張 雷 姜 立 葉敏青 于貴有

(中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

基于BIM技術(shù)的綠色建筑預(yù)評估系統(tǒng)研究

張 雷 姜 立 葉敏青 于貴有

(中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

21世紀(jì)人類共同的主題是可持續(xù)發(fā)展，對于城市建筑來說亦必須由傳統(tǒng)高消耗型發(fā)展模式轉(zhuǎn)向高效綠色型發(fā)展模式，綠色建筑正是實施這一轉(zhuǎn)變的必由之路，是當(dāng)今世界建筑發(fā)展的必然趨勢。本文參照綠色建筑設(shè)計相關(guān)規(guī)范要求，提出利用計算機(jī)技術(shù)建立BIM建筑信息模型，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設(shè)備等各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與一體化管理，為綠色建筑設(shè)計相關(guān)計算與評估提供必要的分析依據(jù);利用三維數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)實現(xiàn)了以《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)的綠色建筑評價功能，為設(shè)計師提供了一個得力的軟件工具。

綠色建筑;BIM;數(shù)據(jù)信息可視化;技術(shù)指標(biāo)評估

1 前言

我國目前正處于工業(yè)化和城市化快速發(fā)展階段，在未來20年具有保持GDP快速增長的潛力，但也面臨著能源和資源供應(yīng)緊缺的壓力。我國政府已確立了以節(jié)能和提高能源和資源利用率為核心的發(fā)展戰(zhàn)略。在建設(shè)領(lǐng)域，推進(jìn)建筑節(jié)能，發(fā)展綠色建筑是實施我國能源和資源發(fā)展戰(zhàn)略的重要手段。我國與發(fā)達(dá)國家相比，人均占有能源量遠(yuǎn)不及世界平均水平，單位面積能耗和人均能源消費的總量是發(fā)達(dá)國家的3倍，能源消費總量已居世界第二，而且33%的資源利用效率僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家水平的50～60%，比發(fā)達(dá)國家落后20多年。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)階段建筑耗能量已占社會總耗能的30%，建筑業(yè)基本上還是一個高能耗、高物耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，影響著中國城市的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。建筑節(jié)能刻不容緩，應(yīng)置于社會發(fā)展的重要地位。

綠色建筑是世界建筑業(yè)由黑色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向綠色可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)的重要途徑。通過對研究綠色建筑理論和技術(shù)的研究與實施，推動綠色建筑在中國的發(fā)展，促進(jìn)中國建筑業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。本文參照綠色建筑設(shè)計相關(guān)規(guī)范要求，提出利用計算機(jī)技術(shù)建立BIM建筑信息模型，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設(shè)備等各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與一體化管理，為綠色建筑設(shè)計相關(guān)計算與評估提供必要的分析依據(jù);利用三維數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)，在規(guī)劃方案分析與優(yōu)化、節(jié)能數(shù)據(jù)分析、建筑遮陽與太陽能利用、采光與照明、室內(nèi)自然通風(fēng)、綠化環(huán)境、聲環(huán)境、雨水采集與利用等方面建立多角度的生態(tài)技術(shù)指標(biāo)評估與輔助決策機(jī)制，實現(xiàn)合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決建筑對城市與自然環(huán)境及氣候的影響，降低聲、光、風(fēng)等各類污染，同時通過對生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案。

2 綠色建筑評估

國外綠色建筑是從建筑節(jié)能起步的。在建筑節(jié)能取得進(jìn)展的同時，伴隨著可持續(xù)發(fā)展理念的產(chǎn)生和健康住宅概念的提出，發(fā)達(dá)國家又把視野擴(kuò)展到建筑全過程的資源節(jié)約、改善室內(nèi)空氣質(zhì)量、提高居住舒適性、安全性等更廣的領(lǐng)域。綠色建筑在發(fā)達(dá)國家的發(fā)展軌跡到了今天，已建立了綠色建筑評估系統(tǒng)。90年代以來，世界各國都發(fā)展了各種不同類型的綠色建筑評估系統(tǒng)，為綠色建筑的實踐和推廣做出了重大的貢獻(xiàn)。目前國際上發(fā)展較成熟的綠色建筑系統(tǒng)有英國BREEAM(Building Research Establishment Environmental Assessment Method)、美國LEEDTM(Leadershipin Energyand Environmental Design)、多國 GBC(Green Building Challenge)等，這些體系的架構(gòu)和應(yīng)用，成為其他各國建立新型綠色建筑評估體系的重要參考。

BIM代表建筑信息模型(Building Information Modeling)，BIM技術(shù)是繼CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)技術(shù)后出現(xiàn)的建設(shè)領(lǐng)域的又一重要的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。BIM的最重要意義，在于它重新整合了建筑設(shè)計的流程，其所涉及的建筑生命周期管理 (BLM)，又恰好是綠色建筑設(shè)計的關(guān)注和影響對象。

