基于BIM的綠色節能建筑施工管理研究

艾永飛 劉傳陽 張珉

摘要：對比傳統建筑施工和綠色節能建筑施工的異同點，梳理出綠色節能建筑施工特點;然后從綠色施工的特點出發，利用BIM對傳統施工流程進行優化。最后，以中國-丹麥科研教育中心綠色示范工程為例，介紹了BIM技術在綠色施工中的應用。

Abstract： Firstly， compared with the similarities and differences of the traditional construction and green building construction，the construction characteristics of green building are put forward. Then the traditional construction process is optimized with BIM according to the characteristics of green building. Finally， taking the example of green demonstration project of China - Denmark research and education center， the application of BIM technology in green construction is introduced.

關鍵詞： 綠色節能建筑;施工管理;BIM

Key words： green building;construction management;BIM（Building Information Modeling）

中圖分類號：TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0007-05

0 ?引言

綠色節能建筑施工是指在保證工程安全、質量前提下，在施工中做到“四節一環保”，通過科學管理和有效技術措施，最大限度地節約資源和減少對環境的負面影響，保護施工人員的安全與健康，從而建設資源節約型、環境友好型社會的施工方式[1]。如今，快速的城市化進程、巨大的基礎建設量、自然資源及環境的限制決定了中國建筑節能工作的重大意義和時間緊迫性[2]。然而，國內施工企業綠色施工過程仍存在綠色施工觀念淡薄、施工技術落后以及綠色施工管理不力等問題[3][4][5]。這和企業綠色施工過程仍采用傳統方法，較少涉及綠色管理內容有很大關聯[6]。如此重要的管理內容必然要求有好的施工流程做支撐。從綠色施工的特點出發，在傳統施工流程的基礎上引進BIM技術以優化施工流程，可為綠色節能建筑施工提供一種新的思路。

1 ?綠色節能建筑施工管理研究現狀及施工特點

1.1 綠色節能建筑施工研究現狀

目前國內對綠色施工管理研究及實踐以項目管理為基礎，將全壽命周期與可續發展的思路運用于綠色工程的施工實踐中[7]。傳統的建設項目一般可以劃分成：決策階段、初步設計階段、施工圖設計階段，招投標階段，施工階段以及竣工驗收階段，從項目的全壽命周期來看，傳統施工的決策階段為概念階段，初步設計到招投標為設計階段，施工及竣工為施工階段，此后轉交業主，退出運營階段，如圖1所示，文獻[8]在考慮到這種流程對綠色施工考慮不足的基礎上，列出了綠色建筑施工全壽命期內綠色管理重點內容。本文選取國內外綠色建筑施工案例和文獻進行了深入研究，包括北京某奧運場館、深圳市康沃工業園、廣西欽州市公安局指揮中心綜合樓工程等。從施工目標、施工出發點、著眼點，效果以及效益觀五個方面分析了兩者的差異，與傳統施工相比，既有相同點，又有很大的不同，見表1。

1.2 綠色節能建筑施工特點

從綠色施工與一般建筑施工的差異出發，結合國內外的綠色施工文獻[9][10]以及所在工程的實踐，總結出綠色施工如下4個特點：

①以客戶為中心，重點考慮建筑的環境屬性。

傳統建筑是以進度、質量成本作為主要控制目標，而綠色建筑的出發點是節約資源、保護環境，滿足使用者的要求，以客戶的需求為中心，管理人員需要更多地了解客戶的需求、偏好、施工過程對客戶的影響等，此處的客戶不僅僅包括最終的使用者，還包括潛在的使用者和自然。傳統建筑的建造和使用過程中消耗了過多的不可再生資源，給生態環境帶來了嚴重污染，而綠色建筑正因此在傳統建筑施工目標上基礎上，優先考慮建筑的環境屬性，做到節約資源，保護環境，節省能源，講究與自然環境和諧相處，將環境破壞程度降到最低，將不利影響轉換為有利影響;同時為客戶提供健康舒適的生活空間，以滿足客戶體驗為另一目標。最終的綠色建筑不僅要交付一個舒適、健康的內部空間，也要制造一個溫馨、和諧的外部環境，最終追求“天人合一”的最高目標。

②全壽命周期內，合理優化用能結構 [11]。

不同于傳統的建筑，綠色建筑是針對建筑的全壽命周期范圍，從項目的策劃、設計、施工、運營直到筑物拆除，所以綠色建筑的概念是貫穿建筑物的全壽命周期。在設計時提倡被動式建筑設計，通過建筑物本身來收集、儲蓄能量（而非利用耗能的機械設備）使得與周圍環境形成自循環的系統，在全壽命期內，最大限度利用被動式節能設計（Passive Design）與可再生能源。這樣能夠充分利用自然資源，達到節約能源的作用。設計的方法有建筑朝向，建筑保溫，建筑體形，建筑遮陽，最佳窗墻比，自然通風、自然采光等等。在建筑的運營階段如何降低能耗，需要盡量使用可再生的能源，例如合理利用光能、風能、地熱等。

