周吾波　徐嘉佑　孫堂宇　李明柱　李明照　韓言鋒

(吉林建筑大學(xué)，長春　130118)

基于BIM理念的綠色建筑新思維

周吾波徐嘉佑孫堂宇李明柱李明照韓言鋒

(吉林建筑大學(xué)，長春130118)

【摘要】通過BIM精細(xì)化設(shè)計(jì)，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，保持整個(gè)設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)的可持續(xù)性，對(duì)設(shè)計(jì)各階段進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)作品達(dá)到綠色建筑設(shè)計(jì)的要求。此外，使用數(shù)字模擬軟件Ecotect、Fluent、Abaqus、Pathfinder等對(duì)光照、風(fēng)環(huán)境、荷載、人員疏散進(jìn)行模擬分析，并通過模擬結(jié)果來優(yōu)化建筑開窗、建筑遮陽、建筑抗震、建筑疏散以及可再生能源的利用，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證設(shè)計(jì)的安全性、節(jié)能性、環(huán)保性和可持續(xù)性，使圖書館具有更適合學(xué)習(xí)和生活的室內(nèi)外環(huán)境，達(dá)到“人-建筑-自然”三者和諧共生。

【關(guān)鍵詞】綠色建筑；建筑物理模擬；日照模擬；風(fēng)模擬；內(nèi)力分析模擬；人員疏散；建筑信息模型；光照；風(fēng)環(huán)境；荷載；人員疏散

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.09

1工程概況

1.1項(xiàng)目簡介

東北師范大學(xué)凈月校區(qū)圖書館為吉林建筑大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)題目，以“階與葉”為基本概念，將其作為聯(lián)結(jié)大學(xué)生學(xué)習(xí)與生活的紐帶，區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，如圖1～2所示。

圖1　圖書館方案效果圖(南)

圖2　圖書館方案效果圖(北)

1.2工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

工程特點(diǎn)：東北師范大學(xué)凈月校區(qū)圖書館，將綠色建筑和BIM理念貫徹整個(gè)設(shè)計(jì)全過程，通過對(duì)節(jié)能技術(shù)、節(jié)能材料、空間環(huán)境地有效利用，保證圖書館在多個(gè)方面達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，BIM理念與技術(shù)保證了與綠色建筑理念的實(shí)施。綠色圖書館的設(shè)計(jì)，涉及到不同的專業(yè)領(lǐng)域協(xié)同與合作，因此建筑、結(jié)構(gòu)、市政專業(yè)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程通過云平臺(tái)下三維立體的BIM建筑模型進(jìn)行專業(yè)間信息的交流。

工程難點(diǎn)主要有：①東北師范大學(xué)圖書館周邊有大量正在使用的既有建筑，需保證圖書館與學(xué)校既有建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格相協(xié)調(diào)；②確定設(shè)計(jì)作品的建筑功能、使用人數(shù)、建筑形態(tài)，在不同專業(yè)貫徹并落實(shí)綠色建筑理念和BIM理念，使用綠色建筑模擬軟件來確保設(shè)計(jì)的合理性，解決Revit信息模型與各綠色建筑模擬軟件之間信息傳遞[1-6]。

1.2.1風(fēng)環(huán)境模擬

包括室外風(fēng)環(huán)境模擬、室內(nèi)自然通風(fēng)模擬和室內(nèi)空調(diào)氣流組織模擬(圖3、4)。

圖3　報(bào)告廳氣流組織模擬

圖4　室外風(fēng)環(huán)境模擬

(1)室外風(fēng)環(huán)境模擬：周邊建筑的影響、模型的體量、各種形體的建筑、風(fēng)速高度梯度、模型網(wǎng)格劃分精度等都對(duì)模擬精確程度帶來了很大挑戰(zhàn)，模擬結(jié)果需要修改的部分與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)存在交叉；

(2)室內(nèi)自然通風(fēng)模擬：對(duì)建筑物內(nèi)部模型的精細(xì)程度提出了很大的挑戰(zhàn)，大量的窗墻導(dǎo)致了邊界條件的多變，對(duì)網(wǎng)格劃分技巧提出了嚴(yán)格要求，模擬結(jié)果反饋與建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)存在交叉；

