基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

魏舒樂(lè)

(西安培華學(xué)院 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 西安 710125)

0 引言

建筑在生命周期內(nèi)，會(huì)有大量的資源能源消耗產(chǎn)生。生命周期評(píng)價(jià)(LCA)和生命周期成本(LCC)采取科學(xué)的定量計(jì)算方法，目前在國(guó)際范圍內(nèi)作為對(duì)建筑可持續(xù)性的評(píng)價(jià)方法以被普遍意義，傳統(tǒng)的LCA分析過(guò)程較為繁瑣，因而建立應(yīng)用于方案不同階段的高效整合的BIM-LCA評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)基于LCA方法的設(shè)計(jì)優(yōu)化，支持不同精度的環(huán)境與性能評(píng)價(jià)[1]。

1 需求分析

建筑在生命周期內(nèi)包含材料生產(chǎn)、建造、使用、生命周期終點(diǎn)和材料回收利用五個(gè)階段，在可持續(xù)建筑概念設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)這兩個(gè)不同階段中，建筑師面臨眾多問(wèn)題具體包括：項(xiàng)目地理方位(通常由業(yè)主決定)、建筑立面、朝向、體形、具體結(jié)構(gòu)體系的選擇等；在設(shè)計(jì)后期階段建筑師需選擇建筑熱工材料、HVAC 系統(tǒng)，還需完成對(duì)生態(tài)節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)。不同階段因素的多樣化給建筑師的工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，各階段中的每個(gè)因素都可能有不同的可供選擇方案，產(chǎn)生更多的方案組合。從建筑環(huán)境評(píng)價(jià)的角度看，從能耗的角度判斷是最優(yōu)的，但從全生命周期的角度判斷卻非最優(yōu)解。

2 基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 評(píng)價(jià)目標(biāo)

在可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的不同階段，實(shí)現(xiàn)量化分析不同方案的含能及能耗，基于對(duì)相關(guān)建筑性能優(yōu)化分析，引入LCA并將其作為有效評(píng)判指標(biāo)之一，實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化以LCA比選作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高方案決策的科學(xué)性[2]。

本文的BIM-LCA優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要在概念階段、方案階段和施工圖階段中應(yīng)用，而建筑構(gòu)件從已有的構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)中選取，完成含能計(jì)算，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，選取各階段比選參數(shù)、確定LCA精確度、分析工具的確立和計(jì)算、計(jì)算結(jié)果的分析與方案比選為基本的邏輯，具體的技術(shù)框架如圖1所示。

2.1.1 概念設(shè)計(jì)階段

應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)定義建筑LCA的系統(tǒng)邊界，建筑具有綜合性和復(fù)雜性，實(shí)際操作過(guò)程中，系統(tǒng)邊界的確定過(guò)程受限因素較多。LCA 工具在概念設(shè)計(jì)階段選擇時(shí)需以快速易操作為基礎(chǔ)，基于基本構(gòu)件的方法(在歐洲該方法比較成熟，有具體的實(shí)現(xiàn)工具)是較好的選擇，本文LCA工具的具體選取為：以VE能耗模擬平臺(tái)為基礎(chǔ)的IMPACT數(shù)據(jù)庫(kù)，包含LCI(建筑生命周期清單信息)及預(yù)定義建筑構(gòu)件(維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能信息)。IMPACT數(shù)據(jù)庫(kù)整合了六種計(jì)算方法/標(biāo)準(zhǔn)，按照不同的評(píng)價(jià)方法其評(píng)價(jià)結(jié)果選取了對(duì)應(yīng)影響類型； 概念階段方案比選針對(duì)的是建筑整體性能的優(yōu)化，IMPACT 所采用的方法可有效滿足這部分需求，且其操作平臺(tái)(IES)和 BIM工具有接口，可實(shí)現(xiàn)能耗模擬，在LCA和LCC分析結(jié)果中可直接整合能耗結(jié)果，數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性和一致性較高[3]。

對(duì)于建筑生命周期范疇定義，IMPACT 評(píng)價(jià)符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)，包含材料生產(chǎn)、建造、使用、生命周期終點(diǎn)和材料回收利用5個(gè)階段[4]，如表1所示。

圖1 不同階段BIM-LCA評(píng)價(jià)目標(biāo)及分析工具

表1 生命周期范疇

IMPACT 的數(shù)據(jù)集(dataset)主要包括建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)集和建筑材料數(shù)據(jù)集，功能單位通常為每單位總建筑面積； 在建筑LCA中，需設(shè)定建筑的壽命。我國(guó)建筑的設(shè)計(jì)使用壽命的規(guī)定如表2所示。

表2 建筑設(shè)計(jì)使用年限的規(guī)定

在 IMPACT工具中可選范圍為0-80年，但為確保參數(shù)的一致性，建筑壽命常設(shè)定為 60 年[5]。

2.1.2 方案設(shè)計(jì)及施工圖階段

方案設(shè)計(jì)及施工圖階段，建筑信息越來(lái)越細(xì)化，LCA的評(píng)價(jià)目標(biāo)為特定空間細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、保溫材料的比選等，在此階段，IMPACT 基礎(chǔ)構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)對(duì)精度的需求，而需完善建筑BIM模型與LCA工具間的聯(lián)系，使其更加精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速讀取數(shù)據(jù)及材料定義。本文LCA工具采用以Revit平臺(tái)為基礎(chǔ)的插件Tally，在BIM平臺(tái)上，建筑師可依據(jù)Tally數(shù)據(jù)庫(kù)完成建筑信息模型的自定義，模型操作簡(jiǎn)便，無(wú)需使用者具備專業(yè)技能[6]。

