周文倩 田文濤 宋鵬飛 譚 暢

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州450001）

作為當前的全球建筑大國，我國每年新增建筑面積超過20億m2，新建房屋占全球一半以上。我國建筑在從規(guī)劃設(shè)計，到施工使用，再到拆除和廢棄物利用的每個環(huán)節(jié)，都存在巨大的資源能源“浪費黑洞”。在設(shè)計施工方面，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計通常是沿用現(xiàn)有的生態(tài)建筑設(shè)計方案和現(xiàn)有的建筑設(shè)計技術(shù)資料，而沒有因地制宜地對建筑工程節(jié)能設(shè)計進行深入的考究，因而在建造施工過程中會出現(xiàn)一系列構(gòu)造不合理、設(shè)計計算錯誤等問題，此時工程返工重建將會導(dǎo)致資源極大的浪費。這是由于傳統(tǒng)的建筑設(shè)計理念和現(xiàn)代建筑技術(shù)水平的制約。通常一套建筑設(shè)計方案不能夠在設(shè)計過程中對其進行能耗分析，而是到建筑施工中才進行能耗分析。在建筑施工的最后階段，能耗分析幾乎沒有意義，況且工程建設(shè)過程中對于建筑設(shè)計方案通常會因種種因素的影響而難以變更，這最終就導(dǎo)致了資源能源浪費。因此通過對傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方案和理念的改善以及將現(xiàn)代科技和建筑設(shè)計方案緊密結(jié)合,創(chuàng)造出新型綠色建筑節(jié)能設(shè)計方案,以此來達到降低建筑能耗的目的。

而BIM（建筑信息模型）作為一項新興的信息技術(shù)，能夠有效地改善當前建筑設(shè)計中存在的能源浪費問題，現(xiàn)已在世界多國的建筑領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。通過實踐證明，應(yīng)用BIM進行建筑設(shè)計能夠有效地節(jié)約時間、節(jié)省成本。BIM技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢使其得到越來越多設(shè)計人員的青睞，要同時也為綠色節(jié)能建筑找到新的發(fā)展方向。

1 BIM簡介

BIM作為當代建造設(shè)計行業(yè)的寵兒，其實現(xiàn)是以不斷發(fā)展的計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)為基礎(chǔ)的，旨在連接建設(shè)項目生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，建立單一工程數(shù)據(jù)源，從而解決分布的、異構(gòu)的工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，進而支持建設(shè)項目生命周期中動態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享，實現(xiàn)建設(shè)項目的全生命周期管理［1］。

BIM在建筑節(jié)能設(shè)計方面的優(yōu)勢有協(xié)同作用、模型碰撞檢測、可視化設(shè)計、綠色節(jié)能設(shè)計及模擬施工等。

1.1 協(xié)同作用

BIM的該項功能確保在建筑設(shè)計過程中同項目的不同成員將自己設(shè)計的內(nèi)容同步到文件服務(wù)器供其他專業(yè)人員參考。各專業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)同一平臺設(shè)計，發(fā)現(xiàn)問題并及時解決溝通，避免出現(xiàn)建筑設(shè)計階段因各專業(yè)缺少交流而導(dǎo)致設(shè)計出現(xiàn)漏洞，縮短設(shè)計時長，提高設(shè)計效率。

1.2 碰撞檢測

在傳統(tǒng)建筑設(shè)計過程中，各個專業(yè)常會因為交流不夠而出現(xiàn)機電碰撞、管線與房梁出現(xiàn)交叉碰撞的現(xiàn)象，這些管線的交叉點眾多，任何一處檢測不到的碰撞都會造成工程的停滯和返工，浪費人力物力。BIM的碰撞檢測功能可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程出現(xiàn)的管道布置不合理的現(xiàn)象，彌補設(shè)計人員由于缺少溝通帶來的施工成本增加及工期延誤的問題。

1.3 可視化設(shè)計

建筑模型的室內(nèi)外的可視化，能夠幫助業(yè)主進行決策，減少建筑設(shè)計施工過程的返工量。

1.4 節(jié)能設(shè)計

BIM可通過日照分析和風(fēng)場分析對建筑的方位及朝向做出一定的調(diào)節(jié)，對建筑物每年的能量消耗、采暖制冷負荷、照明所需耗費的電力資源等進行模擬分析,較為直觀地反映過建筑節(jié)能設(shè)計的效果。

1.5 模擬施工

使用BIM技術(shù)對設(shè)計方案進行模擬施工，預(yù)先展現(xiàn)出建筑實體的形態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)實際施工過程中可能出現(xiàn)的問題，及時進行糾正，減少因設(shè)計不當造成的工期延誤的問題。

2 BIM在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

自從BIM被開發(fā)以來，建筑業(yè)內(nèi)對BIM技術(shù)的議論不絕于耳，對BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用存在許多疑惑。隨著近年來BIM技術(shù)在建筑物中應(yīng)用后顯示出的優(yōu)越特性，越來越多的設(shè)計師選擇運用此項新技術(shù)來滿足建筑節(jié)能的需求，BIM在國內(nèi)外綠色建筑中的應(yīng)用實例也不勝枚舉。

