摘 要：采用BIM 技術(shù)可以對(duì)對(duì)建筑進(jìn)行全生命周期管理，從而提高大型公共建筑的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。本文旨在探討基于BIM技術(shù)的綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)方法，通過(guò)使用BIM軟件創(chuàng)建建筑模型，保證建筑結(jié)構(gòu)、空間布局更為協(xié)調(diào)，并通過(guò)能源模擬和優(yōu)化，降低建筑實(shí)際能耗，提高綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)的協(xié)同性和一致性，全面考慮建筑環(huán)保性能，為推動(dòng)綠色建筑發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，促進(jìn)可持續(xù)城市建設(shè)與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；綠色節(jié)能；公共建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU 71" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在綠色建筑中，大型公共建筑的設(shè)計(jì)與建造尤為關(guān)鍵，其規(guī)模大、影響力廣泛，因此對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往缺乏對(duì)施工和運(yùn)維階段的考慮，導(dǎo)致設(shè)計(jì)與實(shí)際施工存在差距，影響工程質(zhì)量和效率。而B(niǎo)IM技術(shù)可以對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整，減少施工期間的變更和錯(cuò)誤，提高建筑的施工質(zhì)量和效率[1]。同時(shí)，在建筑運(yùn)維階段，可以將BIM模型作為數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，為后續(xù)維護(hù)和管理提供方便。因此，本文將重點(diǎn)關(guān)注基于BIM技術(shù)的綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)方法，從收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、創(chuàng)建建筑模型、能耗優(yōu)化和管理、智能控制系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行深入探討，以推動(dòng)綠色建筑理念在大型公共建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為未來(lái)城市的綠色化建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

1 工程概況

該綠色大型公共建筑項(xiàng)目位于城市中心，總建筑面積為89661㎡，建筑群共分為A、B、C這3個(gè)功能區(qū)，總層數(shù)為7層。該綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)充分考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，在外觀布局、功能分區(qū)、節(jié)能環(huán)保等方面的要求極高。在綠色大型公共建筑的設(shè)計(jì)階段，利用BIM工具創(chuàng)建三維建筑模型，最大程度利用可用空間，降低建筑能耗。在施工和實(shí)際應(yīng)用階段，使用BIM技術(shù)進(jìn)行智能控制系統(tǒng)集成，優(yōu)化建筑設(shè)備。利用BIM技術(shù)，將可再生能源利用、節(jié)水、節(jié)能、循環(huán)利用等理念融入建筑設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保的建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 BIM技術(shù)在綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可行性

BIM技術(shù)是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡(jiǎn)稱，它是一種基于三維模型的數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)和管理方法[2]。BIM技術(shù)通過(guò)將建筑的幾何形狀、空間關(guān)系、材料屬性等信息整合到一個(gè)統(tǒng)一的模型中，對(duì)建筑全生命周期進(jìn)行管理與協(xié)同。BIM技術(shù)在綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如圖1所示。

BIM技術(shù)在綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可行性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，BIM技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段提供全面的可視化信息，幫助設(shè)計(jì)師更好地評(píng)估和優(yōu)化建筑的綠色性能。通過(guò)使用BIM軟件，設(shè)計(jì)師可以模擬建筑的能源使用情況、采光效果、通風(fēng)系統(tǒng)等，評(píng)估建筑的能耗和環(huán)境影響。同時(shí)，BIM技術(shù)可以進(jìn)行碳排放計(jì)算和生命周期分析，幫助設(shè)計(jì)師選擇合適的材料和技術(shù)，以減少建筑在使用和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷。

其次，BIM技術(shù)支持多專業(yè)的協(xié)同工作，有利于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的合作與溝通。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同專業(yè)之間的信息交流和協(xié)調(diào)常常存在困難，導(dǎo)致綠色設(shè)計(jì)的效果不佳。而B(niǎo)IM技術(shù)可以將建筑的幾何、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等信息整合到一個(gè)統(tǒng)一的模型中，各專業(yè)可以在同一個(gè)模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改，實(shí)時(shí)共享信息和交流意見(jiàn)。這種協(xié)同工作的方式可以提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，保證綠色設(shè)計(jì)的一致性和可持續(xù)性。

