建筑节能复合材料应用

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摘要:随着建筑工程项目的生产和建设要求越来越多样化和高效化，传统建筑材料和系统设计模式已经难以满足现代建筑工程设计要求。对新型建筑材料玻璃纤维增强复合塑料(GFRP)的性能和在建筑工程节能中的具体应用进行介绍。针对建筑工程多专业协同设计特点，提出BIM技术协同设计及三维建模过程。并使用AutodeskRevitMEP2013软件，结合给排水管道系统设计要求进行建筑信息模型建模，利用软件内置碰撞检查功能，对管道系统敷设方式进行初步优化。

关键词:建筑信息模型;玻璃纤维增强复合材料;三维仿真;协同设计

随着计算机技术、电子信息技术等的发展，世界已逐渐从工业时代进入信息时代，信息技术使航空航天、机械制造、电子科技等各行业的运作方式发生了巨大变革，在生产效率、产品质量和科技含量等方面均取得大幅度提升［1－2］。而建筑工程作为一个各国生产总值占比极大的行业，其资源利用率、能源消耗率和生产效率却没有达到应有的状态，据美国建筑科学研究院(NIBS)研究结果显示，美国2015年建筑工程规模为21800亿美元，其中非增值工作量超过40%，而同年制造产业非增值工作量为21%，若建筑工程能将非增值工作量与制造产业持平，则每年可节约产值约为4000亿美元［3］。研究发现，行业发展水平的高低主要依赖于其产业生产流程及相关技术应用程度，而对于建筑工程行业而言，一个完整的建筑工程项目在设计过程中通常被分为建筑、结构、电气、给水排水系统和供暖几个独立的部分进行，由于专业不同和部门间信息不流通，导致项目信息交互过程容易出现问题，因此工作效率下降［4－5］。建筑信息模型(BIM)技术是以三维数字模型文件和计算机集成技术为基础，通过建立建筑信息数据模型，搭建项目各参与方协同合作平台，解决项目中不同部门异构性问题，实现对建筑工程各个生命阶段的全局信息共享，为建筑工程的设计、建造等方面提供集成管理环境，能够有效提高建筑工程的生产和管理效率［6］。我国的建筑工程目前还主要集中在基础建设上，其生产效率和管理水平较低，具有较大的优化发展潜力。本文提出一种基于BIM技术的建筑工程协同设计方法，并结合玻璃纤维增强复合材料，对其在建筑节能方面进行研究。

1复合塑料材料在建筑工程节能中的应用

1.1复合塑料材料性能介绍

使用复合塑料材料作为现有建筑改造及新建建筑施工的构件原料，能够很大程度上降低建筑能耗，节约资源。其中玻璃纤维增强塑料(GFRP)是一种由合成树脂为基体材料，玻璃纤维为增强材料，经过多层工艺制成的新型复合材料［7］。GFRP作为建筑材料具有以下性能特点:(1)力学性能优异，GFRP材料质轻，同时强度高、抗疲劳性和减振性好，适合作为承力构件;(2)设计性好，GFRP材料采用注塑成型工艺，导致其结构、尺寸和性能具有较强的可塑性，通过GFRP材料内部纤维含量及分布的变化，可以强化纤维材料作用效果，加强材料性能;(3)耐受性强，GFRP材料由于表面电阻较大，其耐化学腐蚀性和耐候性较强，具有更长的使用寿命;(4)隔音效果佳，GFRP材料阻尼性能较好，能够起到隔音作用;(5)电性能优，GFRP材料介电性较好，在一定宽度范围内的透波性能优良，同时绝缘性较好。