(3)空調(diào)氣流組織模擬：圖書館報(bào)告廳空調(diào)氣流組織的模擬涉及到溫度、濕度、風(fēng)速三者的耦合，對(duì)網(wǎng)格劃分與求解精度帶來了挑戰(zhàn)，模擬結(jié)果反饋與暖通專業(yè)存在交叉[7]。

1.2.2光環(huán)境模擬

包括日照、輻射、室內(nèi)光環(huán)境模擬(圖5、6)。

(1)日照模擬：3D界面能清晰反映出各時(shí)刻建筑的陰影區(qū)域。日照不足的部位，可以直接進(jìn)行修改；

(2)輻射模擬：通過輻射模擬，確定太陽能集熱器的朝向，優(yōu)化設(shè)計(jì)。模擬結(jié)果與建筑專業(yè)、暖通專業(yè)交叉。

圖5　日照模擬

圖6　內(nèi)力分析模擬

1.2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析模擬

結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析以及抗震模擬，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的薄弱點(diǎn)。

(1)建模：Abaqus精細(xì)化建模復(fù)雜，尤其是建立一套完整的圖書館結(jié)構(gòu)模型；

(2)分析模擬：網(wǎng)格劃分以及荷載輸入后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析模擬，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，模擬結(jié)果與建筑專業(yè)有交叉。

1.2.4人員疏散模擬

將Revit模型經(jīng)簡化后導(dǎo)入Pathfinder軟件，用Pathfinder軟件進(jìn)行人員疏散模擬，確定逃生路線設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

每一個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)，實(shí)際上都離不開其他相關(guān)專業(yè)的溝通與協(xié)調(diào)，因此一個(gè)完整的由內(nèi)而外的建筑設(shè)計(jì)需要大量的信息交互。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程往往是通過二維的圖紙，反復(fù)解決各專業(yè)設(shè)計(jì)間存在的問題，造成設(shè)計(jì)效率低、效果差。利用綠色建筑物理模擬軟件對(duì)精細(xì)化BIM信息模型進(jìn)行分析，保證數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一性和數(shù)據(jù)的連續(xù)性，將不同的模擬軟件如光照(Ecotect)、風(fēng)環(huán)境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)進(jìn)行整合，解決軟件間的數(shù)據(jù)傳輸壁壘問題是本次設(shè)計(jì)探索中的重點(diǎn)與難點(diǎn)[8-10]。

2BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1應(yīng)用目標(biāo)

作為應(yīng)用試驗(yàn)項(xiàng)目，東北師范大學(xué)凈月校區(qū)圖書館的設(shè)計(jì)目標(biāo)是擺脫二維圖紙，通過學(xué)校云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)相關(guān)各專業(yè)能夠同時(shí)基于同一個(gè)三維建筑模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維，最終實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的零索賠、零變更。綠色建筑物理模擬用于精細(xì)的BIM信息模型，將設(shè)計(jì)的建筑在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)運(yùn)行，確保設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)最滿意的建筑作品，達(dá)到綠色宜居建筑。

為探索和創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，本設(shè)計(jì)完全擺脫了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程即二維進(jìn)、二維出的模式，利用Revit軟件進(jìn)行三維立體模型設(shè)計(jì)，避免在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖紙交互過程時(shí)出現(xiàn)的一些紕漏。通過建筑模型了解建筑的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)排水管的排布、造價(jià)等真實(shí)數(shù)據(jù)信息，將所有建筑物相關(guān)數(shù)據(jù)信息全部集中在同一個(gè)建筑模型中，充分利用該精細(xì)信息模型，進(jìn)行風(fēng)、光、熱模擬，使建筑更加宜居，綠色技術(shù)的使用更加科學(xué)。

圖7　建筑Revit模型(中心文件)