可以說，當(dāng)我們擁有一個信息含量足夠豐富的建筑信息模型的時候，我們就可以利于它作任何我們需要的分析。一個信息完整的BIM模型中就包含了絕大部分建筑性能分析所需的數(shù)據(jù)。

真實的BIM數(shù)據(jù)和豐富的構(gòu)件信息給各種綠色建筑分析軟件以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前包括Revit在內(nèi)的絕大多數(shù)BIM相關(guān)軟件都具備將其模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為各種分析軟件專用的GBXML格式。綠色建筑設(shè)計是一個跨學(xué)科，跨階段的綜合性設(shè)計過程，而BIM模型則正好順應(yīng)此需求，實現(xiàn)了單一數(shù)據(jù)平臺上各個工種的協(xié)調(diào)設(shè)計和數(shù)據(jù)集中，使跨階段的管理和設(shè)計完全參與到信息模型中來。BIM的實施，能將建筑各項物理信息分析從設(shè)計后期顯著提前，有助于建筑師在方案、甚至概念設(shè)計階段進(jìn)行綠色建筑相關(guān)的決策。

然而，我國的綠色建筑才剛剛起步，還存在許多問題，對綠色建筑的發(fā)展仍然存在許多制約因素。主要是:缺乏綠色建筑的意識和知識、缺乏強(qiáng)有力的激勵政策和法律法規(guī)、缺乏系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、缺乏嚴(yán)密的行政監(jiān)管體系、缺乏合理的城市能源結(jié)構(gòu)等，尤為關(guān)鍵的是，缺乏有效的新技術(shù)推廣交流平臺，各類綠色建筑相關(guān)規(guī)范分散于各個專業(yè)設(shè)計過程中，無總體規(guī)劃控制手段和具體實施方法，很難在規(guī)劃設(shè)計整個過程中對建筑“四節(jié)”的影響、建筑與周圍環(huán)境的相互作用以及可再生能源利用等方面進(jìn)行量化分析與評估。目前仍沒有一個完善的輔助設(shè)計系統(tǒng)，在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行各階段對建筑進(jìn)行定性和定量評估，對綠色建筑的設(shè)計與推廣缺乏有效的工具和技術(shù)手段。

3 體系的建立

3.1 預(yù)評估體系的必要性

當(dāng)前所應(yīng)用的評估體系，大多數(shù)以后評估為主，一般在建筑投入使用一年后進(jìn)行。但影響綠色建筑各要素的關(guān)鍵往往在于規(guī)劃、設(shè)計以及施工階段，設(shè)計前期的規(guī)劃選址、建筑選型、材料選擇、設(shè)備選型、技術(shù)應(yīng)用等對綠色建筑的最終結(jié)果均起著重要作用，而后評估方式僅對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行定性和定量評估，無法對前期的設(shè)計缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)。預(yù)評估體系的建立，一方面可以前瞻性地考慮各設(shè)計階段的影響因素，避免設(shè)計問題造成的缺陷，另一方面也可以作為一個有效的技術(shù)推廣平臺，將綠色建筑設(shè)計理念、技術(shù)手段、設(shè)計方法、新型材料及設(shè)備應(yīng)用融入其中，使設(shè)計人員直觀地體驗到綠色設(shè)計方式對建筑產(chǎn)品的影響。

3.2 預(yù)評估體系建立的難點

預(yù)評估體系主要針對設(shè)計階段，其評估依據(jù)為設(shè)計過程中的定量數(shù)據(jù)。由于各階段所涉及的相關(guān)專業(yè)、外部條件、設(shè)計理念、工作方式等諸多因素的不同，每一個環(huán)節(jié)對于綠色建筑均產(chǎn)生特定影響。各類綠色建筑相關(guān)規(guī)范關(guān)聯(lián)多個專業(yè)設(shè)計過程，缺乏集成數(shù)據(jù)體系的規(guī)劃控制手段和具體實施方法，很難在整個設(shè)計過程中對建筑相關(guān)影響數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析與評估。

3.3 預(yù)評估體系的要素

在綠色建筑設(shè)計中需要考慮的典型問題包括:(1)減少不可再生資源耗費和節(jié)約資源;(2)提高能源利用效率，使用可再生能源;(3)減少環(huán)境污染，保護(hù)自然生態(tài);(4)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量保障;(5)良好的社區(qū)環(huán)境。針對以上主要問題，綠色建筑預(yù)評估系統(tǒng)應(yīng)建立涵蓋完整設(shè)計流程的設(shè)計與評估數(shù)據(jù)一體化建筑數(shù)據(jù)模型體系，以此為依據(jù)在規(guī)劃設(shè)計階段為各個專業(yè)提供相應(yīng)的設(shè)計處理與分析計算工具，并參照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行檢查與評估，以保證預(yù)評估系統(tǒng)在設(shè)計過程中對綠色建筑各要素的控制。