1.2复合塑料材料在建筑工程节能中的具体应用

GFRP材料在建筑工程节能中的具体应用包括以下几个方面:(1)建筑给水排水管道系统，与常用的金属和钢筋混凝土材料相比，GFRP材料由三层结构组成，其中内衬层为树脂材料，摩擦阻力小、能耗低且耐腐蚀性强，在相同半径或能耗条件下，输送能力比金属管高20%以上，结构层为玻璃纤维增强材料，强度和弹性模量大，是结构中的承力作用层，外保护层为其他材料，起二次保护作用。另外，GFRP材料质量轻，施工费、安装费和材料成本均较低，生产能耗小;(2)建筑门窗，建筑工程中能耗一半以上是通过门窗损失的，因此门窗材料的选择和施工是建筑节能的关键。GFRP材料拉伸强度达360MPa，弯曲强度达270MPa，能够弥补铝合金等金属材料强度差、易变形等缺陷，热绝缘系数达9.96m2•K/W，具有较好的隔热、隔音作用，热变形温度为200℃，在室内外温差较大时不易产生缝隙。同时优质GFRP材料有害物质含量在国家规定的限定范围内，符合绿色建材推广要求，是建筑门窗材质的良好选择。(3)其他建筑构件，包括停车场地板、通风橱、水箱、屏蔽房、电缆桥架等。

2建筑工程BIM技术协同设计及建模

2.1建筑工程

BIM技术协同设计协同设计是指针对工程项目创建信息分享平台，对不同专业的信息资源进行整合及文档归置，通过软件将信息数字化，并赋予各成员不同查看及调用信息权限，以达到专业协同，信息协同，设计、施工及消费者三方协同，共同完成设计目标的目的，其最大特点是允许多名参与方对同一项目进行处理，协同性强［8］。BIM技术将建筑工程设计中的多专业协同设计从二维平面图纸转向三维仿真，通过软件技术支持，将建筑项目参与各方通过BIM模型实现信息集成及实时传递共享，具有传统设计方案无法比拟的优势。为了更好完成BIM技术的协同设计，需要建筑工程项目中各独立部门相互配合，遵循规定的工作流程，确保设计过程顺利有序进行。首先应建立BIM技术信息交换平台，然后确定所需的硬件和软件，完成BIM模型的构建。其中可在三维设计软件操作界面中设计参数，并将信息共享，不同参与方根据整体参数调整自身专业设计，随时更新和调取最新模型，使最终设计能够满足实际生产要求，并最大程度提高设计效率。BIM技术在建筑设计过程中的应用优势包括:(1)能够将建筑工程的实际信息转化为参数设置，进行编辑、修改和建模，同时信息内容含量增大，由二维图像几何信息转变成覆盖材料类型、物理特性等三维非几何信息;(2)BIM模型的使用贯穿于整个建筑工程的生命周期中，能够跟进项目进度，使各参与方均能及时了解项目的最新信息，设计成果能直接在协同设计平台分享，提高建筑工程项目的决策质量和生产效率。

2.2建筑工程

BIM技术设计三维建模过程本文选用Autodesk公司的AutodeskRevit系列软件作为三维参数设计平台，该系列软件具有智能设计、能够实现参数化管理和提供沟通平台的设计优势，不仅能在可视化条件下实现协同设计，还能够在设计及施工过程中及时针对出现的问题调整参数，提高施工质量及效率。AutodeskRevit系列包括三种主要软件类型:RevitArchitecture，即针对建筑设计，能够进行建筑物参数化建模，通过软件内部良好的数据驱动功能，将建筑物体不同功能构件的参数设计信息进行输入及储存至数据库，并直接生成设计图纸，方便用户进行成本预算估计;RevitStructure，即针对结构设计，能够提供结构构件数据库满足设计需要;RevitMEP，即针对设备、电气及给排水管道等的设计，包含管道线路系统位置参数、材料参数等所有相关信息，能够根据建筑配套设备的管道线路系统设计特点进行建模，使其综合排布和空间构造更加合理，另外还能和Navisworks软件共同用于完成不同管道布置的防碰撞问题。RevitArchitecture软件新建项目中均以项目样板为单位，可直接在其中添加、修改参数信息，同时软件内置数据库中包含项目样板初始参数，可简化BIM建模中参数设计过程，提高设计效率。RevitArchi-tecture软件中BIM模型构建工具包括视图控制工具，即根据不同要求控制显示BIM模型的不同截面、投影，如三维视图、俯视图、剖面图等，同时可在不同视图间实现随时切换、缩放、平移等操作，还可以对视图拉取信息列表进行参数及属性查看;原图修改编辑工具，即用于对原图进行修改、编辑等操作。BIM建模准备工作包括建立工作集，即各专业根据设计需求建立工作集并设置权限，方便进行内容管理;创建标高和轴网，即绘制通过标高及轴网获取空间定位信息，建立构件间的相对空间关系;载入族文件，即通过系统族及可载入族两种族文件形式，创建项目模型及注释等基本图元。BIM建模具体过程为:第一步利用系统族文件和系统工具创建建筑工程的主要墙体三维模型，定义墙体类型及参数，完成墙体和结构柱在二维平面及三维立体视图中的布设显示及基本构件的创建;第二步添加其他构件，Revit系列软件内置大量不同种类构件族文件样板，可供用户直接调用和创建，建模完成。

