基于BIM与可视化编程的建筑节能优化集成技术流程研究：面向能效的计算化建筑解决方案

《Sustainable Materials and Technologies》：An integrated technical process of building information modeling enabled by visual programming language: an optimized computational building solution for energy efficiency

本研究针对建筑能耗高企的全球性问题，提出了一种集成建筑信息模型（BIM）、可视化编程语言（Dynamo）与建筑能耗模拟（GBS）的技术方法学流程。研究人员通过开发Dynamo脚本，在建筑设计初期评估了不同建筑材料（如掺入石粉（SD）的再生混凝土）在不同气候带（热带、干旱、温带）下的热工性能。结果表明，使用替代材料可平均降低织物热损失（FHL）21.96%，热能耗损失（HEL）显著改善，并实现约3.70%的成本节约与3.10%的能源使用强度（EUI）降低。该研究为建筑行业在早期设计阶段进行能效优化和材料选择提供了可复制的计算工具和方法论支持，对推动建筑可持续发展和实现碳中和目标具有重要意义。

　　

在全球能源消耗和碳排放的严峻挑战下，建筑行业作为能耗大户，其节能减排已成为实现可持续发展目标的关键。据统计，建筑领域消耗了全球总能源的36%至40%，并贡献了约23%的二氧化碳排放。随着城市化进程的加速，若不采取有效措施，到2050年建筑能耗可能增长46%至73%。因此，如何在建筑设计初期就引入有效的能效优化策略，特别是通过选择可持续建筑材料和优化围护结构热工性能，成为了学术界和工业界关注的焦点。传统的建筑设计方法往往在后期才进行能耗分析，导致优化空间有限且成本高昂。幸运的是，建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）和建筑能耗模拟（Building Energy Modeling, BEM）等数字化技术的兴起，为在设计初期进行性能预测和优化提供了可能。然而，如何将这些技术无缝集成，并开发出易于使用、能够适应不同气候条件和规范标准的自动化工具，仍然是一个待解决的难题。正是在这样的背景下，一项发表在《Sustainable Materials and Technologies》上的研究，提出了一种创新的集成技术流程，旨在为建筑师和工程师提供一把在项目伊始就能精准评估和优化建筑能效的“钥匙”。

这项研究的核心是构建一个将BIM、可视化编程语言（Visual Programming Language, VPL，以Autodesk Dynamo为代表）和云端能耗模拟服务（Autodesk Green Building Studio, GBS）深度融合的工作流。研究人员开发了一套系统的Dynamo脚本，能够自动从BIM模型（使用Autodesk Revit创建）中提取几何信息、材料属性等数据，并依据ISO 13789:2017等国际标准以及美国、英国、巴西的相关规范，计算关键的热工性能指标，包括织物热损失（Fabric Heat Loss, FHL）、通风热损失（Ventilation Heat Loss, VHL）和总热能耗损失（Heat Energy Loss, HEL）。该方法学的创新之处在于，它能够在设计初期快速评估不同建筑材料（特别是常规材料与含有工业废料如石粉（Stone Dust, SD）的替代材料）在不同气候场景下的能耗表现，从而为最优材料选择提供数据支撑。为了验证该方法的有效性，研究团队以一个八层多户住宅楼为案例，模拟了八种不同的建筑围护结构方案在三种主要气候类型（热带、干旱、温带）下的能耗情况。

研究过程中，关键技术方法的运用构成了其坚实的技术骨架。首先，基于BIM的精细化三维建模是基础，它确保了建筑几何信息、空间关系和构件属性的准确无误。其次，可视化编程（Dynamo）是实现自动化和参数化分析的核心。研究人员编写的Dynamo脚本能够自动识别和提取BIM模型中的墙体、窗户、屋顶、地板等构件的面积、热阻等参数，并嵌入标准化的热工计算公式（如FHL = ∑(U × S × ΔC)）。再者，与云端能耗模拟引擎（GBS）的集成是关键一步。GBS基于EnergyPlus等经过验证的物理引擎，能够进行更加动态和全面的全年能耗模拟，计算能源使用强度（Energy Use Intensity, EUI）和运行成本，从而对Dynamo计算的稳态热损失结果进行补充和验证。最后，多标准合规性分析确保了方法的国际适用性，该方法兼容了国际标准（ISO）、欧洲标准（EN）和巴西标准（ABNT NBR），使其能够灵活适应不同地区的规范要求。案例中的建筑模型和材料属性均基于真实的建筑规范和已发表的文献数据。

