BIM技術在綠色建筑設計中的應用

■ 徐 莉 XU Li 朱少君 ZHU Shaojun

1 BIM技術及綠色建筑

1.1 BIM技術特點

BIM技術是以參數化三維模型為核心，將協調統一的信息運用到建設項目的規劃、設計、施工及運行維護，它是在項目建造前以參數化方式推敲其重要物理和功能特性的全新過程[1]。相比較于傳統技術，BIM技術具有以下顯著優點。

1.1.1 建筑空間的可視化

建筑項目空間關系復雜，各專業間又相互關聯，各種構件、設備交織在一起，通過完善直觀的BIM模型，可以將各專業各部分關系清晰地表現出來。空間的可視化便于建筑師對建筑功能關系的理解，并在設計調整前后對效果進行判斷和比較，也有利于建筑師直觀地對外展示和介紹設計方案。利用BIM建模軟件的實時更新功能，設計師可以直接從BIM模型中根據需要導出對應的平、立、剖面圖和節點大樣，大大方便了后期的變更且避免了重復工作，使深化設計得以快速高效實施[2]。

1.1.2 建設項目場地平整分析

“節地”是我國綠色建筑評價標準的重要指標，對于廢舊建筑盡量做到二次利用、二次開發[3]。在場地設計階段，要進行現場調查，因為原有建筑的形狀、占地面積和環境因素，會對場地的二次開發有一定影響。在設計前期階段，利用BIM建模軟件的地形工具，建立地形并調整，預先了解項目的土方量，再對方案進行優化，根據最優原則確定場地平整方案。相對于整體平整地形，此方案可節省土方量，使設計更合理，場地環境更豐富，在節約成本的同時，體現了與傳統規劃設計方案不同的綠色設計現念。

1.1.3 基于目標模擬的生態分析

雖然沒有BIM技術也能進行生態環境模擬，但與真實建筑物的變化發展是缺少關聯的，實質上只能呈現一種可視化效果。只有按先設計、再研究、最后模擬的一整套程序進行，才能實時準確地判斷建筑物的狀態。針對變化后的設計進行不同專業的分析研究，同時需要快速模擬出分析結果，以供業主及時決策。采用基于BIM技術的設計流程和方法，把分析跟設計兩個環節聯系起來，真正落到實處。綠色建筑設計是一個循序漸進、步步深入和具體到細節的過程，也是一個設計師跟工程師相互溝通的過程。運用BIM技術，設計師會提前對建筑的后續功能進行研究，改變傳統的設計順序，預先考慮建筑性能的結果，既滿足業主的使用需求，也可建設出符合標準的綠色建筑。

1.1.4 數據統計分析

在建筑信息模型中，存儲著建筑行業各專業相關數據資料。這些數據資料成為后續進行綠色建筑建設的數據支撐，在建設綠色建筑的過程中，不管涉及到哪個部門和工序，需要時可立馬從建筑信息模型存儲的數據庫中調取和使用數據。設計師在搭建信息模型的同時，也完善了模型數據庫，通過數據庫導出各類明細表，如門窗表、材料用量、房間報告和各功能分區的面積及百分比等，既快速又準確，可提前做出預算和控制成本。模型和數據存在關聯，對模型進行修改的同時，明細表也會被及時更新，節省了重新計算時間。

1.1.5 避免錯漏碰缺

在建筑的設計建造過程中，經常會遇到“錯漏碰缺”和“設計變更”[4]。建筑設計反復修改是行業常見的現象，現階段基于傳統設計的平面圖紙，所花精力雖不少，實際效果卻不滿意。問題也非出自一個專業，但出現問題最多的，主要還是設備管線綜合和結構碰撞，這也是目前BIM處理得最多的問題。在綠色建筑設計過程中，利用BIM軟件可以進行3D漫游技術，防止“錯漏碰缺”的情況出現，有效避免了代價高昂的工程返工和資源浪費。

1.1.6 專業協同設計

建筑行業是一個復雜的多元化行業，它的實施需要建筑結構和機電設備等不同專業互相配合，每個專業的技術人員都只是建筑工程中的一個工序，缺一不可[5]。為提高設計效率，需要有一條“線”，這種組織穿線的工作就是“協同設計”。利用BIM的網絡協同功能，各專業工程師在同一中心文件上工作，可分別擁有各自的副本文件，有利于各專業間在設計過程中的協同合作，極大地提高了工作效率和項目設計質量。

