李昕懿 劉俊 黃浩 徐文 曹源 馮宗寶

（華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074）

引言

隨著BIM 技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到，傳統(tǒng)的綠色建筑評(píng)價(jià)體系存在一定的片面性[1]，并且傳統(tǒng)方法既耗費(fèi)大量時(shí)間，又不能在前期指導(dǎo)綠色建筑設(shè)計(jì)，無法滿足綠色建筑可持續(xù)發(fā)展的需求[2,5]。而BIM 技術(shù)可以客觀地模擬出綠色建筑的性能參數(shù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，極大地促進(jìn)了綠色建筑評(píng)價(jià)的發(fā)展[6,7]，國外學(xué)者將BIM 技術(shù)應(yīng)用到綠色建筑評(píng)價(jià)分析中。Wong J K W 等[8]對(duì)綠色BIM 技術(shù)在建筑全生命周期中的應(yīng)用做了綜述與展望。Ilhan B 等[9]結(jié)合BIM 技術(shù)及可持續(xù)發(fā)展模型計(jì)算建筑綠色等級(jí)，并提供反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的評(píng)估。Jiang S H 等[10]提出一種基于BIM 技術(shù)和建筑本體的綠色建筑評(píng)價(jià)新方法。我國對(duì)于BIM 技術(shù)和綠色建筑評(píng)價(jià)分析的研究也越來越深入。楊文領(lǐng)[6]從能耗的角度出發(fā)，建立基于BIM 技術(shù)的綠色建筑能耗評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)建筑能耗優(yōu)化。王曉許等[11]提出基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)方法以提升綠色建筑評(píng)價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性。趙欽等[12]基于綠色建筑評(píng)價(jià)新標(biāo)準(zhǔn)，研究了BIM 技術(shù)在綠色建筑施工管理中的主要應(yīng)用。

隨著綠色建筑評(píng)價(jià)體系的更新以及BIM 技術(shù)的發(fā)展，過去的研究大多是基于節(jié)地或節(jié)能某個(gè)方面，應(yīng)用范圍受到了局限[13，14]。因此，構(gòu)建一套較為全面的基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系仍值得深入研究。本文基于我國相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合BIM 技術(shù)及模擬軟件，構(gòu)建基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重，為綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化及改造提供信息支持。

1 構(gòu)建基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

由于綠色建筑各等級(jí)均應(yīng)滿足控制項(xiàng)要求，本文參考新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）評(píng)分項(xiàng)中各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合其他標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)項(xiàng)目，將具有代表性的綠色建筑指標(biāo)經(jīng)過替換、新增及合并等處理后得到基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括5 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，15 個(gè)二級(jí)指標(biāo)及45 個(gè)三級(jí)指標(biāo)，如表1 所示。其中，需要通過BIM 軟件模擬獲取的指標(biāo)可分為兩類：一類是基于以Pathfinder 為代表的綠色建筑安全模擬分析獲取；另一類是基于以Ecotect 為代表的綠色建筑環(huán)境模擬分析獲取，其余指標(biāo)均可通過BIM 模型本身參數(shù)直接獲取。

表1 綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.2 綠色建筑評(píng)價(jià)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 確定指標(biāo)權(quán)重

在確定了指標(biāo)體系后，對(duì)專家進(jìn)行問卷調(diào)查以確定專家對(duì)這些指標(biāo)重要性的看法并且針對(duì)每個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行劃分。參考標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)指標(biāo)的分值占比情況并結(jié)合專家打分，能夠初步得到綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各三級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)合指標(biāo)體系中部分指標(biāo)的替換、新增及合并等情況，可得到綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。最終層層遞進(jìn)，得到綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。所有指標(biāo)的權(quán)重分布將在后文結(jié)合案例列表介紹。

