本文是一篇建筑论文，本文提出将 BIM 技术应用于建筑的被动式节能分析中去，改善传统的被动式节能分析中的弊端，提高分析效率。采用调研与模拟相结合的方法，首先分析了 BIM 技术应用于被动式节能研究的可行性，为后续研究提供了技术支撑；然后通过对图书馆进行实地调研，得出了适用于图书馆建筑的被动式节能策略；继而利用 BIM 技术对各被动式节能策略进行优化分析，得出最优参数或最优区间，运用遗传算法进行被动式节能策略的组合优化，得出图书馆建筑的最优节能方案。
1.1 选题背景和研究目的及意义
1.1.1 选题背景
（1）图书馆建筑的高能耗
中国目前处于城镇化进程的初级阶段，近几年来，每年竣工的建筑面积约为 20亿㎡，新建建筑面积已经超过欧美发达国家的总和，建筑能耗约占总能耗三分之一[1]。其中公共建筑由于其建设标准高、建筑功能和能源供应系统复杂、室内环境舒适度要求高等因素导致能耗水平尤其突出，其单位面积能耗从 16.8kgce/㎡增长到22.5kgce/㎡，能耗强度增长了约 34%。截止到 2015 年，中国共有 116 亿平方米左右的公共建筑，占据中国建筑总面积的 20.2%，建筑能耗水平达到 70～300。
而图书馆作为公共建筑的一种，秉承了其能耗较高的特性。并且随着国家大力推动文化教育事业，建设文化强国方针的落实，图书馆建筑的数量和建筑面积保持高速增长。通过查看 2017 年中国图书馆年鉴，并统计相关数据，得到 2006～2016年高校图书馆馆均建筑面积图（872 所高校图书馆）、高校图书馆在建新馆馆均建筑面积图（128 所高校图书馆）以及我国公共图书馆的数量变化情况图，详见图 1-1、1-2：（馆均建筑面积是指每年统计的所有图书馆的平均建筑面积，在建新馆馆均建筑面积是指每年统计的所有新建图书馆的平均建筑面积）
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1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 被动房国内外研究现状
（1）被动房国外研究现状
1988 年，阿达姆森教授等[6]在对低能耗建筑的研究过程中，率先提出了被动房的概念。之后德国建立了专门的“被动房”研究所（PHI），对被动房在本国的应用积极探索，分析适用于不同地区的被动式节能策略。德国被动房作为超低能耗建筑的重要参考指标，已经被绝大多数国家认可和接受，世界各国政府和学者纷纷研究适用于本国不同气候和建筑类型的被动式节能策略，建立本国的被动式节能标准，具体所做研究及成果如下：
2001 年，G.C.Bakos[7]分析使用特朗伯墙被动式太阳能采暖系统和电热蓄热地板共同作用来满足住宅建筑供暖的可行性，并研究其最优控制方法。2015 年，Jürgen Schnieders 等[8]通过对新加坡、上海、东京等全世界代表城市进行热湿动力学模拟，得出在世界上任何气候区域都可以实现被动式节能建筑。Tettey 等[9]以瑞典南部的多层住宅建筑为分析对象，分析不同设计策略在减少供暖和制冷能耗方面的影响。Blight T S 等[10]人研究了居住者行为对住宅建筑供暖能耗的影响，结果表明被动房对居住者行为的敏感度较低。Kurian 等[11]利用 BIM 技术对一个三层办公楼进行建模，作为分析对象来研究围护结构与建筑能耗的内在联系。
2016 年，Dan D 和 Tanasa C[12]在蒂米斯瓦拉的波利特尼卡大学通过一个实验项目来研究适用于罗马尼亚气候的被动式节能策略，证明被动房在温带气候区的可行性。Guo S J 等[13]利用 BIM 技术对国立台湾大学土木工程研究大楼进行能耗分析，并研究建筑围护结构对建筑能耗的影响，对该建筑的围护结构进行优化。
2017，Roberto Bruno 等[14]研究在地中海气候下适用于房屋的被动式节能策略，通过分析得出提高围护结构的热工性能或增大南向窗户的窗墙比能够显著改善室内舒适度，降低建筑能耗。Truong H 等[15]以堪培拉的一所普通住房为例，研究利用太阳能增益、高热容维护结构和自然通风来改善室内的舒适度。PabloLa Roche等[16]研究采用了变保温策略的绿色屋顶的节能潜力，结果表明变隔热系统能够调节屋顶的热容量。No S T 等[17]以新建公共图书馆作为分析模型，利用基于 BIM 的能源分析软件对建筑节能率进行评估。