1.2 BIM技術發展

自“BIM之父”CHUCK Eastman博士于1974年提出“建筑描述系統”的概念[6]，即以建筑信息對建筑圖紙進行處理以來，BIM技術經歷了卓越的發展。

1987年，位于匈牙利的GraphiSoft公司提出虛擬建筑模型（Virtual Building Model）的概念，隨后不久，這一概念在其推出的ArchiCAD軟件中得以體現。這被視為BIM技術從概念到實踐的第一次嘗試[7]。

1996年，美國斯坦福大學的設施集成中心（CIFE）將時間參數加入虛擬建筑模型之中，從而使BIM技術由3D技術向4D技術發展[8]。

21世紀初，隨著計算機技術發展日趨成熟，眾多軟件研發企業涉足BIM技術。AutoDesk公司在2002年推出了Revit軟件，并在次年發行的《BIM白皮書》中，全方位闡述了建筑信息模型（Building Information Model）的概念，標志著BIM的研究和發展進入了白熱化階段[9]。

我國的BIM技術發展較晚，Bently公司于2002年向中國推廣其BIM軟件[10]，開啟了我國研究和使用BIM技術的篇章。此后一直到2010年，國內也只有諸如上海中心、鳥巢、水立方等大型政府主導項目采用BIM技術，而針對BIM技術的研究更是鳳毛麟角。隨著發達國家BIM指導與實施標準的相繼建立，其用戶的投資回報效益快速增長。2011年5月，住建部頒發《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》[11]，標志著我國對BIM技術的研究和應用已進入快速發展階段，綱要提出的行業發展總目標是推動信息化標準建設和加快BIM技術在實際工程項目中的運用。

1.3 綠色建筑發展

隨著 BIM 技術的快速發展，綠色建筑逐漸為人們所熟悉[12]。目前，全世界的能源都消耗巨大，節約能源、保護環境、保護地球、防止污染已經成為全球的共同目標。為了給我們子孫后代留一片藍天，一汪清水，我們必須盡力而為，我們提出了綠色建筑的新概念，并積極地研究、開發、實驗，其意義深遠。

綠色建筑設計是將各種適用的設備材料和技術集成的過程，是綠色建筑技術實現途徑的關鍵，而在建造綠色建筑的過程中，最為重要、最核心的就是技術的設計。對于實現綠色建筑來說，決策的有效性隨著建筑物生命周期的進行而不斷衰減的[13]。這里的決策有效性可以理解為決策對于最終建筑物性能的影響與實現決策所需的行動二者之間的關系。建造建筑是一項耗時耗力的工程，工期比較長，如果能較早地做出設計和決策，對于承包商來說，就可以較早地去采購和建設，也就縮短了工期，建筑物就可以較早地投入使用當中。決定越早，性能越高，因此，設計階段的決策相對于后續階段決策更加重要。

本文結合工程實例，總結BIM技術在綠色建筑設計過程中作用及不足，重點研究BIM技術在綠色建筑設計中的應用方法，展望未來BIM技術在綠色建筑設計行業的前景，為兩者在設計過程中的結合應用提供借鑒。

2 BIM技術運用于綠色建筑設計

目前，針對綠色建筑一體化的設計實踐相對較少，基于此，本文以三星級綠色建筑設計項目為例，與傳統2D設計方法進行對比分析，探討BIM技術與綠色建筑設計一體化的設計策略。通常分為兩個設計階段：首先是先建立BIM建筑模型，然后是對BIM模型進行模擬生態性能分析[14]。利用Autodesk Revit軟件建立建筑三維模型，依照說明設置建筑墻體、屋面、地面等部分的材料、厚度以及保溫構造參數。用Revit設計的模型有大量的數據和圖片，比較適合數據模擬。但在對建筑環境做模擬分析時，龐大的建筑構造和專業技術細節則顯得冗雜，且建筑環境分析需要使用房間體積等相關信息，而這類信息在建筑設計時是不常出現的。為加快建筑建模、分析及數據傳遞的速度，需要對模型進行數據簡化及修正，使之由建筑設計模型轉變為能滿足建筑生態模擬分析的模型。

BIM技術能很好地利用建模軟件，把各類信息參數化數字化，在此基礎上通過對模型分析反饋到模型中進行修改。導入各性能模擬分析軟件，進行生態模擬分析，根據建筑的采光、通風、防噪、能耗等進行模擬檢驗和推敲，充分地利用自然環境結合日照、風向、溫度、濕度等因素，滿足建筑需求，滿足綠色建筑在室內外環境和舒適度方面的要求，營造安全舒適的環境。