1.2.2 綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分

基于各項(xiàng)三級(jí)指標(biāo)的評(píng)分及權(quán)重值，利用加權(quán)求和法，由式（1）得到各二級(jí)指標(biāo)實(shí)際得分。同理，可以由式（2）得到各一級(jí)指標(biāo)的實(shí)際得分。得到一級(jí)指標(biāo)評(píng)分后，結(jié)合一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值可由式（3）得到最終綠色建筑評(píng)分。

根據(jù)計(jì)算出的綠色建筑評(píng)分，結(jié)合已構(gòu)建的指標(biāo)體系，將綠色建筑等級(jí)按照評(píng)分由低到高分為不合格、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)4 個(gè)等級(jí)，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 綠色建筑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)

在基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，除通過BIM 模型直接獲取的指標(biāo)外，通過BIM 軟件模擬獲取的指標(biāo)可分為安全疏散模擬、光環(huán)境模擬、熱環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬及風(fēng)環(huán)境模擬五類，其中，安全疏散模擬可通過基于Pathfinder 的綠色建筑安全分析實(shí)現(xiàn)，光環(huán)境模擬、熱環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬和風(fēng)環(huán)境模擬可通過基于Ecotect 的綠色建筑環(huán)境分析實(shí)現(xiàn)。

2.1 BIM 模型構(gòu)建

本文以華中科技大學(xué)西十二教學(xué)樓為例進(jìn)行綠色建筑評(píng)價(jià)分析。該建筑共五層，長177m，寬64.6m，高24m，層高4.2m，用地面積33 350m2，建筑面積40 318m2，建筑占地面積11 573m2。教學(xué)樓共有32 個(gè)常規(guī)教室，80 個(gè)階梯教室，能同時(shí)容納近萬人。為方便后續(xù)的綠色建筑分析，將西十二樓進(jìn)行一定簡化，簡化后的模型為五層結(jié)構(gòu)，按照首層平面圖及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖進(jìn)行建模，Revit 軟件中最終構(gòu)建出完整的BIM 模型如圖1 所示。

圖1 西十二樓BIM 模型

2.2 基于BIM 技術(shù)的綠色建筑模擬

本文通過BIM 模型以及相關(guān)BIM 技術(shù)，可以從以下7 個(gè)方面來完成模擬。

（1）BIM 模型導(dǎo)入Pathfinder

從Revit 軟件中將BIM 模型導(dǎo)出成DWG 格式文件，再將其導(dǎo)入Pathfinder 中。按照教學(xué)樓人員密度設(shè)計(jì)要求，根據(jù)《中國成年人人體尺寸》（GB/T 10000-1988）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置完成后，可隱藏原BIM 模型，得到各層人員分布圖如圖2 所示。

圖2 西十二樓各層人員分布圖

（2）人員疏散時(shí)間模擬分析

在Pathfinder 中建好模型并設(shè)置好人員行為參數(shù)后，點(diǎn)擊運(yùn)行可進(jìn)行人員疏散模擬。在整個(gè)疏散模擬過程的三維視圖中，可以看到每個(gè)人員的疏散線路擁擠程度等情況，如圖3 所示。

圖3 人員疏散三維模擬圖

模擬完成后，得到所有人員疏散時(shí)間如圖4 所示。建筑內(nèi)2 270 名師生的疏散時(shí)間為326s，即5.5 分鐘左右，小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6 分鐘[15]。

圖4 人員疏散時(shí)間圖

（3）BIM 模型導(dǎo)入Ecotect

在Revit“分析”菜單中的“地點(diǎn)”和“能量設(shè)置”中分別設(shè)置好城市及能量分析模型，在三維視圖中以空間為基礎(chǔ)從Revit 中導(dǎo)出成gbXML 格式文件，并將文件編碼設(shè)置為“UTF-8”，最后在Ecotect 中導(dǎo)入該文件。

（4）光環(huán)境模擬分析

《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）中規(guī)定了教育建筑各類型房間對(duì)應(yīng)的采光系數(shù)、室內(nèi)天然光照度等標(biāo)準(zhǔn)，如表3 所示。教學(xué)樓室內(nèi)采光在CIE環(huán)境下，內(nèi)區(qū)采光系數(shù)滿足采光要求的面積比例達(dá)60%，室內(nèi)主要功能空間至少60%面積比例區(qū)域的采光照度值不低于采光要求的小時(shí)數(shù)平均不少于4h/d。

