黨曉暉

（甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

隨著社會的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，低碳理念下綠色建筑的設(shè)計受到高度關(guān)注。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的快速發(fā)展，提高了綠色建筑設(shè)計效率，同時，完整的模型信息為建筑的綠色運(yùn)營帶來更多的便捷性與實用性。盡管BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計上已取得了一定的成果，但是沒有相關(guān)研究論述如何將BIM技術(shù)應(yīng)用于全過程綠色建筑設(shè)計。因此，BIM技術(shù)協(xié)同性的優(yōu)勢，并未能最大化地應(yīng)用于全過程綠色建筑設(shè)計中各專業(yè)的同步設(shè)計。針對BIM技術(shù)全過程綠色設(shè)計的概念，提出了BIM 技術(shù)在不同綠色建筑設(shè)計階段中的應(yīng)用策略，BIM技術(shù)的應(yīng)用可推進(jìn)綠色建筑設(shè)計的進(jìn)步，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。

2 概述

2.1 BIM技術(shù)概述

BIM是通過計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）等信息技術(shù)上發(fā)展起來的多維模型信息集成技術(shù)[1]，它可以通過數(shù)字信息的方式傳遞出建筑物的三維幾何形狀、建筑構(gòu)件的材料、價格及項目的建造進(jìn)度等。BIM模型通過可視化的方式來表達(dá)建筑的效果圖與建筑的模型幾何信息。同時，BIM模型具有對象化的特點(diǎn)，在建筑項目設(shè)計、建造、運(yùn)營等過程中可直接影響人員的調(diào)配、溝通和決策。BIM模型的多元化特點(diǎn)，能夠通過自身的數(shù)據(jù)庫輸出項目所需的信息。

2.2 綠色建筑設(shè)計概述

綠色建筑是指在全生命期內(nèi)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，最大限度實現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑[2]。相較于傳統(tǒng)建筑，綠色建筑的特點(diǎn)就是低碳、低能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。首先，綠色建筑應(yīng)充分利用自然資源，包括自然采光、自然通風(fēng)等；其次，綠色建筑在追求可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)下，提出因地制宜，就地取材的要求，從而達(dá)到節(jié)約資源的目標(biāo)。同時，現(xiàn)階段在“雙碳”政策的背景下，綠色建筑更是需要滿足全生命周期內(nèi)低碳排放的建設(shè)目標(biāo)。

3 基于BIM技術(shù)的綠色建筑設(shè)計

3.1 BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

BIM技術(shù)基于對項目的信息建立、系統(tǒng)管理和技術(shù)共享，從而實現(xiàn)綠色建筑全生命周期的建設(shè)目標(biāo)。BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑設(shè)計階段，不僅保障了綠色建筑項目的設(shè)計周期，而且能夠有效地控制項目的建設(shè)成本，更重要的是確保了綠色建筑最終建設(shè)完成的質(zhì)量。首先，BIM技術(shù)對綠色建筑設(shè)計的價值具體體現(xiàn)在工作界面的可視化，不同于方案效果圖的展示作用，BIM模型的三維信息可直接提供綠色建筑評價所需要的大量模擬數(shù)據(jù)，且能夠給非建筑專業(yè)的業(yè)主及用戶提供清晰明了的工程圖紙，同時直接表達(dá)出建筑的內(nèi)部空間關(guān)系及各類管線排布。其次，BIM技術(shù)還提供了建設(shè)項目的完整工程信息的數(shù)字表達(dá)，通過BIM技術(shù)可以有效地保存從前期策劃、方案設(shè)計、深化設(shè)計、施工圖設(shè)計各個階段的工程數(shù)據(jù)，從而可以在之后的施工過程、運(yùn)營使用時方便地提取。同時，BIM技術(shù)能夠精準(zhǔn)追蹤建筑拆除階段的數(shù)據(jù)，從而提供建筑全生命周期的碳排放數(shù)據(jù)。除此之外，BIM技術(shù)對綠色建筑設(shè)計的價值還體現(xiàn)在工程信息數(shù)據(jù)及各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性與互動性。對綠色建筑設(shè)計進(jìn)行模擬時，如有參數(shù)需要調(diào)整，在建筑專業(yè)修改后，能及時反饋給各個專業(yè)從而同步修正設(shè)計，起到協(xié)同設(shè)計共同完成綠色建筑設(shè)計的目的，提高設(shè)計的工作效率。而設(shè)備專業(yè)的管線碰撞檢查等措施，則能有效避免施工過程中的浪費(fèi)，從而有效合理地保證工程質(zhì)量。