4. 案例研究

案例研究聚焦于一栋依据巴西标准NBR 12721:2006设计的R8-B型八层多户住宅楼。研究人员设定了八种不同的建筑围护结构方案（BIM Option 1-8），主要变量是墙体、楼板和屋顶所使用的材料。这些方案从传统的混凝土砌块、实心混凝土（Option 1, 2）到掺入不同比例（5%至75%）石粉（SD）的再生混凝土（Option 3-8）不等。通过对这些方案在热带（A）、干旱（B）和温带（C）气候下的模拟分析，得出了一系列关键结论。

5. 结果与讨论

5.1. 与案例研究相关的结果

热工性能模拟结果清晰地揭示了不同材料和气候条件的影响。在织物热损失（FHL）方面，图10 显示，无论采用何种材料，温带气候（C）下的FHL始终最高，其次是热带（A）和干旱气候（B）。这主要是由于温带气候下室内外温差（ΔC）最大（达25°C），导致通过围护结构的热流更强。在材料对比上，Option 3（掺5% SD的再生混凝土）表现最佳，在热带气候下FHL最低（45,146.26 W），而传统的Option 2（标准混凝土砌块）的FHL最高（100,132.74 W），两者相差约21.96%。这表明含有适量SD的混凝土因其更低的导热系数（λ）和热传导值（U-value），提供了更好的隔热性能。

在总热能耗损失（HEL）方面，图11 的结果与FHL趋势一致。温带气候下的HEL远高于其他气候。Option 3同样展现出最优的HEL性能，在热带气候下比Option 2降低了约48.49%。值得注意的是，研究也发现SD替代率并非越高越好，过高的替代率（如75%、90%）会因混凝土内部孔隙增多、空气含量增加（空气是较差的热绝缘体）而导致隔热性能下降，但其性能仍优于传统方案。这表明存在一个最优的SD掺量范围。

在能耗与经济性方面，图12 和 图13 展示了不同方案的年度能耗与成本对比。Option 3实现了最低的年度电力消耗（184.20 thousand kWh）、最低的能源使用强度（EUI, 1230.90 MJ/m²/year）以及最低的年度能源成本（$36,019）。与传统方案（Option 2）相比，其成本节约了约3.70%，EUI降低了约3.10%。图14 对终端用电的详细分析进一步指出，通风系统（“Fans”）的能耗在不同方案间波动最大，是影响整体能效的关键因素之一。这些数据强有力地证明了替代材料在提升能效和经济效益方面的双重优势。

5.2. 与所提方法应用相关的结果

关于BIM、Dynamo与GBS集成的有效性与挑战，研究表明该工作流能够成功实现早期设计阶段的能耗评估。其优势在于自动化、参数化和标准化，大大提高了分析效率和准确性。然而，挑战也存在，例如BIM模型中材料热工属性的数据库仍需完善；用户需要准确设定Dynamo脚本的输入参数；以及多场景比较的数据处理复杂性。本研究通过将模拟结果与已有文献数据对比进行验证，误差低于1.4%，证明了方法的可靠性。

5.3. 建筑替代方案与科学验证的比较能源性能分析

对八种BIM方案的能源性能进行统计分析显示，各方案间的差异具有统计显著性，但标准差相对较小，说明了数据的一致性。这一发现与Sajid等人关于BIM集成能耗模型可用于 robust 比较不同建筑策略的结论相符，也印证了替代填充材料在降低建筑全生命周期成本（LCC）和环境影响的潜力。

6. 结论

本研究成功地开发并验证了一个集成了BIM、Dynamo可视化编程和GBS能耗模拟的技术方法学流程，用于在建筑设计的早期阶段评估和优化能源效率。研究结果表明，采用含有工业废料（如石粉）的可持续建筑材料，可以显著改善建筑围护结构的热工性能。具体而言，Option 3（掺5% SD的再生混凝土）方案展现出最佳的综合性能，平均可降低织物热损失（FHL）21.96%，大幅降低总热能耗损失（HEL），并实现能源使用强度（EUI）降低3.10%和年均运营成本节约3.70%的效果。该研究的方法学框架基于国际标准，具有良好的适应性和可复制性，能够为不同气候区和规范背景下的建筑节能设计提供决策支持。研究成果对推动建筑行业向更加节能、低碳、可持续的方向发展，以及为相关公共政策和建筑规范的制定提供了重要的技术依据和科学参考。研究的局限性在于目前主要聚焦于三种主要气候类型和多户住宅建筑，未来可扩展至更多气候类型和建筑类型（如商业、工业建筑）的深入分析。