③注重全局優化，保證施工目標均衡。

綠色建筑從項目的策劃、設計、施工、運營直到筑物拆除過程中追求的是全壽命周期范圍內的建筑收益最大化，是一種全局的優化，這種優化不僅僅是總成本的最低，還包括社會效益和環境效益，如最小化建筑對自然環境的負面影響或破壞程度，最大化環保效益、社會示范效益。綠色施工雖然可能導致施工成本增大，從長遠來看，將使得國家或相關地區的整體效益增加，但這種增加也是有條件的，建設過程有各種各樣的約束，進度、費用、綠色環保等要求，可以將以價值工程作為優化基礎保證施工目標均衡[12]，通過采取技術經濟措施，做到一次投入，全壽命期內受益。

④重視創新，提倡新技術、新材料、新器械的應用[13]。

綠色建筑是一個技術的集成體，在實施過程中會遇到諸如能源優化、污水處理、管線的優化、采光設計等的技術問題。相對于傳統建筑，綠色節能建筑在技術難度，施工復雜度，以及風險把控上都存在很大的挑戰。這就需要利用多種先進技術、新材料及新器械，以可持續發展為原則，追求高效能、低能耗，將同等單位的資源在同樣的客觀條件下，發揮出更大的效能。國內外實踐中應用較好的技術方法有BIM、采光技術、水資源回收利用等技術。這些新技術應用不僅可以提高施工效率，最重要的是可以解決傳統施工無法企及的問題。因此，綠色施工管理不僅需要理念上的轉變，而且還需要施工工藝和新材料和器械的支持。

2 ?基于BIM及價值工程的施工流程優化

通過綠色施工與傳統施工的對比，可以看出在綠色專項的全生命周期管理上需要引起重視，可以通過建立綠色建筑施工組織專項規劃將綠色管理部分予以安排，明確實現綠色專項的功能的方法及流程。鑒于BIM技術強大的建模、數字智能和專業協同性能以及國際上10余年工程建設實踐中低投入高回報的優勢[14]，從綠色建筑施工的特點出發，可以將BIM技術作為綠色施工中的一項新技術應用于綠色建筑的全壽命周期中，對傳統施工流程進行優化，以期解決綠色管理問題，如圖2所示。

2.1 BIM概念及其價值

建筑信息模型（Building Information Modeling ，BIM）技術是建設項目的兼具物理特性與功能特性的數字化模型，且是從建設項目的最初概念設計開始的整個生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源[15]。它是一項近年來出現的，引領建筑數字技術走向更高層次的新技術，是繼“甩開圖板轉變二維計算機技術繪圖”之后的又一次建筑設計技術手段的革命，在國際上已成為工程建設領域的熱點。據統計，到目前，美國已經有半數建筑企業應用了BIM相關的軟件，歐洲挪威、芬蘭的使用率更高達70%，亞洲的新加坡由政府以建筑行業BIM電子報批為抓手從2013年開始全面推動BIM技術;我國自2007年起也在逐漸推進BIM應用，在一大批世界矚目的工程上應用了BIM技術，如北京奧運水立方場館、上海世博文化中心、國家電力館等。2015年住建部出臺了《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，指出以國有資金為主的大中型建筑以及申報綠色公共建筑以及綠色示范小區，其BIM技術應用率應達到90%以上。

BIM技術的價值主要體現在BIM的3D展現能力、BIM的精確計算能力以及BIM的協同溝通能力上，據普華永道對BIM技術在國內外的工程應用可以看出，BIM技術可使建設周期縮短5%（其中，溝通時間減少30-60%，信息搜尋節約50%），成本減少5%。基于BIM的價值可以在傳統建筑施工上產生新的變化：

①新理念的產生。

BIM協同的能力可使得建筑設計、施工、運營維護的過程全集于BIM平臺上，可形成建筑全壽命周期理念，類似還可以形成建筑知識管理理念、新的建筑認知體系等。

②資源的重新整合和配置。

BIM技術是以數字為基礎，可以結合“大數據”、“云計算”等技術做好資源的動態管控，實現資源的重新整合和配置。

③新的思維及工作方式。

BIM技術“所見即所得”的思維理念會對建筑施工帶來新的改變，如3D虛擬模型及衍生的nD功能（4D動畫，5D造價……）等，思維改變也必將帶動工作方式的變化。

2.2 BIM技術在綠色建筑全壽命周期內的應用

鑒于BIM的3D展現能力、精確計算能力以及協同溝通能力，將其應用到綠色建筑中可以很好地體現出綠色建筑的特點。借鑒國內外BIM技術在的綠色建筑施工管理中取得的好的實踐，將BIM技術應用于綠色建筑的全壽命周期中 [16][7]。（表2）