3.2 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計中的方法

對比傳統(tǒng)流程設(shè)計過程的反復(fù)性，BIM技術(shù)可以有效地推動綠色建筑的正向設(shè)計流程，從前期階段的場地分析研究，包括對當(dāng)?shù)貧夂驐l件的研究，模擬出最佳朝向及設(shè)置合理的建筑間距，從而符合國家規(guī)范所要求的相關(guān)日照時數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高土地的利用率，起到節(jié)約土地的目的。方案階段的總圖布局、形體關(guān)系通過對建筑體型的聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境的模擬分析，及時對設(shè)計作出反饋，從而提高了方案的準(zhǔn)確性及舒適性。到后期施工圖階段的不斷深化構(gòu)造材料及管網(wǎng)綜合等，需不同專業(yè)的工程師共同參與，BIM平臺的協(xié)同性優(yōu)勢則能及時反映出問題，從而修正模型參數(shù)，提高建設(shè)項目的質(zhì)量和工作效率。BIM技術(shù)的完備性可體現(xiàn)在對全專業(yè)與系統(tǒng)的整合作用，展現(xiàn)出貫穿設(shè)計、施工、運(yùn)營到拆除的全生命周期流程。

4 BIM技術(shù)在全過程綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用

4.1 前期設(shè)計階段

傳統(tǒng)建筑的前期設(shè)計是對于建筑師經(jīng)驗的過度依賴，BIM技術(shù)作為綠色建筑前期設(shè)計的指導(dǎo)，為達(dá)到相應(yīng)的綠色建筑設(shè)計等級，可以根據(jù)氣候環(huán)境、場地環(huán)境，全面分析相關(guān)的要素及數(shù)據(jù)，從而為設(shè)計提供全面且具體的技術(shù)措施。

4.1.1 氣候環(huán)境分析

綠色建筑設(shè)計前期階段，可以使用BIM軟件Weather Tool對場地氣候進(jìn)行分析，通過對氣象數(shù)據(jù)的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成可視化的圖像，可直觀地反映出場地的相關(guān)氣象信息。同時，為進(jìn)一步了解場地的熱舒適性，可通過軟件提供的焓濕圖數(shù)據(jù)來分析解讀，從而確定場地內(nèi)建筑被動式建筑設(shè)計策略，如圖1所示。其次，通過讀取太陽的熱輻射數(shù)據(jù)，可以針對項目的功能情況，對建筑的朝向及內(nèi)部使用情況作出預(yù)判。除此之外，為了獲得場地內(nèi)的全年主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)頻等數(shù)據(jù)，可以通過氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入Weather Tool軟件，得到逐月的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而制定科學(xué)合理的通風(fēng)策略。

圖1 焓濕圖

4.1.2 場地分析

場地分析的基礎(chǔ)是對場地坡度和高程的分析，實現(xiàn)對場地最大化利用。工程師通過BIM模型，可以進(jìn)行包括坡度分析、高程分析、朝向分析、場地排水分析等內(nèi)容[3]，從而合理地規(guī)劃場地的土方平衡、場地排水等。首先，BIM軟件通過導(dǎo)入DWG或DGN各自的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建出場地的數(shù)字高程模型，如圖2所示?；谶@些數(shù)據(jù)的可視化圖面表達(dá)而了解場地的高差變化、坡度變化，以及排水流向。其次，利用BIM技術(shù)對場地進(jìn)行平整，通過設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)平整面及不同高程點(diǎn)的方式分析現(xiàn)有場地，得到相對準(zhǔn)確的場地土方施工方案，從而提高施工效率。

圖2 BIM三維地形圖

4.2 方案設(shè)計階段

4.2.1 總體布局

通過對場地地形、地貌等前期設(shè)計的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步進(jìn)行日照模擬計算、場地風(fēng)環(huán)境模擬計算等，逐步確定項目的總體布局，包括對建筑的朝向和間距等參數(shù)，從而得到最優(yōu)的總體布局方案，且滿足方案實現(xiàn)綠色建筑的目標(biāo)。

良好的建筑朝向既能滿足冬季的日照要求，又能避免夏季的過度日照，是優(yōu)化建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施。結(jié)合BIM模型的日照分析和Weather Tool的日軌圖，從而了解到建筑朝向與日照之間的關(guān)系，如圖3所示。同時，BIM技術(shù)可以模擬建筑在不同時間段內(nèi)陰影范圍的變化，由此確定建筑的間距。其次，可通過通風(fēng)分析，綜合考慮建筑與冬季、夏季的主導(dǎo)風(fēng)向關(guān)系，從而合理地組織和利用風(fēng)元素。同時，通過模擬建筑的主要?dú)饬鞣较颍刹扇≡龃蠼ㄖg距的方式或順應(yīng)較大風(fēng)向角度的總體布局模式來滿足室內(nèi)良好的通風(fēng)條件。