2.1 室內采光分析

2.1.1 傳統2D方法

建筑物的室內采光主要通過自然采光與人工照明相結合的方式來達到要求。室內自然采光主要依靠建筑外窗，而窗戶采光的局限性在于光照度隨著進深增加而迅速下降，且照度分布也很不均勻。為解決室內較深處自然采光不夠的問題，勢必需要增加窗戶高度及寬度，但這又受到房屋層高的限制，這是采用傳統方法的矛盾之一。當建筑室內相應部位光照度無法達到《建筑采光設計標準》（GB 50033—2013）要求時，就需要采用人工照明而獲得光照度。通常情況下，燈具數量是由設計人員根據總功率算得。但是照明燈具對室內光照度的影響不僅與其數量相關，還與燈具布設方式有關，若采用傳統方法，設計人員無法確定燈具最優布設方式，這是矛盾之二。

2.1.2 室內自然采光模擬分析

先評估現有自然采光效果，再分析室內主要功能使用空間的采光效果是否達到標準，并針對存在采光不足的可能性，提供優化設計方案，在設計上做到合理、經濟且能滿足工作需要。本項目模擬基于國家標準規定，對建筑設計施工圖紙進行簡化，建立模型，并根據可行性研究報告設定相關參數，模擬計算并分析判定是否達到《建筑采光設計標準》（GB 50033—2013）相關條文的規定。模擬使用軟件Ecotect 2010，該軟件功能全面、能提供交互式的分析方法并進行技術性能分析。本項目模擬使用其光環境分析模塊，依據設計圖紙進行全尺寸建模，模型尺寸與設計尺寸相符。對采光系數進行模擬的過程中，適當簡化模型，對采光影響較小的墻厚、窗框等構件參數不予考慮。圖1為研發樓三層自然采光模型。

根據設計情況，按條件模擬計算：采光系數選取最不利情況設定，采用全陰天模型，不考慮直射陽光因素，模擬時間為冬至日中午12點。先分析建筑物主要使用空間的采光效果，統計主要使用空間滿足GB 50033—2013的區域所占百分比，再分析整體采光效果，判斷是否達到國家標準的要求。以研發樓第3層為例說明采光模擬分析過程，其主要功能區域有辦公室、會議室等（圖2、3）。

對研發樓各功能區域自然采光效果進行模擬分析，結果顯示：本建筑外窗布置和樓層平面分布比較合理，辦公區域自然采光達標面積和公寓區域自然采光達標面積（表1、2），均能達到國家相標準。

圖1 研發樓自然采光模型圖

2.2 室內自然通風模擬分析

本項目采用CFD方法進行室內自然通風模擬分析，分析軟件采用PHOENICS2013，計算采用標準k-ε模型[15]。

項目位于市區西部，夏季主導風向為東南偏東風，室內自然通風主要針對夏季自然通風狀況進行分析。圖4和圖5分別給出了項目夏季迎面和背風面的表面風壓分布圖，可以看出，建筑迎背風面壓差較小，建筑表面壓差約為2～4Pa(不包括最高的鐘樓區域)，具備自然通風的條件。圖6～8是一層人員活動高度的空氣齡分布圖與風速分布圖，模擬計算結果表明：該層主要功能空間外窗開啟充分，室內空氣流動順暢，大部分區域空氣齡均保持在1 800s以下，即換氣次數大于2次/h，僅在西側房間內個別區域存在空氣流通死角，空氣齡較大，其余室內自然通風較好，滿足《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2006）的要求；該樓層室內空氣流速均在1.0m/s以下，滿足人員活動舒適需要，對人員活動不造成影響。

圖2 三層平面圖

圖3 采光模擬分析圖

良好的室內自然通風，可改善夏季室內人員的熱舒適性和有效擴散室內熱量。因冬季不存在建筑室外自然通風利用問題，故本項目只對夏季主導風向進行分析研究。為給建筑室內自然通風創造良好的條件，考慮建筑與夏季主導風向應呈一定夾角，并可利用熱壓與風壓共同作用，以促進室內通風。本項目選取建筑的典型樓層進行自然通風模擬分析，結果顯示：典型樓層的主要使用房間換氣次數均大于 2次/h，室內空氣齡保持在1 800s 以下，自然通風效果好，滿足國家標準。

2.3 場地環境噪聲模擬分析

本項目采用Cadna/A噪聲模擬軟件系統構建環境模型，對環境進行模擬分析。該系統是一套基于ISO9613標準方法，利用WINDOWS作為操作平臺的噪聲模擬和控制軟件。本項目道路噪聲參數設定根據新校區《建設項目環境影響評價報告》，對場地內的噪聲進行監測，以場地內的噪聲監測值作為模擬計算的邊界條件，道路噪聲值設定如表3所示。