表3 教育建筑采光標(biāo)準(zhǔn)

在Ecotect 中載入武漢地區(qū)氣象數(shù)據(jù)信息，根據(jù)地區(qū)緯度自動(dòng)計(jì)算室外天然光臨界照度值?；凇督ㄖ晒庠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033-2013）進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并分別對(duì)建筑五個(gè)樓層進(jìn)行采光模擬分析。一層采光系數(shù)范圍在0.1%-80.1%之間，室內(nèi)天然光照度在12-6312lux之間，不符合教學(xué)樓建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要增加人工照明提高室內(nèi)采光。二到五層采光系數(shù)范圍分別為：21%-61%、24%-64%、18%-58%和15%-55%，采光效果良好。

（5）熱環(huán)境模擬分析

西十二樓全年被動(dòng)組分得失熱分布情況如圖5 所示，其中紅色代表圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱，褐色代表綜合溫度，黃色代表太陽直接輻射，綠色代表通風(fēng)，藍(lán)色代表內(nèi)部人員及設(shè)備。對(duì)于建筑得熱，通過內(nèi)部人員及設(shè)備得熱占比43.4%、通風(fēng)得熱占比17.9%、太陽直接輻射得熱占比15.1%、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱占比11.3%、綜合溫度得熱占比9.1%；對(duì)于建筑失熱，通過通風(fēng)導(dǎo)致的熱損失占比55.3%、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失占比42%?？梢娊ㄖL(fēng)情況較好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱效果較好。

圖5 被動(dòng)組分得失熱分析占比圖

（6）聲環(huán)境模擬分析

西十二樓東側(cè)及北側(cè)各有一條公路，常有學(xué)生及汽車經(jīng)過，交談聲及車流聲等會(huì)對(duì)教學(xué)樓造成噪聲影響。因此，選取教學(xué)樓東北角處的教室進(jìn)行聲環(huán)境模擬分析。在教室模型東側(cè)及北側(cè)約20m 處設(shè)立聲源模擬行車及交談聲，并在教室內(nèi)部進(jìn)門側(cè)設(shè)置聲源模擬教師授課聲音。

不同赫茲、不同分貝的聲音衰減程度不同。西十二樓聲音反應(yīng)沒有超過48 分貝且都能很快的衰減，屬于0 類分區(qū)，滿足一般教室允許噪聲級(jí)小于等于《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50118-2010）50 分貝的規(guī)定，可見教學(xué)樓隔聲效果良好。

設(shè)置教室內(nèi)座位類型及布置情況，通過Ecotect 混響時(shí)間模擬計(jì)算得到混響時(shí)間在400 ～1 400ms 之間，當(dāng)聲音頻率大于500Hz 時(shí)，混響時(shí)間在1s 上下浮動(dòng)，基本滿足一般教室的最佳混響時(shí)間。

（7）風(fēng)環(huán)境模擬分析

在Weather Tool 中導(dǎo)入武漢市氣象資料，選擇要顯示的風(fēng)環(huán)境信息，即風(fēng)頻率，勾選圖例和百分比，選取冬季、夏季早晨作為模擬時(shí)間范圍研究主導(dǎo)風(fēng)，分別導(dǎo)出冬季、夏季風(fēng)頻率的圖例和百分比如圖6（a）～（b）所示。通過Weather Tool 分析西十二樓最佳朝向如圖7 所示。圖中黃色指向?yàn)槲錆h市最佳建筑朝向，為南偏東15°，紅色指向?yàn)槲錆h市最差建筑朝向，為東偏北15°。西十二樓呈東西走向，正門朝向?yàn)槟掀珫|10°左右，基本符合最佳朝向。