3.4 預(yù)評估體系結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)可進(jìn)行量化數(shù)據(jù)分析的預(yù)評估系統(tǒng)的前提條件，是涵蓋建筑設(shè)計各個階段及各個專業(yè)的BIM集成數(shù)據(jù)體系，其中包括建筑構(gòu)件、建筑材料等幾何信息及專業(yè)設(shè)計信息，以及各構(gòu)件與各專業(yè)之間的邏輯數(shù)據(jù)關(guān)系。該體系包括:

(1)建筑設(shè)計三維信息BIM模型。針對綠色建筑的設(shè)計理念，以BIM建筑信息模型為數(shù)據(jù)載體，對建筑在規(guī)劃設(shè)計、材料使用、能源消耗等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、提取、管理與分析。根據(jù)計算分析結(jié)果，對建筑規(guī)劃、設(shè)計以及施工方案進(jìn)行優(yōu)化與指導(dǎo)，以達(dá)到高效地利用能源和資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)，而且最低限度地影響環(huán)境的目的。BIM建筑信息模型建立。在綠色建筑設(shè)計過程中，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設(shè)備等各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與一體化管理，作為綠色建筑各項指標(biāo)分析的基本依據(jù)。

(2)建筑數(shù)據(jù)信息分析及處理?；谌S圖形平臺，對建筑在方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系、材料使用、能源消耗等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、計算與分析。依據(jù)建立的三維建筑信息模型，并在其中集成各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，研究數(shù)據(jù)交互、處理與分析方法;研究對建筑總體布局、規(guī)劃方案、設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)體系、建筑材料、供熱制冷、溫室效應(yīng)、人工照明、室內(nèi)通風(fēng)、建筑聲環(huán)境及日照質(zhì)量等因素進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。依據(jù)分析結(jié)果對綠色建筑設(shè)計方案進(jìn)行量化分析，并根據(jù)綠色建筑設(shè)計要求對相應(yīng)各專業(yè)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(3)綠色節(jié)能建筑分析數(shù)據(jù)信息可視化表達(dá)。基于三維圖形平臺，建立三維可視化建筑模型，并在三維模型中集成相關(guān)分析數(shù)據(jù);對綠色建筑各項分析數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化表達(dá)，將分析結(jié)果以圖像、圖表、三維狀態(tài)模擬等方式進(jìn)行表述。

4 體系的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)規(guī)劃設(shè)計方案分析與優(yōu)化:根據(jù)建筑規(guī)劃布局、場地分布、建筑單體數(shù)據(jù)、道路設(shè)計、環(huán)境設(shè)計等信息進(jìn)行規(guī)劃方案的各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析，對日照、土地資源利用、綠化方案、區(qū)域環(huán)境影響等指標(biāo)進(jìn)行控制，并根據(jù)綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)等相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行方案優(yōu)化。

(2)節(jié)能設(shè)計與數(shù)據(jù)分析:結(jié)合國內(nèi)各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，基于BIM技術(shù)建立建筑能耗分析的三維可視化模型，完成建筑能耗分析模型分析數(shù)據(jù)生成、建筑能耗分析結(jié)果數(shù)據(jù)的處理與直觀可視化模擬，實現(xiàn)在設(shè)計過程中的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期控制。

(3)建筑遮陽與太陽能利用:根據(jù)BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)，結(jié)合各地日照數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以數(shù)據(jù)仿真手段計算真實日照情況及周邊環(huán)境，對建筑遮陽板形狀進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計;根據(jù)建筑物任意表面的全年動態(tài)日照情況，結(jié)合各地環(huán)境數(shù)據(jù)，計算可進(jìn)行利用的太陽輻射能量，用于各類太陽能采集、發(fā)電與集熱等設(shè)備的方案設(shè)計與優(yōu)化設(shè)置，實現(xiàn)可再生能源的最大化合理利用。

(4)建筑采光與照明分析:基于BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行周邊環(huán)境影響下的建筑室內(nèi)采光計算分析;根據(jù)分析結(jié)果周邊環(huán)境影響下的室內(nèi)采光設(shè)計優(yōu)化;根據(jù)不同照明設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行任意形狀的房間三維照度計算和仿真模擬，并依據(jù)照明部分相關(guān)規(guī)范以及實施不同照明方案的能耗計算結(jié)果進(jìn)行方案優(yōu)化。