圖3 場地最佳朝向分析

4.2.2 建筑體量

建筑的體量關(guān)系不僅需要兼顧合理性與功能性，同時，應(yīng)該結(jié)合節(jié)能的要求選擇最優(yōu)的建筑形體，達(dá)到節(jié)能減排的綠色建筑設(shè)計目標(biāo)。通過BIM技術(shù)的可視化和參數(shù)化可迅速建立初始模型。其中，BIM技術(shù)所包含的自適應(yīng)功能可根據(jù)建筑的設(shè)計將現(xiàn)有定位點(diǎn)帶入具有參數(shù)的模型，在載入其他構(gòu)件后，可根據(jù)所需要的定位，逐步對應(yīng)設(shè)計的目標(biāo)要求，根據(jù)參照調(diào)整參照點(diǎn)，形成具有自適應(yīng)性的建筑體量。這種參數(shù)化的建模方式，可以快速有效地創(chuàng)建初期的體量模型，同步進(jìn)行建筑的模擬計算。同時，對模型的參數(shù)有所調(diào)整時，系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的信息作出及時的變化，這就保證了模型信息的同步性與協(xié)調(diào)性。除此之外，BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢也展示在建筑體量的控制上，BIM模型可以方便地進(jìn)行多角度、多場景的觀察，為下一步方案設(shè)計與調(diào)整提供便利性。

4.2.3 性能模擬分析

（1）場地風(fēng)環(huán)境

根據(jù)綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中場地風(fēng)環(huán)境的參數(shù)要求，進(jìn)行場地的風(fēng)環(huán)境模擬后可獲得有效的室外風(fēng)環(huán)境。通常采用CFD模擬分析工具，CFD模擬分析能夠直觀且準(zhǔn)確地反映出自然風(fēng)氣流密度、氣流主導(dǎo)方向、最大流速點(diǎn)等信息，可針對建筑間距、朝向、布局等提供合理優(yōu)化的設(shè)計依據(jù)，進(jìn)而在方案階段能夠及時調(diào)整建筑的總體布局，確保行人的活動區(qū)域風(fēng)速滿足設(shè)計要求，并為項目參與綠色建筑評估提供技術(shù)論證。

（2）場地聲環(huán)境

通常進(jìn)行綠色建筑設(shè)計時，根據(jù)相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，會特別關(guān)注室外環(huán)境中的環(huán)境噪聲。聲環(huán)境的優(yōu)劣直接影響建筑舒適程度，不同于傳統(tǒng)的場地噪聲實測技術(shù)，BIM數(shù)據(jù)模型通過數(shù)字模型，分析建筑的噪聲大小變化曲線、聲強(qiáng)曲線。工程師可通過輸出的數(shù)據(jù)判斷建筑設(shè)計規(guī)劃是否合理、隔音降噪設(shè)施是否滿足要求[4]。BIM模型不僅提升了運(yùn)算速度，而且簡化設(shè)計過程，從而能夠通過模擬獲取較為真實室內(nèi)聲音、聲強(qiáng)分布，有助于進(jìn)一步優(yōu)化建筑設(shè)計。

4.3 深化設(shè)計階段

4.3.1 風(fēng)環(huán)境分析

自然通風(fēng)不僅能滿足過渡季室內(nèi)通風(fēng)換氣的要求，同時也可大幅度降低機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的能耗?；贐IM技術(shù)的室內(nèi)自然通風(fēng)模擬分析，可以對建筑內(nèi)部空間的使用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，符合人體熱舒適的要求，如圖4所示。同時，滿足對室內(nèi)空氣品質(zhì)、室內(nèi)不同區(qū)域的通風(fēng)換氣的要求。針對綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)中主要功能房間換氣次數(shù)不低于每小時2次的要求，可以不斷進(jìn)行設(shè)計的修改優(yōu)化[5]。

圖4 室內(nèi)氣流組織分析

4.3.2 光環(huán)境分析

基于BIM模型的自然采光模擬，可以通過調(diào)整建筑布局，改變墻體、地面、頂棚的材質(zhì)及窗戶、幕墻的可見光透射比等設(shè)計措施，從而優(yōu)化建筑室內(nèi)空間設(shè)計，改善建筑的自然采光，減少建筑的能耗。其次，在進(jìn)行自然采光時還應(yīng)考慮室內(nèi)視野率的模擬計算，確定室內(nèi)對室外的可視區(qū)域，改善使用者的視覺體驗，同時，為了滿足室內(nèi)使用人員的舒適問題，還應(yīng)該同步考慮室內(nèi)采光均勻度計算與眩光計算，在充分利用自然采光的同時，合理地確定開窗形式、開窗面積及人工照明。