最后，BIM技術(shù)在建筑施工和運(yùn)營(yíng)階段也有助于綠色大型公共建筑的管理與監(jiān)控。通過(guò)與建筑信息模型進(jìn)行集成，可以對(duì)建筑的能源消耗、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題[3]。同時(shí)，BIM技術(shù)還可以用于建筑的維護(hù)計(jì)劃和設(shè)備管理，提高運(yùn)營(yíng)效率和節(jié)約資源。這些功能使綠色大型公共建筑可以更加智能、高效地運(yùn)行，減少不必要的能耗和環(huán)境污染。

3 基于BIM技術(shù)的綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)方法

3.1 收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

當(dāng)利用BIM技術(shù)對(duì)綠色大型公共建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，包括對(duì)項(xiàng)目所處環(huán)境進(jìn)行調(diào)研和數(shù)據(jù)收集，例如氣候條件、地形狀況、建筑周圍的環(huán)境特征等。同時(shí)，還須收集與建筑設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如場(chǎng)地信息、建筑物參數(shù)等。使用DJI Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，獲取建筑周邊地區(qū)的空照?qǐng)D片，并通過(guò)后期處理獲取高程、坡度等地形數(shù)據(jù)。使用FARO FocusS150激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取準(zhǔn)確的建筑物三維數(shù)據(jù)，包括立面、平面、結(jié)構(gòu)等信息。配置激光掃描儀的掃描分辨率為每像素0.01mm，掃描密度為1000點(diǎn)/㎡，以提供更精細(xì)的細(xì)節(jié)，最大掃描距離達(dá)到150m，有效掃描范圍約為水平360°和垂直300°，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和密度。對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)、拼接等操作，將不同位置的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行精確對(duì)齊，點(diǎn)云之間距離的計(jì)算公式如公式（1）所示。

d（P，Q）=（1-N）·∑||Q-T（P）||2 （1）

式中：d（P，Q）為點(diǎn)云P和Q之間的距離；N為點(diǎn)云中的點(diǎn)數(shù)；||Q-T（P）||2為每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平方歐氏距離，即Q中的點(diǎn)與通過(guò)T變換后的P中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離。給定兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集P和Q，假設(shè)它們經(jīng)過(guò)對(duì)齊后的剛體變換矩陣為T，衡量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)云之間的相似程度[4]。通過(guò)優(yōu)化變換矩陣T，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云精確對(duì)齊，收集綠色大型公共建筑設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)生成高質(zhì)量的三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，促進(jìn)綠色建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施和優(yōu)化。

3.2 創(chuàng)建建筑模型

基于收集到的數(shù)據(jù)，利用Revit軟件作為BIM工具，將數(shù)據(jù)迅速轉(zhuǎn)化為三維模型。定義建筑模型的整體結(jié)構(gòu)，確定建筑的整體形狀、樓層數(shù)量、布局等，并根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行初步分析和規(guī)劃[5]。利用Revit軟件工具繪制建筑各個(gè)樓層的基本幾何形狀，包括墻壁、樓板、柱子等。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在模型中添加建筑內(nèi)部元素，例如門窗、樓梯、電梯等，并將各類系統(tǒng)（例如供電、供水、通風(fēng)等）的組件添加到模型中，保證系統(tǒng)元素與公共建筑結(jié)構(gòu)、空間布局相協(xié)調(diào)。創(chuàng)建建筑模型的流程圖，如圖2所示。

為了更好地模擬建筑物的真實(shí)性能和特征，需要為建筑模型分配材料和屬性。根據(jù)建筑構(gòu)件的功能和要求，為其分配適當(dāng)?shù)牟牧蠀?shù)和屬性信息，例如強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、反射率等。在創(chuàng)建建筑模型的過(guò)程中，利用交叉熵?fù)p失函數(shù)，衡量模型結(jié)果與真實(shí)標(biāo)簽之間的差距，保證模型的準(zhǔn)確性、完整性和一致性。計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

ζ=-∑（ψ·log（ψ'）） （2）

式中：ψ為真實(shí)標(biāo)簽；ψ'為模型結(jié)果。log為自然對(duì)數(shù)。通過(guò)獲取損失值ζ，能夠有效地衡量模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并且在反向傳播過(guò)程中提供明確的梯度信息，從而有助于對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化。

將建筑模型導(dǎo)出為可供其他軟件使用的IFC格式，以便后續(xù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。通過(guò)Revit客戶端或Revit云端，多個(gè)成員可同時(shí)訪問(wèn)建筑模型，實(shí)時(shí)共享設(shè)計(jì)信息，編輯和查看模型的特定部分，通過(guò)迭代的方式逐步完善設(shè)計(jì)方案，以保證建筑模型正確創(chuàng)建。