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第 2 章 BIM 技术引入建筑的被动式节能研究
2.1BIM 技术应用于建筑中的特点
2.1.1 可视化
在“大数据时代”如何收集建筑信息，并加以分析，最后以最直观高效的可视化方式呈现给技术人员，进而提高管理和决策效率，这无疑是至关重要的。
而 BIM 最直观的特点便是三维可视化，BIM 技术通过将海量的建筑信息整合到 3D 模型里面，将过去的线条式构件转换成三维的立体实物模型展示在人们的眼前，更加直观的展示空间布局与建筑实际状况。让点、线、面变成了墙、梁、柱、门、窗，使得项目参与各方能够对建筑整体一目了然，详见图 2-1。当然，三维渲染图与其相比是不可同日而语的，渲染效果图是由专门的效果制作团队通过识别设计出的 CAD 线条信息制作出来的，而不是通过模型构件的信息自动生成的，缺少了与模型构件之间的反馈性和互动性。而 BIM 技术所具有的可视化则是一种能够同构件之间形成反馈性和互动性的可视，而且建筑中的构件还通过数字化、参数化的概念包含了建筑几何信息及属性，使设计、施工、运维、业主等各参与方都可以借助这些数据所分析出的结果对整个项目的质量、进度、成本等进行控制。
总而言之，BIM 三维可视化模型大大提高了参与各方的沟通效率，降低了交流协调障碍，为科学高效的决策提供数据支持。
2.1.1 可视化
在“大数据时代”如何收集建筑信息，并加以分析，最后以最直观高效的可视化方式呈现给技术人员，进而提高管理和决策效率，这无疑是至关重要的。
而 BIM 最直观的特点便是三维可视化，BIM 技术通过将海量的建筑信息整合到 3D 模型里面，将过去的线条式构件转换成三维的立体实物模型展示在人们的眼前，更加直观的展示空间布局与建筑实际状况。让点、线、面变成了墙、梁、柱、门、窗，使得项目参与各方能够对建筑整体一目了然，详见图 2-1。当然，三维渲染图与其相比是不可同日而语的，渲染效果图是由专门的效果制作团队通过识别设计出的 CAD 线条信息制作出来的，而不是通过模型构件的信息自动生成的，缺少了与模型构件之间的反馈性和互动性。而 BIM 技术所具有的可视化则是一种能够同构件之间形成反馈性和互动性的可视，而且建筑中的构件还通过数字化、参数化的概念包含了建筑几何信息及属性，使设计、施工、运维、业主等各参与方都可以借助这些数据所分析出的结果对整个项目的质量、进度、成本等进行控制。
总而言之，BIM 三维可视化模型大大提高了参与各方的沟通效率，降低了交流协调障碍，为科学高效的决策提供数据支持。
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2.2BIM 应用于建筑被动式节能研究的可行性分析
鉴于 BIM 技术应用于建筑中的特点及优势，本节在传统的被动式节能分析的基础上，将 BIM 技术和被动式节能分析有机的结合起来，改革传统的被动式节能分析中存在的弊端和不足，探讨一种新的基于 BIM 技术的被动式节能分析方式，提高被动式节能分析的效率和质量。
为了研究 BIM 应用于被动式节能分析的可行性，其中最重要的一环便是确保建筑信息能够实现数据共享（最好是无损传递），即保证建筑信息模型在 BIM 建模软件与 BIM 可持续分析软件之间的传递效果，并在此基础上选择建模便捷的 BIM建模软件和可用于多种被动式节能分析的 BIM 可持续分析软件。
经过大量查找期刊、博硕士论文和其他网上资料，并向设计院发放调查问卷，统计得到不同的 BIM 建模软件性能数据，详细数据见表 2-2：
鉴于 BIM 技术应用于建筑中的特点及优势，本节在传统的被动式节能分析的基础上，将 BIM 技术和被动式节能分析有机的结合起来，改革传统的被动式节能分析中存在的弊端和不足，探讨一种新的基于 BIM 技术的被动式节能分析方式，提高被动式节能分析的效率和质量。
为了研究 BIM 应用于被动式节能分析的可行性，其中最重要的一环便是确保建筑信息能够实现数据共享（最好是无损传递），即保证建筑信息模型在 BIM 建模软件与 BIM 可持续分析软件之间的传递效果，并在此基础上选择建模便捷的 BIM建模软件和可用于多种被动式节能分析的 BIM 可持续分析软件。