4.3.3 能耗分析

在深化設(shè)計階段，建筑體形系數(shù)、朝向、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料等都會影響其節(jié)能計算結(jié)果，通過將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM模型中，可進(jìn)行建筑能耗分析。為了達(dá)到綠色設(shè)計的節(jié)能要求，可根據(jù)分析結(jié)果，不斷調(diào)整建筑的形體關(guān)系、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)，以能夠快速比對方案的全年能耗情況，計算結(jié)果可以滿足綠色建筑的設(shè)計要求，從而到達(dá)綠色建筑高星級的標(biāo)準(zhǔn)。同時，能耗分析可以節(jié)約能源、減少資源消耗，降低溫室氣體排放。

4.3.4 碳排放分析

BIM可以實現(xiàn)整個綠色建筑全壽命周期內(nèi)的碳排放計量，其體現(xiàn)在深化設(shè)計階段，主要是選擇建筑材料的過程。通過BIM模型將建筑材料與排放量分析建立聯(lián)系，各種建筑耗材量與對應(yīng)碳排放因子相乘并且累加可以得出建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸階段的碳排放。對建造階段進(jìn)行模擬，結(jié)合工期的設(shè)定，可提出合理的機(jī)械與材料使用，可以初步推算出此過程碳排放數(shù)據(jù)。對于建筑運(yùn)營階段碳排放，通過碳排放因子與運(yùn)營過程中相應(yīng)的消耗關(guān)系，可以初步計算獲得運(yùn)營中的碳排放量。

4.4 施工圖設(shè)計階段

4.4.1 管線綜合

管線綜合指消除不同管道之間、管道與線路之間、管道線路與建筑結(jié)構(gòu)之間的碰撞，在合理規(guī)劃各專業(yè)管線位置和走向的前提下，減少管線的占用空間，有效節(jié)約建筑的內(nèi)部空間[6]。傳統(tǒng)的施工圖僅通過二維圖紙表達(dá)，容易產(chǎn)生錯漏與碰撞等問題，如圖5所示。BIM技術(shù)通過三維模型，及時反饋真實尺寸下真實管線設(shè)計情況，協(xié)調(diào)不同專業(yè)之間的沖突，確保建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)及設(shè)備專業(yè)之間有序施工，避免錯、漏、碰、撞等現(xiàn)象。同時，根據(jù)碰撞模擬報告，各專業(yè)協(xié)同對設(shè)計進(jìn)行變更，合理設(shè)計設(shè)備管線，綜合調(diào)配設(shè)備分布，提供便捷及充足的維修檢查作業(yè)空間。同時，為后期施工階段降低了成本，節(jié)約了施工時間，加快了施工進(jìn)度。

圖5 BIM中通風(fēng)管道與鋼梁的碰撞檢測

4.4.2 可視化出圖

不同于傳統(tǒng)的平面二維化表達(dá)，BIM模型涵蓋了工程中物理、地理、功能等各種信息。BIM模型的優(yōu)勢在于可以在三維尺度下完成定位及標(biāo)注，并且對模型各類空間進(jìn)行剖切，從而得到一個三維的施工圖圖紙。當(dāng)設(shè)計在有變更的情況時，細(xì)部的調(diào)整和修改可以直接反映在相應(yīng)的圖紙，從而形成調(diào)整后的大樣圖，借助BIM技術(shù)的可視化出圖方式可以提供最簡潔直觀的施工圖圖紙，如圖6所示。

圖6 可視化施工圖出圖

5 小結(jié)

研究針對全過程綠色建筑設(shè)計的BIM應(yīng)用，通過分析和研究綠色建筑設(shè)計過程中每個階段的應(yīng)用策略，發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)與綠色建筑結(jié)合是未來建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在全生命周期的設(shè)計目標(biāo)下，綠色建筑設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)可以提高建筑設(shè)計的完整性與協(xié)調(diào)性。在實際工程建設(shè)過程中，還要對BIM 技術(shù)應(yīng)用不斷進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)一步提高BIM技術(shù)與綠色設(shè)計相結(jié)合的合理性與高效性，為推動綠色建筑設(shè)計星級發(fā)展提供有利條件，提高綠色建筑的設(shè)計質(zhì)量。