2.1 BIM在國外建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

2005年，綠色節(jié)能建筑開始進入美國建筑市場，全年2%的新建項目成為綠色節(jié)能建筑。到2008年，新建項目中已有12%的商業(yè)建筑項目和8%的住宅建筑項目成為綠色建筑［2］。該期間，美國綠色建筑運營成本下降了13.6%，而這些建筑成為綠色建筑后，綜合直上升了10.9%［3］。而BIM作為綠色節(jié)能建筑設(shè)計的卓越技術(shù)，更是受到美國等多數(shù)發(fā)達國家的青睞。如今美國采用BIM的項目數(shù)量增長迅速，62%以上的設(shè)計單位采用BIM進行建筑節(jié)能設(shè)計。美國政府負責(zé)建設(shè)的項目，要求全部使用BIM技術(shù)。而在歐洲地區(qū)的國家，英國建設(shè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)（CSN）發(fā)表的調(diào)查報告：截至2012年1月，英國AEC企業(yè)BIM的使用率已達到57%；根據(jù)美國McGraw-Hill Construction公司2010年的調(diào)查報告：2010年，德國BIM的應(yīng)用率為36%，且其國產(chǎn)的BIM軟件占主導(dǎo)地位［4］。

例如，在西雅圖北側(cè)，NBBJ為比爾及梅琳達·蓋茨基金會設(shè)計的總部形如兩只相對的回旋鏢。通過對BIM新技術(shù)的運用，這一園區(qū)僅可飲用水消耗量一項就能節(jié)約79%之多。NBBJ管理合伙人史蒂夫·麥康奈爾（Steve Mc Connel）介紹，“建筑占據(jù)全球33%的能源消耗。如果算上建筑內(nèi)的設(shè)施、系統(tǒng)消耗的能源，這個數(shù)字則是67%?！倍ㄟ^計算機輔助設(shè)計，建筑師們能夠設(shè)計出“一次投入，終身受益”的被動式環(huán)保設(shè)施。

2.2 BIM在國內(nèi)建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

在中國，BIM的應(yīng)用雖處于起步階段，但也不乏運用綠色BIM成功建造優(yōu)秀綠色節(jié)能建筑的案例。

2010年，在深圳新落成的萬科中心得到了全世界的廣泛關(guān)注。該項目通過對BIM的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)、選材、設(shè)備等多角度出發(fā)，可持續(xù)設(shè)計技術(shù)得到了充分應(yīng)用。其中，建筑遮陽系統(tǒng)保證建筑室內(nèi)光線和溫度保持在最佳狀態(tài)；太陽能光伏板提供了建筑物所需電能總量的12.5%，太陽能熱水器提供了酒店部分所需熱水的50%；智能照明系統(tǒng)配合節(jié)能燈具的使用，使萬科中心的照明能耗也比同類規(guī)模同類建筑減少30%左右；水環(huán)境設(shè)計方面實現(xiàn)了節(jié)水50%以及100%的污水處理；在建筑材料的選用方面也充分重視了綠色建筑材料的使用，可再生材料的應(yīng)用較為廣泛而在綠色建筑認證方面，更是達到LEED鉑金級認證，成為國內(nèi)乃至全球極少數(shù)獲得此級別認證的建筑物之一［5］。

騰訊新總部大樓坐落在深圳，這座年平均氣溫23℃的低緯度城市，建筑面積27萬多m2大樓所需的空調(diào)及照明費用不菲。NBBJ設(shè)計團隊研究了深圳的氣候、日照方向及日照時間，并將這些參數(shù)與建筑區(qū)位、朝向結(jié)合。NBBJ計劃使騰訊新總部能耗比中國綠色建筑最高標準三星級，再提升30%的節(jié)能效率，整座大樓設(shè)計耗電量總計節(jié)省約12%。“在深圳，建筑的南側(cè)是夏天陽光照射最久的方位，我們就設(shè)計‘自我遮罩’外墻結(jié)構(gòu)?！薄白晕艺谡帧甭犉饋硎趾唵危捍髽遣Ａ粔σ詢蓪訕菫閱挝幌蛲鈨A斜，與頂端的不透明擋板構(gòu)成一個角度。當夏天正午太陽最毒辣時，日光被不透明擋板擋在建筑之外，減少透入樓內(nèi)的熱量，從而降低空調(diào)費用；而清晨、黃昏時，陽光則可以自由透入建筑，節(jié)約照明費用。

又如，中國杭州奧體中心與北京鳥巢體育場體量相當，同樣擁有8萬個座位，但用鋼量僅為鳥巢三分之一。鳥巢總計花費11萬噸鋼材，而杭州奧體中心在NBBJ計算機設(shè)計規(guī)劃下，省下超過7萬噸優(yōu)質(zhì)鋼材，足以裝滿1 240個火車車皮。這是一個未來的建筑世界，卻早已誕生于實際建筑設(shè)計之中，喬納森說：“在這個世界，一切都由數(shù)據(jù)驅(qū)動。”