经过大量查找期刊、博硕士论文和其他网上资料，并向设计院发放调查问卷，统计得到不同的 BIM 建模软件性能数据，详细数据见表 2-2：
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3.1 图书馆的功能特征分析 .............................. 23
3.2 图书馆建筑的空间布局特征分析 ................................ 24
3.3 图书馆建筑的使用特征分析 ....................................... 26
第 4 章 基于 BIM 的图书馆建筑被动式节能优化分析 ............................. 35
4.1 基于 BIM 的图书馆建筑场址和布局优化分析 ............................... 35
4.1.1 场地分析 ................................... 35
4.1.2 气候数据分析 .................................. 36
第 5 章 基于 BIM 的图书馆建筑被动式节能设计应用 ................................ 86
5.1 图书馆原方案概况 ....................................... 86
5.1.1 图书馆原方案基本信息 ............................. 86
5.1.2 图书馆原方案 BIM 模型的建立 .............................. 87
第 5 章 基于 BIM 的图书馆建筑被动式节能设计应用
5.1 图书馆原方案概况
5.1.1 图书馆原方案基本信息
利用 GIS 软件得到现有图书馆建筑的周边地理环境信息图，其地理位置见图5-1：
5.1.1 图书馆原方案基本信息
利用 GIS 软件得到现有图书馆建筑的周边地理环境信息图，其地理位置见图5-1：
哈工大二校区图书馆建筑坐落于南岗区黄河路，为二校区中心位置，南侧为哈工大主楼，北侧靠近学生公寓，东侧为网球场。其建筑场地南高北低，高差为 2m，较为平整。
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针对图书馆建筑能耗较高的问题，本文提出将 BIM 技术应用于建筑的被动式节能分析中去，改善传统的被动式节能分析中的弊端，提高分析效率。采用调研与模拟相结合的方法，首先分析了 BIM 技术应用于被动式节能研究的可行性，为后续研究提供了技术支撑；然后通过对图书馆进行实地调研，得出了适用于图书馆建筑的被动式节能策略；继而利用 BIM 技术对各被动式节能策略进行优化分析，得出最优参数或最优区间，运用遗传算法进行被动式节能策略的组合优化，得出图书馆建筑的最优节能方案。
本文得出的结论主要有以下几点:
（1）通过调研分析，发现建筑模型的几何信息在 BIM 建模软件和 BIM 可持续分析软件之间传递效果良好，而属性信息传递效果较差；同时得出图书馆的能耗主要源于以下几方面：建筑选址不当、建筑体形系数过大、窗墙比不合理、大面积采用玻璃幕墙、中庭设置不当、遮阳设施缺少或设计不合理、照明要求较高、过于依赖暖通空调进行调节等。#p#分页标题#e#
（2）哈尔滨地区最佳建筑朝向为南偏东 17.5°；在进行太阳能光伏发电时，光电板的最佳朝向设置为南偏东 15°左右，最佳倾斜角度设置为 40°左右，此时单位面积太阳能光电板的全年发电量为 155.6kW?h。
（3）哈尔滨地区建筑体形系数、窗墙比与制冷和采暖能耗指标之间存在较好的线性关系，呈正相关。建筑体形系数和窗墙比对暖通空调能耗面积、体积指标的影响程度大小均为：总能耗>采暖能耗>制冷能耗，其中采暖能耗指标随体形系数的变化速度是制冷能耗指标的 4 倍左右，随窗墙比的变化速度与制冷能耗指标基本一致。
（4）哈尔滨地区建筑采暖能耗指标与外窗气密性、围护结构传热系数之间存在较好的线性关系，其敏感度强，而制冷能耗对外窗气密性、围护结构传热系数的敏感度较弱，几乎不受影响。外窗渗透换气次数每增加 1ac/h，全年采暖能耗面积指标增加 42.9kW?h/㎡。
参考文献（略）