根據(jù)不同項(xiàng)目的需求和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)最小間距等檢測(cè)規(guī)則和限制條件進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

（3）

式中：（x1，y1）為第一個(gè)元素的中心點(diǎn)坐標(biāo)；（x2，y2）為第二個(gè)元素的中心點(diǎn)坐標(biāo)。利用Revit軟件提供的模型檢查工具，例如“審閱”“查找和標(biāo)記”或“沖突檢測(cè)”等，對(duì)建筑模型進(jìn)行檢查和驗(yàn)證，自動(dòng)分析模型中各元素（例如結(jié)構(gòu)、機(jī)電、管線等）的位置、尺寸和屬性等信息，查詢并解決構(gòu)件重疊、尺寸錯(cuò)誤和沖突等問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。在完成必要的調(diào)整和修正后，再次運(yùn)行碰撞檢測(cè)工具，以確認(rèn)模型中的沖突和錯(cuò)誤已得到解決。如果再次檢測(cè)結(jié)果顯示沒(méi)有沖突，即可確定模型已經(jīng)通過(guò)了碰撞檢測(cè)。通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決這些沖突，避免后期施工和運(yùn)營(yíng)階段的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確和協(xié)調(diào)的綠色大型建筑設(shè)計(jì)，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效益。

3.3 能源優(yōu)化和管理

結(jié)合建筑的實(shí)際情況，利用Revit軟件進(jìn)行能源模擬和優(yōu)化，對(duì)建筑的能源需求進(jìn)行分析。通過(guò)收集和整合建筑各種數(shù)據(jù)，例如使用功能、建筑材料、設(shè)備配置等信息，得出建筑的能源使用情況和未來(lái)的能源需求。建筑能耗EC的計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

EC=∑（Pi·Ai·Ci·Di·Ri·Ti） （4）

式中：Pi為建筑物各個(gè)功能區(qū)域的能耗比例；Ai為對(duì)應(yīng)區(qū)域的面積；Ci為對(duì)應(yīng)區(qū)域的能耗系數(shù)；Di為對(duì)應(yīng)區(qū)域的天氣系數(shù)；Ri為對(duì)應(yīng)區(qū)域的建筑朝向系數(shù)；Ti為對(duì)應(yīng)區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間系數(shù)。利用BIM工具計(jì)算建筑物的碳排放量，CO2排放量V的計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

V=·c （5）

式中：為能源消耗；c為碳排放系數(shù)?；谔寂欧帕磕繕?biāo)，采取相應(yīng)的減排措施，例如使用可再生能源、改善能源利用效率等。為保證公共建筑達(dá)到合格的舒適和實(shí)用程度，計(jì)算室內(nèi)環(huán)境舒適度PMV，如公式（6）所示。

PMV=m-w-k-z-r （6）

式中：m為新降溫指數(shù)；k為內(nèi)部工作熱量；z為冷風(fēng)參數(shù)；r為輻射溫度。根據(jù)PMV的數(shù)值范圍，可以判斷舒適度的級(jí)別，設(shè)定PMV在-0.5～+0.5表示舒適。將能耗最小化、室內(nèi)舒適度最大化、設(shè)備利用率最優(yōu)等作為優(yōu)化目標(biāo)，將建筑材料、設(shè)備類型、控制策略等作為基因，編碼成二進(jìn)制字符串的表示形式。將隨機(jī)生成一定數(shù)量的個(gè)體作為初始種群，每個(gè)個(gè)體都代表一組參數(shù)的可能取值。使用建筑模型對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估，獲取綜合能耗指標(biāo)EI，計(jì)算過(guò)程如公式（7）所示。