(5)建筑室內(nèi)自然通風(fēng)分析:結(jié)合BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)，建立多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)分析模型。參照國際上通用的熱舒適性評價方法，建立自然通風(fēng)狀況的評價標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合各地區(qū)外在、內(nèi)在因素的影響，進(jìn)行分析模型建立、模型轉(zhuǎn)換和模型提取與分析，將分析結(jié)果以可視化方式進(jìn)行動態(tài)模擬表達(dá)。

(6)建筑室外綠化環(huán)境分析:根據(jù)植物綠化設(shè)計對生態(tài)環(huán)境的各項影響因素，如調(diào)節(jié)溫度和空氣濕度、防風(fēng)固沙、防止水土流失、吸收二氧化碳放出氧氣、吸收有毒氣體、吸滯塵埃、殺菌抑菌、衰減噪聲等，結(jié)合三維建筑信息模型數(shù)據(jù)，列出各項的影響參數(shù)，最后納入生態(tài)園林的評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 建筑信息模型

(7)建筑聲環(huán)境分析:基于BIM建筑信息模型數(shù)據(jù)建立模擬聲環(huán)境。包括聲場邊界條件的界定、聲源的確定。以一種合理方式建立聲線數(shù)量和聲音強(qiáng)度之間的數(shù)量關(guān)系，根據(jù)確定的聲線數(shù)量計算聲音的強(qiáng)度對建筑環(huán)境的影響，將分析計算結(jié)果以可視化方式進(jìn)行模擬。

(8)建筑小區(qū)雨水采集與利用:結(jié)合各地的暴雨強(qiáng)度系數(shù)以及當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度計算公式，建立一個完整的數(shù)據(jù)庫，作為雨水采集計算的重要依據(jù)。根據(jù)各種雨水采集方式中不同地貌和不同材質(zhì)對確定徑流系數(shù)的影響關(guān)系以及建筑，道路以及綠地等面積來計算集雨量進(jìn)行適時調(diào)整。

圖11 綠色建筑預(yù)評估系統(tǒng)

5 結(jié)論

目前，國外CAD軟件廠商所力推的面向?qū)ο驝AD系統(tǒng)通過BIM建筑信息模型來更全面的反映建筑構(gòu)信息，這些非幾何信息對于建筑的生命周期是非常重要的。中國建筑科學(xué)研究院基于國家863課題成果(2007AA040403)開發(fā)的三維圖形系統(tǒng)，已建立了完整的建筑信息模型數(shù)據(jù)體系，實現(xiàn)了各專業(yè)之間圖形及專業(yè)數(shù)據(jù)的共享與交互，并可以包括如構(gòu)件之間的拓?fù)溥B接關(guān)系，房屋空間的劃分及其關(guān)系等二維CAD所無法表示的抽象概念，這些信息對于綠色建筑設(shè)計過程中的建筑方案、結(jié)構(gòu)體系、建筑材料、建筑能耗、建筑環(huán)境等的計算與評估提供了必要的分析依據(jù)。利用三維數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)，建立多角度的生態(tài)技術(shù)指標(biāo)評估與輔助決策機(jī)制，可有效實現(xiàn)合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決建筑對城市與自然環(huán)境及氣候的影響，降低聲、光、風(fēng)等各類污染，同時通過對生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案。采用一系列生態(tài)環(huán)境信息化技術(shù)建立綠色建筑預(yù)評估系統(tǒng)，可實現(xiàn)“節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材”的目的，為實現(xiàn)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

［1］中華人民共和國建設(shè)部.綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.住宅性能評定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］美國綠色建筑委員會.綠色建筑評估體系.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］馬智亮.BIM技術(shù)及其在我國的應(yīng)用問題和對策.中國建設(shè)信息，2010.

［5］中華人民共和國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑對象數(shù)字化定義.中華人民共和國建設(shè)部，2007.

Computer Realization of Pre-Evaluation System on Green Building

Zhang Lei，Jiang Li，Ye Minqing，Yu Guiyou
(Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

In the 2l century，sustainable development becomes the common theme.For urban construction，development pattern must also be run from the traditional high consumption to green-oriented.Green building is the only way to implement this change and it is also the inevitable trend for today＇s world.Referring to green building design specifications，this paper proposes the way of constructing 3d integrative BIM(building information modeling)by computer technology.It carry out an integrated management for geometric information of building space，functional information of building space，data integration on geometry information，functional information，building materials，equipments and other related professional data in construction.It provides the necessary basis for analysis for the calculation of green building design and evaluation.The green building evaluation based on the“green building rating standards”is realized by using of three-dimensional data visualization technology.It can provide architect with an effective tools for green building design.

Green Building;BIM;Data Visualization;Technical Indicators Evaluation

TU-023;TP391.41

A

1674－7461(2011)01－0031－06

“十一五”國家863課題(2007AA040403)

張雷(1968－)，男，高工。主要研究方向:建筑工程CAD。E-mail:zhanglei@cabrtech.com