2.2實(shí)施方案

(1)學(xué)校云平臺(tái)提供兩臺(tái)10核CPU、128 G內(nèi)存、Quador 6000顯卡的服務(wù)器，并生成桌面虛擬化套件，形成兩個(gè)主虛擬機(jī)和100個(gè)虛擬桌面。通過虛擬桌面連接到云平臺(tái)，利用服務(wù)器強(qiáng)大的CPU運(yùn)行大型Revit文件(普通臺(tái)式機(jī)或者筆記本電腦無法運(yùn)行大型Revit文件)，筆記本電腦就相當(dāng)于服務(wù)器的顯示器，運(yùn)行的是服務(wù)器的CPU。

(2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠讓協(xié)同設(shè)計(jì)小組方便地連接到虛擬桌面。Revit中心文件(圖7)存入云平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)在Revit中心文件中建立自己的工作集，各個(gè)專業(yè)可以同時(shí)在同一個(gè)建筑模型當(dāng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)或者修改，直接在三維立體模型上進(jìn)行操作設(shè)計(jì)，顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

(3)Revit軟件平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。建筑學(xué)專業(yè)的同學(xué)完成建筑設(shè)計(jì)以及Revit建模工作，該模型將作為中心文件儲(chǔ)存于云平臺(tái)上，其他專業(yè)的同學(xué)則可以通過虛擬桌面連接到云平臺(tái)，打開模型的中心文件，并在該Revit文件中建立自己的工作集。通過BIM建模工作，所有專業(yè)的同學(xué)都可以直接在其上進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改，任何改動(dòng)都會(huì)同步到中心文件，團(tuán)隊(duì)中的所有人將都會(huì)直觀地看到，顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，形成新的工作模式。

(4)BIM模型建立后，應(yīng)用建筑物理虛擬仿真軟件進(jìn)行模擬。充分利用BIM模型，使用模擬軟件對(duì)光照(Ecotect)、風(fēng)環(huán)境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，在三維模型上修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)。虛擬仿真模擬形成設(shè)計(jì)師自查與多專業(yè)互查的全新設(shè)計(jì)模式。

2.3團(tuán)隊(duì)組織

吉林建筑大學(xué)工程管理(MBF方向)雙學(xué)士學(xué)位班，集中了建筑行業(yè)各個(gè)相關(guān)專業(yè)(建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)、電氣、市政、管理、藝術(shù)、景觀等)的同學(xué)，通過不同學(xué)科的交叉融合的學(xué)習(xí)過程，了解其他專業(yè)相關(guān)知識(shí)和概念，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中專業(yè)之間壁壘，在BIM協(xié)同設(shè)計(jì)中提高協(xié)同能力，更好地貫徹BIM理念。

MBF有3個(gè)專業(yè)方向：M-MIP(Management of International Project國際工程管理)、B-BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)和F-FM(Facility Management設(shè)施管理)。完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)來自BIM方向的學(xué)生，指導(dǎo)教師來自管理學(xué)院和市政環(huán)境學(xué)院。在老師們的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)借助學(xué)?！霸贫薆IM三維協(xié)同設(shè)計(jì)與管理實(shí)踐中心”平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了圖書館的作品設(shè)計(jì)，積累了豐富的BIM實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)。

2.4軟硬件環(huán)境

硬件環(huán)境：學(xué)生個(gè)人的筆記本電腦、雙學(xué)士學(xué)位班提供的臺(tái)式電腦、投影儀、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、“云端BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)與管理實(shí)踐中心”平臺(tái)。

軟件環(huán)境(圖8)：Revit、Fluent、Ecotect、Lumion、Abaqus、Pathfinder，Sketch Up、廣聯(lián)達(dá)、吉林建筑大學(xué)云平臺(tái)、OpenBIM。

圖8　軟件系列

3BIM應(yīng)用

云技術(shù)所描繪的未來是將一切都放到網(wǎng)絡(luò)上。云就是網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算機(jī)。當(dāng)需要龐大計(jì)算量的時(shí)候，云平臺(tái)就會(huì)分配足夠的資源，大幅提高計(jì)算效率。本次設(shè)計(jì)的模擬，無論在操作方面還是存儲(chǔ)方面，云平臺(tái)都顯示出強(qiáng)大的功能。比如本設(shè)計(jì)中室內(nèi)風(fēng)模擬，如果在PC機(jī)上完成模型需要計(jì)算6 h，而登陸虛擬桌面后，只需要10 min。