平安金融中心——虛擬建造，BIM主導(dǎo)預(yù)制加工超高層建筑一般都位于城市CBD地段，地價昂貴導(dǎo)致場內(nèi)面積狹小，而且當前我國的勞務(wù)成本也處于攀升階段。場地制約和人工費用的不斷升高決定了工廠化預(yù)制、現(xiàn)場組合拼裝將成為以后施工企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展的主流方向。在深圳平安金融中心項目中應(yīng)用BIM技術(shù)進行虛擬建造，從施工的角度完成最終的深化設(shè)計之后，將模型構(gòu)件按照廠家產(chǎn)品庫進行分段處理，生成裝配圖紙后交付廠家進行生產(chǎn)。與廠家產(chǎn)品庫的共享既提高了模型的精準度，也打通了BIM到工廠的通道。預(yù)制加工面臨的最大問題就是現(xiàn)場的施工條件。結(jié)構(gòu)尺寸是否符合設(shè)計要求，管線拼裝如何定位，偏差怎么消除，這些都將影響到組合拼裝的成功率。在該項目中，第一步是模型設(shè)計階段，在保證建模精準度的前提下，充分考慮施工過程中的各種不利因素，如鋼梁的防火噴涂、各類檢修操作空間等，以合理規(guī)避風(fēng)險；第二步是現(xiàn)場完成結(jié)構(gòu)施工后、預(yù)制加工前，應(yīng)用全站儀等手段對現(xiàn)場進行校核測量。對于無法消除的偏差，將重新調(diào)整模型以滿足實際情況，再出裝配圖到廠家加工；第三步是現(xiàn)場安裝階段，對每一個點的精確定位是保證拼裝成功的前提。手工放線對于直管段偏差不大，但拐角較多的成品管就極易出錯。該項目中將模型通過二次開發(fā)軟件轉(zhuǎn)換，使用機器人全站儀直接實現(xiàn)自動化放線，大大提高了定位的準確度。BIM在虛擬建造的施工階段發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢，大大節(jié)省了建筑資源。

中國尊作為北京新的地標建筑，在綠色和節(jié)能方面有著極高的設(shè)計要求。其節(jié)能顧問通過Autodesk Ecotect Analysis對塔樓標準層不同辦公區(qū)域的日照分析，提出室內(nèi)燈光設(shè)計的優(yōu)化方案，也對塔樓立面的遮陽構(gòu)件提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。對冷卻塔的冷卻效果分析，保證了設(shè)計的運行效果。對大堂、觀光平臺等重要空間的氣流模擬分析，極大地提升了“中國尊”在空調(diào)設(shè)計方面的舒適性。

在節(jié)能方面武漢中心也做了很大努力，武漢中心的設(shè)計目標是達到國家綠色建筑三星級和美國LEED-NC金級。因此在設(shè)計的過程中，將BIM技術(shù)與綠色、低碳、環(huán)保相結(jié)合，研究與BIM直接相關(guān)的綠色建筑評選項目主要集中在節(jié)能與能源利用和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量兩個方面。通過不同的參數(shù)的設(shè)置，對建筑進行性能化分析，達到優(yōu)化設(shè)計的目的，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

可見，BIM為綠色施工提供了有力的保障，對BIM技術(shù)的合理使用在推動我國綠色建筑設(shè)計中取得了較大的進步。

3 結(jié)語與展望

我國建筑市場龐大，節(jié)能潛力巨大，資源短缺的矛盾將伴隨著社會的發(fā)展逐步凸顯出來，在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計無法滿足可持續(xù)發(fā)展的情況下，BIM技術(shù)必然會成為建筑設(shè)計新的應(yīng)用方向。依賴新型的BIM技術(shù)，設(shè)計師可以在設(shè)計階段導(dǎo)入自己的相關(guān)數(shù)據(jù)，在軟件分析后及時調(diào)整方案出現(xiàn)的問題，避免出現(xiàn)人力物力的浪費，充分展現(xiàn)出了BIM在建筑節(jié)能設(shè)計方面的優(yōu)勢。

目前BIM技術(shù)作為一種新技術(shù)，其應(yīng)用過程存在的不足將在建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展過程中逐步完善。我國對BIM技術(shù)的逐步普及與應(yīng)用也必將使國內(nèi)的建筑節(jié)能技術(shù)走向更高層次，因此BIM將會是今后建筑節(jié)能設(shè)計的一大發(fā)展趨勢。

［1］Luis Lopes，Shuichi Hokoi.Energy efficiency and energy savings in Japanese residential buildings research methodology and surveyed results［J］.Energy and buildings，2005，37：698.

［2］H.Tommerup，S.Svendsen.Energy savings in Danish residential building stock［J］.Energy and Buildings，2006，38：618.626.

［3］B.Farhanieh，S.Sattari.Simunation of energy saving in Iranian buildings using integrativemodeling for insulation［J］.Renewable Energy，2006，31：417.

［4］歐陽東.BIM技術(shù)—第二次建筑設(shè)計革命［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［5］陳蘊，艾俠，楊銘杰.綠色總部——萬科中心設(shè)計解讀［J］.建筑學(xué)報，2010（1）：6-13.