BIM技術在學校綠色建筑設計中的應用

李 聰

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術在綠色建筑領域中發揮著重要價值，其三維可視化數據模型能夠整合建筑施工期間產生的各項數據信息，并為設計人員提供信息模型，為各施工環節提供數據支持[1]。本文以我國某學校綠色建筑工程為例探究BIM 技術的實際應用，為確保新時代建筑領域的健康發展，需要將綠色節能作為施工建設的重要理念。依托BIM 技術以及各類信息處理軟件從多個維度分析綠色建筑工程概況，最大限度地避免風險隱患對施工質量產生影響，發揮BIM技術在學校綠色建筑設計領域中的應用價值。

1 工程概況

以我國某市政府重點開發地區中的學校建設項目為例，項目的用地面積為41 682.21 m2，總建筑面積40 120 m2，地上建筑面積23 584 m2，地下建筑面積為16 536 m2。本項目所在地區氣溫平均值為23 ℃，最高氣溫和最低氣溫分別集中在7 月和1 月，溫度分別為27 ℃與15 ℃。本項目所在地區通風較好，平均風速為2.7 m/s，全年日照時間相對較長，降水量相對較大。本工程周邊區域并沒有高層建筑遮擋，采光不受其他建筑影響，也不影響周邊建筑的采光需求。本項目地形相對平坦，地勢西高東低，標高為134.5 ～139.5 m。

2 BIM 技術在本項目中的優化應用分析

2.1 能源利用優化

本工程中采用主動式節能與被動式節能雙結合的方式，施工人員需從建筑體量入手，結合遮陽、采光等多個環節不斷優化原有技術方案，并利用BIM 技術構建三維可視化模型進行通風模擬以及采光模擬，確保各項技術方案的有效性。本工程在設計階段由技術人員對學校綠色建筑體量進行了全方位的考量，對施工環節提出如下要求：利用建筑外廊實現自遮陽，避免輻射較強的南立面因過度日照對教學環境產生影響；主要教室及辦公室南北方向設置，以便實現最佳光照效果[2，3]。

2.1.1 采光模擬分析計算

為實現教室最佳的采光效果，技術人員在采光設計期間要結合建筑模型，利用天然采光模擬分析技術，采用逐點照度模擬計算法進行計算。

在實際應用期間，首先需要觀察整個建筑模型，尋找房間與地面間距1 m的點位合并水平面，按照精度劃分多個網格。其次，設計人員需要輸入各種條件參數，如室內材質和外遮擋物等對采光質量產生影響的相關參數。在此期間，設計人員需設置工作平面位置、天空模型以及分析指標類型。最后，需利用特定算法對網格內每一節點進行迭代照度計算，如利用蒙特卡洛算法計算照度值與室外照度的比率，該比率為對應節點采光系數[4]。為確保預期施工建設質量，還需技術人員根據該節點采光系數，判斷此時教室是否達到綠色建筑施工要求，若誤差較大，則需進行重新規劃并計算。

設計人員在采光模擬分析時需要考慮建筑周圍的遮擋物，避免對模擬結果造成偏差。在不影響學校建筑室內空間合理利用的前提下，優化房間的進深或增加房間凈高，提升建筑自然的采光程度。圖1 為教室內外不同點采光值變化。

圖1 教室內外不同點采光值變化（來源：網絡）

2.1.2 風環境變化計算

本工程中計算通風參數時，技術人員需要將提前準備好的BIM 信息模型導入計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件中，從流體力學層面分析風速及熱島區域。為確保技術人員能夠從多個維度進行數據分析，本工程還利用了歐特克軟件研發有限公司旗下的虛擬風洞模擬軟件，以此模擬室內外的風環境[5]。依托虛擬風洞模擬軟件，能夠從3D 視角實時觀察建筑結構風環境的變化情況。

為避免學校教室空調系統中風機盤管出現霉菌，本工程嚴格遵循學校布局原則，合理調整窗口外的遮陽裝置。所有教室空調系統均采用地源熱泵技術，空調系統末端結構為干式風機盤管，能夠有效避免干式風盤在實際運行期間，因內外溫差產生冷凝水造成盤管內出現霉菌。

2.1.3 熱工分析

熱工分析主要包括探究建筑表面溫度、日照輻射量以及日照時間，設計人員需要從總平面布局角度出發，優化調整建筑遮陽與保溫方案，減少熱導效應對室內熱舒適度產生的不良影響。日照分析側重于學校建筑群組之間相互遮擋的適應關系，根據每個教室對室內日照的實際需求合理設計學校綠色建筑的整體布局[6，7]。技術人員依托Ecotect Analysis軟件開展日照分析，模擬學校建筑全年日照總時數以及形成日照時間分布圖，從而優化調整建筑間距，節約土地資源利用的同時，有效避免建筑群遮擋影響建筑日照需求。對學校教學樓太陽熱量收集情況以及熱輻射進行數據計算，全面分析各教學樓不同季節溫變情況，并對當前教學樓施工構件熱工性能提出優化措施。