3BIM技术建筑节能复合材料的应用实例研究

3.1BIM技术和给排水专业协同设计

本文采用AutodeskRevitMEP软件结合建筑工程中的给排水管道系统进行BIM技术协同设计。具体过程为:(1)创建项目，打开AutodeskRevitMEP2013软件操作界面，新建MEP中心项目文件，选择样板文件，设置构件相关信息，使用监视功能监控文件中关键图元信息，创建建筑工程给排水管道系统BIM模型;(2)创建视图，以建筑楼层为基础，对每个楼层给排水管道进行绘制，绘制完成后，将其连接成整体，形成建筑工程给排水管道系统平面视图及三维视图，软件具有过滤器功能，用于隐藏对当前编辑视图造成影响的其他图元，便于图像编辑;(3)创建中心文件，用于存储不同参与方设计的所有内容，中心文件可根据部门划分为不同工作集，通过权限设置协同文件调用规范性。

3.2给排水管道系统模型建立

给排水管道系统模型建立过程包括:(1)基本设置，将给排水管道系统构件加载至MEP软件实现参数设置，通过“机械设置”对话框界面编辑参数;(2)管道敷设，可将给排水管道系统CAD二维平面图纸链接至中心文件中，作为创建BIM模型的空间相对位置定位参考，在软件标准件数据库中调用设备型号，根据实际施工需要选择合适的GFRP材料，载入族文件，设置管道构件类型及属性，然后对管道系统进行铺设，打开“常用”选项卡，根据“机械设置”中设定的要求选择绘制管道类型，最后将管道和设备通过管线连接，在合适位置放置管路附件;(3)管道防碰撞检查，在完成给排水管道系统BIM模型建立后，需根据管道与设备间的三维构图，利用RevitMEP软件“协作”运行功能区的“碰撞检查”功能对话框，对设计中是否存在碰撞问题进行初步考量并调整。

4结语

我国作为能源消耗大国，其中建筑工程能耗占我国能源消耗总量的30%以上，因此建筑节能是建筑工程主要研究方向之一。GFRP材料以其优异的理化和节能性能，成为目前市场前景良好的新型建筑材料。本文对GFRP材料性能和在建筑工程节能中的具体应用进行介绍，并提出建筑工程BIM技术协同设计及三维建模过程，以给排水管道系统BIM建模为例，对其建模过程进行说明，为未来建筑工程BIM技术多专业协同设计的研究提供基础。

参考文献

［1］高兴华，张洪伟，杨鹏飞．基于BIM的协同化设计研究［J］．中国勘察设计，2015，22(1):77－82．

［2］贾爽，沈小威，张保刚．基于BIM技术的绿色建筑设计应用分析［J］．山西建筑，2016，42(10):209－210．

［3］方拓．浅谈节能环保材料与屋顶绿化技术在建筑节能设计中的应用［J］．科技传播，2010，31(24):240－241．

［4］曾旭东，赵昂，ZENGXD，等．基于BIM技术的建筑节能设计应用研究［J］．土木建筑与环境工程，2006，28(2):33－35．

［5］刘晴，王建平．基于BIM技术的建设工程生命周期管理研究［J］．土木建筑工程信息技术，2010，12(3):40－45．

［6］孙维，李晓理，王伟．基于多模型的非线性系统自适应最小方差控制［J］．控制理论与应用，2002，19(4):639－643．

［7］郭明林，莫华林，耿运贵，等．玻璃纤维增强复合材料在建筑节能中的应用［J］．工程塑料应用，2008，36(5):47－50．

［8］朱记伟，郑思龙，刘建林，等．基于BIM技术的城市综合管廊工程协同设计应用［J］．给水排水，2016，17(11):131－135．

作者：王娟 苏红艳 单位：郑州工程技术学院 鹤壁职业技术学院