圖6 武漢市風(fēng)頻率圖

圖7 建筑朝向?qū)Ρ葓D

3 綠色建筑評(píng)價(jià)與改進(jìn)提升空間分析

3.1 綠色建筑三級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)

基于上文綠色建筑模擬分析結(jié)果及BIM 模型自身參數(shù)，結(jié)合專家打分對(duì)所構(gòu)建的基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系三級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。綠色建筑評(píng)價(jià)體系中各級(jí)指標(biāo)評(píng)分如表4 所示。

表4 綠色建筑評(píng)價(jià)體系三級(jí)指標(biāo)權(quán)重及評(píng)分表

3.2 綠色建筑評(píng)價(jià)及改進(jìn)提升空間計(jì)算

由表4 中各三級(jí)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重，由公式（1），可得各二級(jí)指標(biāo)評(píng)分；由各二級(jí)指標(biāo)評(píng)分、權(quán)重及公式（2），可得各一級(jí)指標(biāo)評(píng)分。一、二級(jí)指標(biāo)評(píng)分表見表5。由表5 中各一級(jí)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重。由公式（4），可得最終綠色建筑評(píng)分分值：

表5 一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)評(píng)分與改進(jìn)提升空間表

參照綠色建筑評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可將西十二樓綠色建筑等級(jí)劃分為二級(jí)。

為針對(duì)各二級(jí)指標(biāo)評(píng)分情況更好的優(yōu)化綠色建筑性能，提出二級(jí)指標(biāo)改進(jìn)提升空間，計(jì)算方法見公式（5），即二級(jí)指標(biāo)分值到最優(yōu)分值可提升的分值乘以相對(duì)應(yīng)的權(quán)重。由公式（5）計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)的改進(jìn)提升空間并排序如表5 所示。由表可知，二級(jí)指標(biāo)室內(nèi)熱濕環(huán)境及節(jié)能與能源利用改進(jìn)提升空間最大。因此，應(yīng)對(duì)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境及節(jié)能與能源利用相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化與提高。

4 結(jié)論

本研究提出一種基于BIM 技術(shù)及綠色建筑模擬軟件的方法，重新構(gòu)建了基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)建筑進(jìn)行評(píng)價(jià)并進(jìn)行改進(jìn)提升空間分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文構(gòu)建了基于BIM 技術(shù)的綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并制定了分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合綠色建筑模擬軟件，從安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約及環(huán)境宜居5 個(gè)方面確定5 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、15 個(gè)二級(jí)指標(biāo)及45個(gè)三級(jí)指標(biāo)，采用專家打分，確定各指標(biāo)權(quán)重。結(jié)合指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重通過層層加權(quán)求和得到最終綠色建筑評(píng)分，將綠色建筑最終評(píng)分按照從低到高分為不合格、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)四個(gè)等級(jí)；

（2）以武漢市華中科技大學(xué)西十二教學(xué)樓為例，構(gòu)建BIM 模型，按照模型參數(shù)獲取通過BIM 模型直接獲取的指標(biāo)，將通過BIM 結(jié)合綠色建筑模擬軟件獲取的指標(biāo)分為安全模擬、光環(huán)境模擬、熱環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬及風(fēng)環(huán)境模擬五個(gè)角度，將BIM 模型傳遞到綠色建筑模擬軟件中進(jìn)行模擬分析，在避免重復(fù)建模的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)軟件間互操作性；

（3）通過將軟件模擬結(jié)果與各專項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比分析得到各三級(jí)指標(biāo)得分，基于各指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重層層加權(quán)求和，得到最終綠色建筑評(píng)分為74 分，可將西十二教學(xué)樓綠色建筑等級(jí)劃分為二級(jí)。通過計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)改進(jìn)提升空間并排序，確定改進(jìn)提升空間最大的二級(jí)指標(biāo)為室內(nèi)熱濕環(huán)境，其次為節(jié)能與能源利用，因此，在后續(xù)綠色建筑研究中，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)這兩項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。