張緒松 謝 宜 劉曉波

(1．深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司，深圳 518031;2．華中科技大學(xué)BIM工程中心，武漢 430074;3．廣州優(yōu)比建筑咨詢有限公司，廣州 510640)

1 前言

信息技術(shù)已經(jīng)為制造業(yè)、電子業(yè)等行業(yè)帶來了革新性的變化，而建筑業(yè)信息化程度仍舊處于較低的水平。隨著社會文明的發(fā)展，建筑業(yè)已開始向低能耗、低污染、可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展，且伴隨著國外同行業(yè)日益激烈的競爭與挑戰(zhàn)，應(yīng)用信息化技術(shù)革新我國建筑行業(yè)是現(xiàn)階段應(yīng)運而生的發(fā)展方向。建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)作為一種創(chuàng)新的工具與生產(chǎn)方式，是信息化技術(shù)在建筑業(yè)的直接應(yīng)用，自2002年被提出后，已在歐美等發(fā)達國家引發(fā)了建筑業(yè)的巨大變革。BIM技術(shù)通過建立數(shù)字化的BIM參數(shù)模型，涵蓋與項目相關(guān)的大量信息服務(wù)于建設(shè)項目的設(shè)計、施工、運營等整個生命周期，為提高生產(chǎn)效率、保證生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期等發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢作用。雖然我國的BIM應(yīng)用還處在雛形階段，但是認(rèn)識并發(fā)展BIM、實現(xiàn)建筑業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型已是勢不可擋的趨勢。

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對于能源、資源的利用不斷上升，但現(xiàn)代化的生活方式很多是以犧牲環(huán)境為代價的。種種的跡象表明，我們的生態(tài)環(huán)境正在被破壞，人與自然的平衡被打破。為此，如何利用信息技術(shù)支撐可持續(xù)發(fā)展的理論，既能滿足當(dāng)代人的需求，又不損害后代人滿足其需求的能力，已經(jīng)成為各行各業(yè)都在思考和探索的問題。在這種注重長遠發(fā)展的經(jīng)濟增長模式下，在建筑行業(yè)里，我們相應(yīng)的提出并推行發(fā)展低碳環(huán)保建筑概念，同時伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)開始進入我國建筑界，建筑設(shè)計也開始使用BIM專業(yè)軟件計算建筑性能分析，并通過分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案和減少能耗，將建筑的舒適度與建筑經(jīng)濟指標(biāo)做到均衡，為協(xié)調(diào)人類生活與生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展而努力。

2 項目背景

本文將通過介紹新海干部療養(yǎng)基地的BIM設(shè)計及性能分析內(nèi)容，具體闡述BIM復(fù)合設(shè)計流程及BIM性能分析的主要成果，目的是通過該項目的設(shè)計分析總結(jié)建筑設(shè)計BIM復(fù)合設(shè)計方案流程，對比建筑傳統(tǒng)設(shè)計方案和BIM設(shè)計方案通過性能分析后在建筑性能上提升。

2．1 設(shè)計背景及設(shè)計方案介紹

(1)項目設(shè)計背景

新海干部療養(yǎng)基地位于海南三亞市，基地的方向為基地西、北兩側(cè)與均與18 m紅線寬市政道路相鄰，東側(cè)為一類居住用地，南側(cè)為水系，基地可通過南側(cè)建筑間距享受海景(圖1)。

圖1 項目現(xiàn)場

(2)設(shè)計方案的演變(圖2)

圖2 設(shè)計方案的演變

(3)場地高差策略(圖3、圖4)

圖3 原始設(shè)計方案場地高差策略

圖4 修改后設(shè)計方案場地高差策略

建筑通過抬高2．5 m，下沉3 m，局部大空間下沉5 m，使負(fù)一層為有良好的通風(fēng)與采光?；啬蟼?cè)和東側(cè)城市道路無高差。

(4)總平面圖設(shè)計(圖5)

建筑整體采用濱海的建筑形態(tài)，細部設(shè)計運用新疆建筑元素烘托出強烈的民族氣氛。入口大堂采用敞開式的設(shè)計，充分利用自然通風(fēng)，降低能耗，并與環(huán)境產(chǎn)生良好的互動關(guān)系。敞廊、內(nèi)庭院的布局形式適應(yīng)三亞氣候特征?；啬蟼?cè)留有一定的預(yù)留發(fā)展用地。