2.1.4 水循環利用

在水循環利用中，本工程施工建設期間采用了統一場地用水規劃以及水量平衡策略，如利用滴灌系統以及節水用具作為學校節水設備的主要組成部分，以此顯著降低水資源浪費現象。技術人員利用BIM 信息模型對學校不同區域的消防分區進行了多系統設計，結合實際情況實現自動噴淋系統以及給排水系統的自動選型，凸顯學校綠色建筑中給排水系統的智能化特征。

2.2 材料管理優化

與傳統施工建筑不同，本工程施工期間在施工材料選擇方面依托BIM 技術實現了施工材料精細化成本控制，有效避免了施工材料浪費對單位經濟效益造成的損失。本工程中建筑立面結構主要采用玻璃幕墻、石材、大面積絲網鏤空殼體與氟碳噴涂鋁合金板材。為實現成本精細化控制，技術人員根據國家標準有關工程量清單的詳細要求，利用工程算量軟件計算各建筑模型所需的施工材料實物量并不斷縮小誤差，得出各項施工材料概算的最佳計算結果。

2.3 施工管理優化

施工管理期準備階段主要包括場地和環境控制。本工程中排水系統將污水引流至三級沉淀池，隨后排向市政管道，避免對城市污水處理系統產生影響。在施工現場周邊區域架設防噪墻，并嚴格管控工地照明燈與電焊設備。重點區域中安裝水表，嚴格控制各職能部門工作期間的用水量，采用標準化節能電動工具滿足所有施工人員生活需求。在各項施工環節開展期間，為提高施工質量，技術人員依托BIM 平臺中的可視化和仿真軟件進行管線預埋安裝模擬及施工進度模擬，結合施工現場實際情況明確各項潛在施工隱患。另外，還應及時與施工人員進行協商，最大限度避免風險隱患對施工質量產生影響。

2.4 運營管理優化

制度建設和智能化系統建設是本工程中運營管理工作開展的重要方向。技術人員依托運維管理平臺開展運維工作前，已經實現了本工程中所有辦公樓的照明系統、語音對講系統、空調系統以及門禁系統的集成控制。依托物聯網技術的智能傳感器能夠實時檢測每個教室內的空氣溫濕度情況，若發現室內溫濕度過高，則內部輸入輸出模塊就會自動向空調傳輸指令，實現區域內溫濕度智能化控制。

此外，本工程中在每個教室內都安放了空氣質量傳感器，若傳感器發現同一時刻二氧化碳濃度過高，將會向系統返回預警信息并自動控制通風系統及時送風。依托BIM 技術的程序化管理體系能夠實現不受時空間限制的自動化管控，無論是移動端設備還是電腦端設備都能夠發出指令實現管控[8，9]。

3 BIM 模型分析

3.1 碰撞分析

依托BIM 技術的碰撞實驗能夠有效幫助施工人員規避各項施工風險，提高施工質量。本工程中由于涉及大量的機電暖通系統以及給排水系統的安裝，為避免上述2 種系統因結構設計問題出現安全隱患，需利用BIM 技術的碰撞試驗進行分析。實際應用期間，技術人員在Revit 軟件中將機電暖通系統模型、給排水系統模型導入同一文件，并在碰撞檢驗功能命令窗口中選擇協作命令，以此實現對上述2 種構件的碰撞檢查。當系統運行一段時間后，會自動在顯示器上為設計人員生成詳細的沖突報告名單，名單中的高亮位置為構件碰撞的詳細位置，沖突報告名單如表1 所示。

表1 沖突報告名單

此時技術人員便可與負責管道維修施工環節的技術人員進行技術交底，在特定區域內留下預留管線位置[10，11]。還可利用碰撞檢測分析建筑整體結構與管線之間，以及關鍵節點部位的控件之間是否存在碰撞沖突現象。本工程建設面積屬于大中型，若為超大型建筑，則可利用BIM 平臺中的可視化和仿真軟件進行詳細計算，并將所得的各類數據報告單獨導入Excel 表格中。

3.2 工程量分析

技術人員可以在Revit 軟件中根據明細表顯示各類圖元及數量的相關信息。通過數據分析以及數據整理的方式向客戶和其他職能部門工作人員傳達項目工程量的有關數據，也可將明細表導入其他軟件中，利用不同格式方便有關人員查閱。上述過程能夠實現本工程中各項數據信息的精細化與信息化管理。

Revit 軟件為本工程的墻明細表提供了大量的數據選項，設計人員可結合實際情況進行個性化編輯。這些數據貫穿整個建筑項目的全生命周期，可結合實際情況靈活變換。依托BIM 技術還能夠構建清晰直觀的材質提取明細表（表2），該表中包含面積、厚度等各類參數，也可將該表導入其他軟件進行分析。

表2 材質提取明細表

4 結語

本文以我國某學校綠色建筑工程為例，分別從水循環利用、材料利用以及能源利用等多個維度，探究了BIM 技術在學校綠色建筑設計領域中的應用價值。本工程依托BIM 技術有效實現了施工材料的精細化處理，并結合實際情況優化技術方案，滿足實際施工需求。