2.2 BIM能耗模擬工具的選取及整合

為有效實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)及施工圖階段，基于與LCA工具易于整合，建模方法易掌握，有通用數(shù)據(jù)格式的原則，在概念設(shè)計(jì)階段本文選擇Sketch Up作為BIM建模工具，在方案及施工圖階段選擇Revit作為BIM 工具，Sketch Up具備快速建立體量模型的優(yōu)勢(shì)，且LCA操作平的能耗模擬(IES)可在建模工具Sketch Up生成插件，進(jìn)入 VE 軟件界面通過(guò)模型的直接讀取即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在能耗模擬軟件與建模軟件間來(lái)回切換， 實(shí)現(xiàn)了高效的整合，如圖2所示。

圖2 概念設(shè)計(jì)階段BIM-LCA工具整合

設(shè)計(jì)階段均選擇IES作為能耗模擬工具，在BIM-LCA 模型中，以數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的形式，整合LCA工具IMPACT至能耗模擬工具 IES，再以鏈接插件形式整合能耗模擬工具至建模工具 Sketch Up 中；在方案和施工圖設(shè)計(jì)階段，BIM-LCA 模型中，以插件形式分別整合LCA工具Tally至BIM工具Revit中、整合能耗模擬工具IES至Revit中[7]。

3 不同階段優(yōu)化流程的確立

3.1 材料定義與數(shù)據(jù)獲取方法

設(shè)計(jì)階段不同對(duì)建筑模型的精度要求不同，需根據(jù)實(shí)際情況采用LCA數(shù)據(jù)獲取方式，以及精度不同的材料定義，基于BIM-LCA 方法，本文在概念設(shè)計(jì)階段，使用基礎(chǔ)構(gòu)件(已包含該構(gòu)件的材料及尺寸、分構(gòu)件、LCA數(shù)據(jù)、細(xì)部構(gòu)造的選項(xiàng))定義法，建筑師只需從IMPACT數(shù)據(jù)庫(kù)中，選擇預(yù)定義的建筑構(gòu)件，賦予模型，如在建模過(guò)程中由抽象矩形面代表窗戶，據(jù)此在IMPACT中對(duì)窗的基礎(chǔ)構(gòu)件描述為PVC-U window with steel reinforcement, doubleglazed；在方案設(shè)計(jì)階段，模型的建立需有基本構(gòu)造區(qū)分，本文使用分類構(gòu)件法，如窗模型需完成窗框和玻璃的區(qū)分，在Tally數(shù)據(jù)庫(kù)中即可實(shí)現(xiàn)不同窗框構(gòu)件和玻璃構(gòu)件的選擇；在施工圖設(shè)計(jì)階段，詳細(xì)的構(gòu)件構(gòu)造及尺寸需建立起來(lái)，本文使用構(gòu)件材料定義法，如墻模型需對(duì)飾面、內(nèi)飾面厚度、抹灰、砌塊、構(gòu)造順序、防水及保溫進(jìn)行定義，對(duì)應(yīng)材料在數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇，完成原料配比的定義。具體去表3所示[8]。

表3 不同設(shè)計(jì)階段的構(gòu)件定義方法

IMPACT數(shù)據(jù)集及Tally 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)架層級(jí)分別如圖3、圖4所示。

圖3 IMPACT 數(shù)據(jù)集架構(gòu)

3.2 不同階段BIM-LCA評(píng)價(jià)流程

在方案及施工圖設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)流程為：(1)在 Revit中建立BIM模型，完成基本建筑構(gòu)件族的定義；(2)在Tally 數(shù)據(jù)庫(kù)中，依據(jù)基本族信息選取相應(yīng)材料或所有的族實(shí)例，同時(shí)導(dǎo)入Revit模型至VE中完成能耗模擬；(4)在Tally界面輸入能耗模擬數(shù)據(jù)，生成最終的 LCA報(bào)告。具體流程如圖5所示[9]。

圖4 Tally 數(shù)據(jù)集架構(gòu)

概念設(shè)計(jì)階段評(píng)價(jià)流程為：(1)在Sketchup中建立包括基本的內(nèi)墻外墻及開(kāi)窗在內(nèi)的體量模型，并通過(guò)鏈接導(dǎo)入IES；(2)在IMPAC數(shù)據(jù)庫(kù)中，選取大構(gòu)件賦予體量模型；(3)在IES中進(jìn)行能耗模擬；(4)在 IMPACT模塊輸入LCA及LCC相關(guān)參數(shù)，得出報(bào)告結(jié)果，具體如圖6所示。

圖5 方案及施工圖階段BIM-LCA優(yōu)化流程

圖6 概念階段BIM-LCA優(yōu)化流程

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)

在計(jì)算建筑整體LCA時(shí)，需以生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)CLCD為基礎(chǔ)，基于EXCEL工具對(duì)案例進(jìn)行LCA計(jì)算，實(shí)現(xiàn)建筑生命周期評(píng)價(jià)的具體工作流程如圖7所示。

5 總結(jié)

本文主要對(duì)基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，首先分析了基于BIM-LCA 的優(yōu)化評(píng)價(jià)目標(biāo)以及系統(tǒng)邊界，選取了具體的BIM、LCA及能耗模擬工具，根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段建立了不同的整合BIM-LCA模型，并據(jù)此進(jìn)一步確定了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。為綠色建筑提供較為實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。