窗墙比为0.3 时，热负荷指标为17.52W/m2，自然采光系数为5.34%，自然压帕时数为6681，与窗墙比0.23 相比，建筑能耗降低了24.61%，自然光提高了20.78%，自然压帕时数提高了11.74%。进一步分析可知，本次建筑能耗优化设计结果低于当地居住建筑节能设计标准值19.6W/m2。表明本次基于BIM的绿色建筑优化设计效果较好，优化后的建筑性能在建筑能耗、自然采光和建筑室内通风方面取得了显著改善。

4 结语

综上所述，本文主要分析了基于BIM 技术的绿色建筑性能分析及优化设计方法。首先，通过对绿色建筑设计指标的综合分析，明确了影响建筑性能的关键要素，包括建筑的规划与布局、节能模拟与设计、遮阳与辐射分析、自然通风、室外绿化环境以及声环境等；其次，重点论述了BIM技术在绿色建筑设计中的应用，包括BIM模型的建立、边界条件的界定、建筑环境性能分析、成果表达和优化设计等步骤，以确保性能分析过程的科学性和高效性；最后，结合具体实例，选取采暖能耗、自然通风和自然采光作为评价指标，并进行对比分析，确定最佳优化设计方案，验证了BIM技术在绿色建筑性能优化中的应用效果。