圖7 基地入口透視圖

2．2 項目難點

本項目的設(shè)計過程難點在以下幾個方面:(1)如何將方案的設(shè)計意圖和設(shè)計理念向業(yè)主闡述?除了傳統(tǒng)的設(shè)計文本、設(shè)計圖、CG動畫和效果圖之外，需要更加數(shù)據(jù)化的表達方式，要通過精確的數(shù)據(jù)向業(yè)主闡述設(shè)計方案的優(yōu)點和理念。(2)如何在設(shè)計方案階段表達方案的低能耗、舒適性與經(jīng)濟性并重的設(shè)計思想?傳統(tǒng)的設(shè)計表達意圖已經(jīng)無法將低能耗、舒適性等指標(biāo)量化，通過文字的闡述始終不能使人信服。(3)復(fù)雜曲面如何定位?傳統(tǒng)的設(shè)計方法無法將曲面的節(jié)點通過圖紙進行精確坐標(biāo)定位，必須要通過三維復(fù)雜曲面設(shè)計方式解決。(4)如何通過信息技術(shù)檢查設(shè)計錯誤，高效檢查設(shè)計方案，減少設(shè)計圖紙的錯、漏、碰、缺?現(xiàn)階段的圖紙都是通過CAD技術(shù)二維映射圖紙的方式表達三維空間，而在三維空間的表達圖紙映射表達始終是二維圖紙的一大缺陷，同時，圖紙的二維映射容易在表達三維空間關(guān)系時出現(xiàn)錯誤，所以必須建立三維空間模型，將圖紙立體化，這樣才能檢查設(shè)計方案的空間三維關(guān)系，這樣才能檢查設(shè)計方案的空間合理性和設(shè)計的準(zhǔn)確性，并且能極大地減少圖紙的錯漏碰缺問題。

通過分析這些問題，設(shè)計團隊決定在本項目的設(shè)計過程中采用BIM技術(shù)。采用BIM技術(shù)的主要目標(biāo)一是輔助設(shè)計工作，通過BIM設(shè)計建立新的BIM設(shè)計的流程及規(guī)范，創(chuàng)建新的基于BIM技術(shù)的設(shè)計工作流;二是通過BIM設(shè)計模型進行可視化表達，通過BIM模型的可實時瀏覽技術(shù)向業(yè)主充分表達設(shè)計思想和設(shè)計理念;三是對BIM模型的信息進行提取，通過專業(yè)建筑性能分析軟件計算設(shè)計方案的建筑性能指標(biāo)，指導(dǎo)設(shè)計方案的修正，同時也向業(yè)主傳達設(shè)計方案的建筑性能優(yōu)化數(shù)據(jù);四是通過BIM曲面建模，找準(zhǔn)設(shè)計方案曲面空間節(jié)點的精確空間坐標(biāo)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化給予數(shù)據(jù)支撐;五是通過BIM模型檢查圖紙方案的設(shè)計錯誤和設(shè)計方案的空間合理性，最大化減少圖紙錯、漏、碰、缺問題。

3 BIM技術(shù)方案

3．1 BIM復(fù)合設(shè)計流程

總的來講，BIM復(fù)合設(shè)計流程是將設(shè)計方案BIM模型化后，通過性能分析檢查、建筑構(gòu)件空間檢查以及設(shè)計師對設(shè)計方案空間感覺的評估后，通過修改設(shè)計方案的一種工作流程(圖8)。

圖8 BIM復(fù)合設(shè)計流程圖

BIM復(fù)合設(shè)計流程主要是設(shè)計方案在各單項分析之后，綜合各項結(jié)果反復(fù)調(diào)整模型，尋找建筑物綜合性能平衡點，提高建筑整體性能?！癇IM軟件平臺——數(shù)據(jù)格式——專業(yè)分析軟件”構(gòu)成了BIM技術(shù)在建筑環(huán)境領(lǐng)域綜合應(yīng)用的基本模型。在建筑全生命周期不同階段的調(diào)整均以性能分析的結(jié)果并綜合建筑設(shè)計的規(guī)劃和經(jīng)濟指標(biāo)為依據(jù)，從真正意義上構(gòu)建可持續(xù)建筑。BIM模型建立以Autodesk公司的Revit系列BIM工具為建模工具。模型見圖9、圖10。

3．2 建筑性能分析

建筑設(shè)計在滿足使用功能的前提下，如何讓人們在使用過程中感到舒適和健康是建筑環(huán)境領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容。其中，尋找室內(nèi)舒適性、建筑能耗、環(huán)境保護之間的矛盾平衡點是亟待解決的問題。通過BIM建筑性能分析，最終達到建筑設(shè)計功能性與舒適性的完美結(jié)合。本次性能分析的主要內(nèi)容是下面四部分:檢查基地設(shè)計方案1－3層中空大堂通風(fēng)分析優(yōu)化 (風(fēng)速、溫度);中庭通風(fēng)分析優(yōu)化(風(fēng)速、溫度);負(fù)一層能耗分析優(yōu)化;第三層標(biāo)準(zhǔn)層能耗分析;第三層標(biāo)準(zhǔn)層采光遮陽分析優(yōu)化。模型分層見圖。建筑性能主要是兩部分內(nèi)容，一是建筑本身的功能(用途)，二是建筑的性能(質(zhì)量)。建筑功能評估主要是功能的完善性和擴展性，二建筑性能評估主要是指建筑的舒適性和設(shè)計、施工、用料質(zhì)量等(圖11)。