除此之外，風(fēng)、光、熱、力的模擬，需要大量的數(shù)據(jù)來源。基于精細(xì)的BIM三維模型，利用云平臺(tái)的模擬，能夠保證所有數(shù)據(jù)共享，各專業(yè)之間的無縫連接與信息反饋，設(shè)計(jì)師能夠在各模擬軟件中進(jìn)行驗(yàn)證和修改。

隨時(shí)同步獲取最新工作集，在設(shè)計(jì)中避免管線間碰撞以及管線與梁柱的碰撞。所有構(gòu)件信息全部儲(chǔ)存于同一個(gè)Revit中心文件中，建筑、結(jié)構(gòu)、市政、電氣專業(yè)的所有模型全部集成在一起，每個(gè)人建立自己的工作集，避免他人修改。一旦將設(shè)計(jì)同步到中心文件上，團(tuán)隊(duì)成員都可以直觀地看到每個(gè)構(gòu)件的位置、大小以及相關(guān)信息。Revit中心文件是一個(gè)普通電腦無法處理的近幾百兆大數(shù)據(jù)，因此云平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)BIM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4應(yīng)用效果

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是以二維圖紙作為不同專業(yè)之間的聯(lián)系紐帶，如有變更，需要在上述流程當(dāng)中反復(fù)修改和協(xié)調(diào)。因此在信息交互和圖紙轉(zhuǎn)化的過程當(dāng)中，不可避免地存在紕漏和錯(cuò)誤，同時(shí)也浪費(fèi)很多時(shí)間和不必要的工作量，無論是在設(shè)計(jì)流程上還是變更所帶來的索賠上，都造成了時(shí)間和金錢上的浪費(fèi)。

運(yùn)用BIM技術(shù)突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)開展設(shè)計(jì)和修改工作，與傳統(tǒng)二維圖紙工作方式相比，協(xié)同設(shè)計(jì)模式能夠節(jié)約50%～80%的時(shí)間。利用精細(xì)化BIM信息模型進(jìn)行建筑物理虛擬仿真，可發(fā)現(xiàn)建筑運(yùn)行中的不足，能幫助設(shè)計(jì)師直觀地在三維模型上修改設(shè)計(jì)，并且對(duì)設(shè)計(jì)修改進(jìn)行反復(fù)模擬驗(yàn)證，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，做到安全、節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)，保證最終設(shè)計(jì)作品滿足優(yōu)良的室內(nèi)外環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)階段大量的工作集中在建模、模擬和優(yōu)化上，為后期施工階段節(jié)約了大量的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。由于經(jīng)過仿真模擬驗(yàn)證，使得建筑設(shè)施在運(yùn)行維護(hù)階段更高效，成本更低。

5總結(jié)

5.1創(chuàng)新點(diǎn)——連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流

圖書館設(shè)計(jì)中嘗試以“三維進(jìn)、三維出”模式為基礎(chǔ)，由以往注重出現(xiàn)問題解決問題的設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)變?yōu)楸苊鈫栴}和阻止問題發(fā)生。設(shè)計(jì)過程中，如果有類似于Sketch up、Revit等軟件的三維立體模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中通過Sketch up、Revit等軟件建立的三維立體模型將會(huì)對(duì)整體建筑有一個(gè)更加直觀地把握，便于結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)件調(diào)整。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)時(shí)了解建筑信息并與建筑設(shè)計(jì)師配合、建筑對(duì)造型以及空間利用率等的需求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的不同。在與市政設(shè)計(jì)的配合中也是如此。

