BIM在建筑節能改造可持續設計中的應用研究①

□□ 樊長林，曹紅梅，魏寶蘭 (太原城市職業技術學院，山西 太原 030027)

引言

眾所周知，建筑物的建造、使用和維修改造過程中會消耗大量能源，能源的消耗和CO2排放量息息相關，CO2排放會破壞生態環境。可持續理念源自于人類對地球資源有限性的認識，具有很強的自然、社會、經濟、技術屬性，主要強調對于生活環境資源的可持續應用，節約耗能、太陽能的利用以及空氣的循環利用等。這就需要在改造維修過程中，使用綠色的建造材料、節能的建筑設備，既能滿足當代人需要又保障子孫后代永續發展需要。在降低建筑整體環境影響的情況下，減少工程成本，獲取足夠的經濟效益，同時能夠為居民提供高效節能、環境優美的高質量的居住環境。評價建筑的能源消耗及其對環境的影響成為各國學者研究的熱點問題。英國建筑研究院環境評估方法(Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM)、美國能源與環境建筑認證系統(Leadership in Energy & Environmental Design Building Rating System,LEED)等眾多環境評價標準體系在設計過程中廣泛運用[1]。然而，這些評價標準大都適合在新建建筑設計過程中的應用,適用于維修改造建筑的標準相對較少。除此之外，由于圖紙丟失或損壞，使得一些信息無從核實，很難完整描述既有建筑的特性。

因此，獲取建筑尺寸、材料特性等真實信息,并安全便捷貯存的技術研究極其重要,這將有助于既有建筑特性的準確描述。BIM技術可將大量的建筑信息集成共享,有助于項目各方人員的協同工作[2]。建筑信息和測定的數據可通過BIM技術及時增添貯存和變更，本文旨在研究既有建筑改造環境評估方法,并將相關的信息集成到BIM，便于在建筑整個生命周期提取應用,并對可持續設計進行評價決策。

1 建筑項目環境評價現狀

為了推廣可持續設計理念，判定建筑項目對環境的影響，國內外相關機構建立了環境評價體系，評估指標包括能源消耗、溫室氣體排放、土地和水的利用、健康幸福指數、當地生態價值等[3]。當前評價過程主要是首先根據評價的標準對各項指標進行評價打分，然后采用加權平均值進行相關建筑物整個可持續性的評價。國際上主要采用英國BREEAM和美國LEED兩種評估方案，但是，許多研究者指出這兩個方案存在缺陷。按照BREEAM、LEED標準經過計算、分析、演繹得到的評價結果不十分可靠，實施過程存在著隨機誤差和系統誤差[4]，運用傳統的量具和方法,在建筑數據搜集、計算、測評等階段會產生錯誤[5]，并且對評價結果的解釋具有很大的主觀性[5-6]。文獻[7]指出，按照BREEAM、LEED進行整個生命周期能量分析，沒有考慮到材料的制造、建筑建造、使用和拆除等階段的因素。文獻[8]中宣稱,BREEAM的評價標準雖然包含整個生命周期能源的影響，但是只分析材料對全生命周期能源的影響。文獻[9]指出,綠色指南規范所定義的標準，無法對建筑的各構件使用材料進行評價。只有對建筑從規劃到拆除的各個階段準確評估，才能確切評價建筑對環境的實際影響[10]。當前，國內外存在多種可持續評價的體系[11-14]，但采用方法相互獨立，很難實現完全統一。

2 全生命周期材料能量

建筑材料整個生命周期的能量評估對于判定建筑維修改造項目對環境的影響十分重要，主要包括建造前、施工建造、建造之后的三個階段，如圖1所示。整個生命周期材料的能量包括隱含能量和操作能量。隱含能量在制造、運輸及拆除等階段已經固化[1,15]。操作能量主要指在供暖、制冷、照明、運行設備等方面耗散的能量，可持續設計要求建筑具有較低的操作能量。為了方便計算，隱含能量和操作能量采用相同的單位來度量，二者之和反應了建筑的能量總消耗。建材產品說明書中應該提供整個生命周期的隱含能量,并注明整個生命周期建筑材料對環境的影響[16]。從全球來看,雖然在美國有許多整個生命周期材料能量數據源，但常用權威開放的數據是來自英國的巴斯大學ICE，其中,包含400種物質的隱含能量，30種主要材料門類，包括170多種不同建筑材料,然而ICE數據只考慮了材料隱含能和碳值，卻忽略了材料操作能。2010年出版的ICE第一版數據中主要基于CO2排放量，而在第二版中包括了其他溫室氣體的影響和等價的CO2數量。BREEAM中的數據描述了構件整個生命周期資源的總消耗，但是許多數據來源是保密的，并且衡量準則建立在假設的基礎上，缺少較強的穩定性。英國的建筑研究院和美國的綠色建筑委員會分別采用英國建筑環評體系(BREEAM)和能源與環境建筑認證系統(LEED)，兩者都闡述了建筑整個生命周期計算能量的方式，建筑內部的材料內能計算采用類比法，設計人員無法控制材料最終節能績效。