圖11 建筑性能

圖14 負(fù)一層能耗分析模型與BIM模型對比

圖15 一層到三層層空間BIM模型圖

(1)性能分析工作流程

性能分析工作最基本的載體來源于BIM模型，該模型是嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙構(gòu)件，同時將建筑構(gòu)件的屬性信息附在建筑模型上，通過BIM模型工具對其屬性信息進行提取，構(gòu)件性能分析用的專業(yè)分析模型，導(dǎo)入到專業(yè)性能分析軟件中，通過綜合氣象數(shù)據(jù)、建筑使用的基本規(guī)律等邊界條件，最后計算得到模型的各個性能指標(biāo)(圖12)。

(2)建筑性能指標(biāo)選取

本次項目建筑性能分析指標(biāo)選取主要為:能耗分析(年累計能耗分析、舒適度模擬、區(qū)域太陽得熱模擬、冷熱負(fù)載等)，風(fēng)模擬分析主要計算1－3層開敞空間風(fēng)速和溫度分布，了解室內(nèi)熱島區(qū)域。指標(biāo)表見圖13。

(3)能耗指標(biāo)選取與設(shè)計意圖之間的關(guān)系負(fù)一層

新海干部療養(yǎng)基地在負(fù)一層的設(shè)計中考慮了通風(fēng)與采光的設(shè)計，因此在負(fù)一層計算指標(biāo)中，特別注重能耗分析，并以BIM分析結(jié)果作為對設(shè)計的檢驗依據(jù)，通過BIM分析結(jié)果對設(shè)計進行進一步調(diào)整。

通過不斷的性能分析和設(shè)計調(diào)整，達到了設(shè)計方案功能性、舒適性和低能耗可持續(xù)性融合的目的。負(fù)一層能耗分析模型和BIM模型見圖14。

a．一層至三層開敞空間

一層至三層全部采用完全開敞空間的設(shè)計方式(圖15)，設(shè)計師意圖最大化利用通風(fēng)降低一層至三層的空間熱量，降低區(qū)域熱島和能耗，為此，BIM風(fēng)環(huán)境分析特別選取了1－3層開敞空間計算室內(nèi)通風(fēng)情況，通過計算夏季開敞空間的風(fēng)速流動和溫度情況，得到1－3層的空氣流動舒適度情況。

b．三層客房密閉空間

三層是典型的客房區(qū)，是入住酒店客戶對舒適度要求最高的地方(圖16)，選取三層客房區(qū)域作為日照和熱舒適度計算目標(biāo)區(qū)域，了解三層客房每個房間的舒適度情況。

(4)邊界條件設(shè)置

邊界條件主要集中在氣象條件、建筑堆砌材料、設(shè)計方案的前后變化和建筑物使用規(guī)律等。

a．氣象條件

三亞的氣候?qū)贌釒ШＱ蠹撅L(fēng)氣候。年平均氣溫25．4度，七月平均最高氣溫28．3度，一月平均最低20．7攝氏度氣溫，全年日照時間約2．563小時。在BIM建模軟件和分析軟件中可精確定位項目位置獲取當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)(圖17、圖18)。

b．建筑物使用規(guī)律

人員與運行設(shè)置，人員著衣量選定為1．00，人員采用辦公室辦公人員，散發(fā)熱量70W(圖19)。

空調(diào)設(shè)置為混合模式系統(tǒng)，空調(diào)范圍為18度-26度。空調(diào)運行時間為6點19點，周一至周五運行(圖20)。

原始設(shè)計方案與修改后設(shè)計方案的邊界條件1-3層通風(fēng)。

圖19 負(fù)一層室內(nèi)活動指標(biāo)及空調(diào)設(shè)置

圖20 負(fù)一層室內(nèi)運行規(guī)律設(shè)置

本項目引入自然空間的方式來改善內(nèi)部小氣候，營造舒適的生活環(huán)境。原始設(shè)計方案對1-3開敞進行了半開敞設(shè)計，在酒店入口與庭院間通道及回廊采用了開敞空間設(shè)計，酒店東西側(cè)未使用可開啟通風(fēng)窗設(shè)計，而使用了推拉門設(shè)計(圖21)。

修改設(shè)計方案對1-2層進行了全開敞設(shè)計，在酒店入口與庭院間通道及回廊采用了開敞空間設(shè)計，酒店東西側(cè)全部使用可開啟通風(fēng)窗設(shè)計，使用全可推開的平開門設(shè)計，并將建筑物南向水體面積設(shè)計增大，以降低風(fēng)場溫度(圖22)。

c．負(fù)一層能耗分析堆砌材料方案前后對比

原始設(shè)計方案中，負(fù)一層采用了輕質(zhì)骨料混凝土堆砌，在導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等指標(biāo)方面都不屬于節(jié)能材料(圖23)。

設(shè)計方案修改后，采用了導(dǎo)熱系數(shù)更低的加氣混凝土骨料堆砌，屬于更加節(jié)能和環(huán)保的堆砌材料(圖24)。

圖23 負(fù)一層原始設(shè)計方案輕質(zhì)骨料混凝土熱工屬性

d．三層陽臺設(shè)計

原始設(shè)計采用了無遮陽措施的退臺設(shè)計(圖25)。修改后的陽臺采用了百葉作為遮陽板，一是可以起到美觀作用，二是可以為室內(nèi)進行遮陽(圖26)。