設(shè)計(jì)中更重要問題是如何將精細(xì)化BIM信息模型中的信息利用起來。保證信息的穩(wěn)定傳遞，利用BIM信息對(duì)建筑進(jìn)行模擬分析，將建筑物在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行預(yù)運(yùn)行，驗(yàn)證建筑設(shè)計(jì)的合理性，使用建筑物理模擬仿真軟件進(jìn)行模擬仿真，充分利用建筑三維優(yōu)勢(shì)，通過使用模擬軟件對(duì)光照(Ecotect)、風(fēng)環(huán)境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)形成直觀的建筑運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)建筑運(yùn)行中的不足，協(xié)助設(shè)計(jì)師直觀的在三維模型上修改自己的設(shè)計(jì)，并且對(duì)設(shè)計(jì)修改進(jìn)行不斷地模擬驗(yàn)證，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)師自查與多專業(yè)互查的全新設(shè)計(jì)模式。

5.2經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

設(shè)計(jì)過程信息流通不暢是本次設(shè)計(jì)中遇到的最大問題。建筑、設(shè)備、造價(jià)等信息很難逆向傳遞到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息也不得不通過二次建模來進(jìn)行傳遞，而且二次建模的意義相當(dāng)有限，大部分應(yīng)用都僅到碰撞檢查的程度。各專業(yè)之間是如此，結(jié)構(gòu)專業(yè)內(nèi)部的信息流通也存在諸多問題。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，龐雜的數(shù)據(jù)處理能力和軟件之間的兼容問題會(huì)得到極大的改善。雖然BIM技術(shù)的研究和探索才剛剛開始，各個(gè)專業(yè)協(xié)調(diào)和整合并不完善，但相信顛覆性的模式創(chuàng)新會(huì)在未來的建筑行業(yè)當(dāng)中創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

各個(gè)專業(yè)之間不僅要專業(yè)化，更要信息化，保證設(shè)計(jì)過程在同一平臺(tái)下的信息共享。結(jié)構(gòu)專業(yè)中結(jié)構(gòu)選型、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析等專業(yè)化設(shè)計(jì)也能夠?qū)崿F(xiàn)信息、數(shù)據(jù)的共享，避免各個(gè)軟件之間的不兼容性，更好地進(jìn)行各個(gè)專業(yè)以及專業(yè)內(nèi)部的一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。

將BIM理念下的三維協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)物與綠色建筑物理模擬相結(jié)合，充分利用BIM信息的豐富性與綠色建筑物理模擬的先知性，為建筑設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，為設(shè)計(jì)師提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。本次設(shè)計(jì)理念與方法在高校內(nèi)乃至行業(yè)內(nèi)都屬首創(chuàng)。由于水平及軟硬件的制約，成果有限。但基于BIM理念的綠色建筑新思維將傳承下去，通過使用BIM技術(shù)，為綠色建筑的設(shè)計(jì)注入量化數(shù)據(jù)依據(jù)，讓綠色建筑真正“綠”起來。

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New Thinkings on Eco-friendly Building based-on BIM Concept

Zhou Wubo，Xu Jiayou，Sun Tangyu，Li Mingzhu，Li Mingzhao，Han Yanfeng

(JilinJianzhuUniversityofJilinProvince，Changchun130118，China)

Abstract:By the fine design of BIM and using a unified data source,the sustainability of the whole process of the design data can be maintained，the design can be optimized，and the design works can achieve the requirements of green building.Besides，digital simulation software are used to stimulate and analyze the lights，the winds，the environments，the load，and the personnel evacuation through Ecotect，F(xiàn)luent，Abaqus and Pathfinder.The results of simulation can optimize building window，the building shading，the building aseismicity，and the evacuation of buildings and renewable energy utilization as well.This method not only improves the design quality but also ensures the design of safety and energy saving，and eco-friendly sustainability,which facilitates the library′s indoor and outdoor environment for both study and life,and thus realizes the harmony among human beings，the architecture and the nature.

Key Words：Green Buildings; Building Physical Simulation; Flow Field Analysis; Internal Force Analysis; Personnel Evacuating; BIM; Ecotect; Fluent; Abaqus; Pathfinder

【作者簡介】周吾波(1995-)，男，吉林建筑大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程、工程管理雙學(xué)士學(xué)位,LEED AP BD+C。主要從事BIM、FM、綠色建筑相關(guān)研究。

【中圖分類號(hào)】TU17

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1674-7461(2016)03-0048-05