圖1 建筑材料生命周期

在缺少可靠的材料參數且不能準確了解建筑性能情況下，運用BIM數據共享可以將這種不確定性的影響降低。在改造設計之前，可利用高光譜分析把既有的建筑材料特性標識出來。同時，應用BIM的模擬、建筑能效分析及內部熱舒適性分析等功能，可逐步實現建筑改造的可持續性評價。

3 BIM在改造可持續設計中的應用

BIM技術將建筑信息并入一個共享數字平臺，可以使各種專業協同合作，激發設計創新的潛力，利于創新的設計、優化工程解決方案，更好地滿足客戶需求，減少可持續設計決策錯誤。然而，發揮其最大潛力還需要進一步的研究。

BIM技術可以提供創新性設計方案，是可持續戰略的基本解決辦法[17]。2010年秋英國政府發布的低碳建筑報告中指出,BIM技術將改變傳統建筑業的模式。在設計、建造、調試等過程中運用BIM，可以降低建筑對環境的影響。在確定設計方案過程中,可以根據不同目標和評價準則,輸入不同設計參數,利用BIM可以進行能量模擬,通過模擬結果對比確定最優設計方案。盡管如此，由于建立模型比較費時并且對輸出結果的判斷和解釋難度較大,設計者很少運用BIM進行能量性能分析。對于既有建筑，建筑能源管理系統相關數據資源雖然得以保存，但數據搜集能力和貯存量還達不到要求。因此，當前BIM技術還不能實現最優的可持續設計。

BIM在建筑節能改造項目中的應用還處于初始階段。既有建筑的相關數據獲取分析及建模能力都十分欠缺[2，7]。既有建筑的信息獲取是BIM技術應用的關鍵問題之一。雖然LIDDAR激光掃描儀獲取的點云數據可以創建幾何尺寸精確的模型，但是在三維領域中,點云數據意義不大，只有當點云數據轉化為二維或三維BIM模型后才能在BIM可持續設計中應用。將已有數據轉化為BIM模型工作量大，需要大量操作人員，在此過程中會產生大量的人為過失。在BIM建模過程中,熱舒適度、照明、煙霧等相關信息數據可從英國NBSBIM庫獲取。NBSBIM庫是一個由專家編寫授權的標準庫,其中包含大量通用2D和3D開放數據。這些數據包含詳細的技術、幾何信息，描述了產品的物理特征和幾何特征。這些信息可操作、更新，載入BIM模型后便可進行設計。這樣能夠節約時間，并保持各環節的一致性。但是BIM庫中包含大量的通用對象只能在概念設計和方案設計階段運用，在后期施工、使用管理方面數據還有待于進一步補充完善。

BIM技術的運用改變了設計完成后才能進行環境分析的狀況[17]。在改造設計初期，設計者運用BIM探求能量設計決策,通過虛擬建筑3D模型進行可持續設計分析優化。根據其他特點諸如：天氣信息、當地建筑材料供應、設計施工等標準規范等。圖2給出了各種軟件和BIM模型之間的數據交換,這種交換主要基于IFC和gbXML標準,促進建筑信息模型的互操作性，使不同的BIM設計軟件和工程分析軟件之間能夠傳遞數據和模型整合，使得這些軟件具有更好的數據交換性和互操作性,使用方便。

圖2 各軟件之間數據交換

雖然這些分析工具有一定的優勢，但是存儲技術、數據處理等方面需要進一步改善。其中，模擬輸入輸出的數據必須進行仔細核對驗證。數據輸入失誤必將造成錯誤的結果，檢查改正輸入失誤是一項繁重的工作。任何模擬仿真都只能是預測而不是正確無誤，模擬的預測結果也不能盲目地運用。有些時候，對于缺少經驗的模擬者來說，結果很難理解詮釋。因此，模擬者需要進行特殊的培訓和熟悉計算機相關知識。

4 結語

BIM被廣泛認為是實體建筑數字化的代表,但也不是包羅萬象,要充分發揮其潛力還有很長的路要走。目前BIM的應用主要集中在新建項目工期、成本、質量等三個方面管理，在可持續設計方面應用較少。為了便于BIM在可持續設計中應用，有必要進行基于BIM技術材料整個生命周期的能量評估研究，建立環境評估體系，確定材料的全壽命內所包含能量，以便輔助設計人員做出明智的可持續發展決策。

實體工程的數碼重建將耗費大量時間、成本和人力。今后研究重點應該集中在利用自動掃描技術獲取數據信息，建立包括每種材料全生命周期能量BIM信息集成庫。將不同模型庫標準化，便于能量計算、比較，利于后期材料設備更換時產生的影響透明化，并且整個建筑生命周期能量自動改變。對于制訂改造項目可持續標準而言，材料內含能的研究，確保BIM庫中集成數據可靠、更新及時是至關重要的工作。