3 ?案例應用

3.1 工程概況

中國-丹麥科研教育中心綠色示范工程（下稱中丹綠色工程）為丹麥全額捐建，是其在中國投資的第一個科研教育建設項目，為地下一層，地上五層，局部六層建筑，面積10865.48㎡。本工程由中鐵建工集團承包，工程造價為9310萬元，已于2017年底竣工。該工程在項目決策、設計、施工過程中嚴格落實LEED的綠色施工要求。項目部本著可持續發展的理念精心策劃，科學組織綠色施工，在全壽命期內應用了BIM技術，應用情況見圖3，收到了很好的工程效益和經濟效果，另外，本工程的BIM技術應用還獲得了第二屆中國建設工程BIM大賽卓越工程項目獎一等獎。以下對BIM技術在綠色建筑各階段中的應用做重點介紹。

3.2 BIM技術在綠色節能建筑施工中的應用

項目部成立BIM技術小組，使用Revit 2014三維建模工具，MS Project2010進度管理軟件以及Naviswok 2014軟件以及Ecotect 能耗分析軟件實現三維建模、進度模擬、管線碰撞、內部漫游、工程算量以及建筑用能模擬等功能。具體的：

通過BIM技術的應用，在決策階段，在技術方案中，按照客戶對綠色建筑的需求，建立建筑的3D模型，使得各參與方對綠色建筑從一開始就對建筑的內外環境有直觀便捷的認識，在對后期建筑設計、施工、運維等方案的認識上更容易達成一致，同時也便于對外展示，起到很好的示范宣傳作用，圖4為中丹綠色工程前期策劃的內外部環境。此階段BIM技術應用充分體現了綠色施工以客戶為中心，考慮建筑的環境屬性的特點。

在設計階段，利用BIM技術進行了3D建模，能量模擬、漫游，及管線碰撞等試驗，其中：在建模中充分考慮了被動節能設計，預留了采光通風通道，也通過漫游的應用分析對比并不斷優化設計方案，如圖5（左）為深度優化設計方案;進行了能量模擬，對建筑的節能情況進行了分析，對不合理之處進行改進，如圖5（中）;碰撞試驗解決主體、結構、水電、暖通等不同專業設計圖紙的融合，在碰撞試驗中發現了3處管線鋪設不合理之處，如圖5（右）所示;通過優化方案和設計，為工程算量、管道綜合布置提供了可靠的保障。此階段BIM技術作為新技術體現了綠色建筑注重全局優化、全壽命周期最大限度利用被動式節能設計與可再生能源的特性。

在施工階段，進行了3D建模指導模板支護，為結構復雜的構建施工提供了指導，以旋轉樓梯為例，旋轉樓梯是由同一圓心的兩條不同半徑的內外側螺旋線組成的螺旋面分級而成，每一踏步都從圓心向外放射，雖然內外側踏步寬度不同，但在每一放射面上的內外側的標高是相同的。螺旋樓梯施工放線較為復雜，必須先做好內業工作，本工程利用BIM技術，導出梯梁的控制點ID坐標，實現了無梁敞開式折板清水混凝土旋轉樓梯的施工操作。保證施工順利進行，實施過程無返工，節約了時間、減少了材料的浪費，見圖6（上）。另外，4D進度可視化模擬節約了人工成本，為沒有經驗及剛參加工作的管理人員更直觀的認識工程實體，了解工程進度，提高施工效率見圖6（下左）;在施工階段實施了工程算量，實現精細化生產，實際施工中，通過BIM算量指導鋼筋、混凝土等的用量，偏差可控制在5%左右，符合低消耗的綠色施工理念，見圖6（下右）。

此階段BIM技術作為新技術體現了綠色建筑節能優化、追求目標均衡的特性。

在后續的運維階段，BIM技術也將幫助管理人員做好建筑的信息管理以及故障影響分析，會在設施管理、維修保養方面發揮重要作用。

4 ?結語

通過對比傳統建筑施工和綠色節能建筑施工的異同點，梳理出綠色節能建筑施工特點及綠色管理專項的重點工作;然后將BIM技術引入到傳統施工中，對其進行優化，通過在中國-丹麥科研教育中心綠色示范工程中的應用，取得了很好的效果。在對傳統施工流程優化的基礎上，可進一步對其他關鍵問題進行深入研究，比如綠色節能建筑施工的管理模式，施工的進度、費用、信息、風險的協同管理，以及知識管理等，從而提高綠色節能建筑施工的管理水平，為綠色節能建筑施工做好示范先導作用，為后續項目提供借鑒。

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