EI=W1·E1+W2·E2+W3·E3+…+Wn·En （7）

式中：E1、E2、E3…En 分別為不同的能源指標(biāo)，例如建筑能耗、碳排放、室內(nèi)環(huán)境舒適度等；W1、W2、W3…Wn為對(duì)應(yīng)能源指標(biāo)的權(quán)重，用來(lái)調(diào)整各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度。通過(guò)不斷迭代執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)或達(dá)到一定的收斂條件，得到能源優(yōu)化的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。根據(jù)能源模擬結(jié)果，對(duì)建筑的朝向、外墻隔熱、采光設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造和設(shè)備選型等方面進(jìn)行優(yōu)化：優(yōu)先選擇合適的朝向，例如朝南或朝陽(yáng)的方向，以最大程度地利用自然光和太陽(yáng)能資源，減少對(duì)人工照明和空調(diào)系統(tǒng)的需求，從而節(jié)約能源。選擇高效的外墻隔熱材料，例如保溫板、中空玻璃、雙層幕墻等，提高建筑外墻的隔熱性能。合理布置窗戶位置和面積，選擇適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施，例如百葉窗、遮陽(yáng)篷等，最大限度地利用自然光照，減少人工照明。選擇節(jié)能環(huán)保的建筑材料，例如使用高強(qiáng)度、輕質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，減少資源消耗。在建筑構(gòu)造中避免冷、熱橋效應(yīng)，提高整體保溫性能。使用高效的供暖和制冷設(shè)備，例如熱泵系統(tǒng)或地源熱泵系統(tǒng)，選擇節(jié)能型燈具、水暖器具。

通過(guò)合理選擇建筑材料、采用節(jié)能設(shè)備、優(yōu)化建筑外墻保溫等方式，降低綠色大型公共建筑的實(shí)際能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

3.4 智能控制系統(tǒng)集成

通過(guò)BIM技術(shù)與智能控制系統(tǒng)集成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)建筑的能源消耗、溫濕度等參數(shù)，提高能效性，對(duì)建筑設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)控和優(yōu)化。需要在建筑內(nèi)部和外部合適的位置安裝各種傳感器，例如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等，并進(jìn)行采樣頻率、傳感器類型、數(shù)據(jù)精度等參數(shù)設(shè)置，以提供給智能控制系統(tǒng)。采用“有線+無(wú)線”的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)或本地服務(wù)器。在智能控制系統(tǒng)接收到傳感器數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。在Revit軟件中，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析、異常檢測(cè)等操作，以獲取建筑內(nèi)部環(huán)境的狀態(tài)和趨勢(shì)。卷積操作的計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示。

C[i，j]=∑∑（I[x，y]·F[i-x，j-y]） （8）

式中：C[i，j]為輸出特征圖中的像素值；x和y為輸入特征圖中的像素索引；i和j為輸出特征圖中的像素索引。對(duì)建筑外立面進(jìn)行圖像分析，對(duì)溫度、濕度、光照等信號(hào)進(jìn)行濾波和特征提取，用來(lái)評(píng)估建筑的能源效率、室內(nèi)舒適性等指標(biāo)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制方案。根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)來(lái)控制空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)光照數(shù)據(jù)來(lái)控制照明系統(tǒng)，根據(jù)CO2濃度來(lái)控制通風(fēng)系統(tǒng)等。當(dāng)進(jìn)行建筑異常檢測(cè)時(shí)，使用自編碼器等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，將重構(gòu)誤差與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，得到異常得分β，計(jì)算過(guò)程如公式（9）所示。

β=γ/ （9）

式中：γ為重構(gòu)誤差；為閾值。如果重構(gòu)誤差超過(guò)了閾值，即異常得分大于1，就可以判斷為異常，并觸發(fā)相應(yīng)的建筑環(huán)境異常檢測(cè)和警報(bào)功能，從而提供建筑環(huán)境的異常檢測(cè)和警報(bào)功能，對(duì)建筑進(jìn)行智能化監(jiān)控、自動(dòng)化控制。此外，智能控制系統(tǒng)提供可視化界面和用戶交互功能，使用戶可以直觀地了解建筑環(huán)境的狀態(tài)，用戶可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用、電腦界面或者觸屏設(shè)備來(lái)監(jiān)控和調(diào)整建筑設(shè)備的工作狀態(tài)，并進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。從而對(duì)建筑能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，提高能效性，優(yōu)化建筑設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)綠色建筑的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)作為一種集成化的建筑信息管理工具，通過(guò)數(shù)字化建模和多維數(shù)據(jù)交互，能夠提供全面的建筑信息，對(duì)建筑生命周期進(jìn)行全程管理，使其從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)和維護(hù)都能夠得到有效優(yōu)化和控制。此外，BIM技術(shù)還能夠提高建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作效率，減少誤差和沖突，為項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來(lái)，希望BIM技術(shù)能夠進(jìn)一步應(yīng)用于建筑行業(yè)，推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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