表1 辦公功能區域達標面積比

表2 住宿功能區域達標面積比

圖4 建筑迎風面壓力分布圖

圖5 建筑背風面壓力分布圖

通過最不利原則對場地內環境噪聲進行模擬，結論顯示：建筑場地環境噪聲良好，主要活動區域環境噪聲能夠滿足國家 《聲環境質量標準》（GB 3096—2008）的I類聲環境功能區域噪聲要求。

圖6 一層人員活動高度空氣齡分布圖

圖7 一層人員活動高度風速云圖

圖8 一層人員活動高度風速矢量圖

2.4 建筑綜合能耗分析

2.4.1 傳統2D方法

傳統室內節能分析的方法基本是參考已有生態建筑設計的技術與案例，再將設計中的參數逐個錄入到軟件中去比對。這種模式下，分析整合數據的工作量非常大，不僅專業性很強而且工作相當繁瑣，另外，最大的問題還在于各專業之間無法做到協同設計，設計師在能耗模擬分析軟件上投入較多工作量。另外，由于綜合能耗分析只能安排在最終設計階段，無法直接作用于建筑模型，也使得設備工程師不能及時有效地為建筑師提供方案設計依據。

2.4.2 建筑綜合能耗分析

本項目采用e-QUEST軟件對建筑進行能耗模擬，根據設備工程師輸入的建筑材料、結構形式、室內人員的活動規律、光照信息和室內需要的溫度值等，軟件里的程序會分析計算出建筑一年大概消耗的能量，并可以用數據表格的形式表現出來。在本次模擬中，先設定利用能源的類型，再對建筑物的設備、照明和空調系統等進行能耗模擬分析，就可以把一整年的能量消耗數據顯示出來（圖9）。通過計算可知：本項目全年能耗為參照建筑的79.41%，與評價標準里的要求比對結果是合格的，即建筑設計總能耗低于國家批準或備案的節能標準規定值的80%。

3 運用BIM技術的優勢分析

在進行綠色建筑設計實踐過程中，建模并結合風、光、熱、聲等性能模擬進行太陽輻射和場地氣候分析，設計優化外墻和建筑物的體型布局，滿足綠色建筑評價標準。BIM 技術的作用在管線的碰撞檢查中尤為突出，可視化進行管線的排布，并進行施工模擬，有效解決傳統設計無法解決的問題，優化綠色建筑設計，其優點總結如下。

3.1 方案對比性能分析

（1）傳統的綠色建筑性能分析，是由專業技術人員手動輸入相應數據，需要修改時，數據錄入重新校對建模。利用 BIM 技術，只要將事先建好的模型直接導出，轉成相應的模擬分析文件，即可分析得出結果，極大地縮短性能模擬分析所用的時間。

表3 道路噪聲值設定

圖9 設計建筑和參照建筑年能耗比分析圖

（2）通過對場地環境、氣候因素等進行分析模擬，研討與環境和諧共生的綠色項目建議。項目開始前先對場地自然環境進行模擬，然后根據不同的建筑體量，從綜合能耗角度作進一步分析，最終選出最佳方案，有利于后續對方案進行深化，以實現綠色建筑的設計目的。

3.2 傳遞建筑模型信息

綠色建筑可以節約能源、保護環境，實現自然、建筑和人的和諧相處，這就需要綠色建筑設計能包含并傳遞完整且準確的建筑設備信息。利用BIM技術建立的模型，不僅包含了全生命周期中所有的準確信息，還可輕松實現信息傳遞。由此可見，兩者結合相得益彰。

4 結語

綜上所述，本項目貫徹綠色建筑節能和可持續發展的設計概念，利用Autodesk Revit建筑信息模型軟件和其它性能模擬分析軟件，將BIM技術與綠色建筑設計有機結合，提高了建筑設計的效能，促進了綠色建筑由理論走向現實，驗證了基于BIM平臺的綠色建筑設計方法確是行之有效的，其具體優勢體現在建筑模型更加直觀、立體、形象，各專業設計同步協同，變更減少，效率提升，設計意圖能夠表達充分。

綠色建筑是建筑未來的發展方向，是一個目標，而BIM 剛好是實現這個目標的手段和平臺。通過BIM技術使各專業協同設計，提升設計品質及促進系統整合，是綠色建筑發展的核心和趨勢，而有效推動綠色建筑發展，實現自然、建筑與人的和諧相處，將是中國建設領域未來發展的重要任務。