BIM建筑性能分析應(yīng)用價(jià)值探討

何 波

(華中科技大學(xué)BIM工程中心，武漢 430074;廣州優(yōu)比建筑咨詢有限公司，廣州 510640)

建筑項(xiàng)目的景觀可視度、日照、風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境等性能指標(biāo)在開發(fā)前期就已經(jīng)基本確定，這些性能指標(biāo)直接關(guān)系到建筑可持續(xù)發(fā)展、使用人員的舒適度、建設(shè)成本以及運(yùn)營維護(hù)成本等，但是由于缺少合適的技術(shù)手段，目前在實(shí)際項(xiàng)目建設(shè)過程中，大部分項(xiàng)目仍然以合規(guī)驗(yàn)算和定性分析為主要手段，很難有足夠時(shí)間和費(fèi)用對(duì)上述各種性能指標(biāo)進(jìn)行多方案分析模擬。BIM技術(shù)以其富含信息的多維建筑模型為上述建筑性能分析的普及應(yīng)用提供了可能性。

1 項(xiàng)目景觀分析

不論是商業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目還是住宅地產(chǎn)項(xiàng)目，環(huán)境景觀是項(xiàng)目定位一個(gè)很重要的因數(shù)。電腦效果圖的出現(xiàn)為地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目帶來巨大的影響，可以說電腦效果圖在項(xiàng)目的開發(fā)前期、尤其是在項(xiàng)目的營銷階段起到非常重要的作用，它是展示項(xiàng)目的一個(gè)最形象、最直觀、最低成本的方法之一。但是，隨著電腦效果圖的普及，特別是對(duì)于美化后的電腦效果圖與真實(shí)環(huán)境的差異對(duì)比，人們對(duì)于電腦效果圖的真實(shí)性也提出了更高的要求:不僅需要美感、也要真實(shí)。這個(gè)需求不僅來自于業(yè)主客戶，也來自于開發(fā)商自己。

雖然電腦效果圖可以制作得很美觀、但缺少真實(shí)數(shù)據(jù)的支持。

不可否認(rèn)，當(dāng)今電腦技術(shù)模擬真實(shí)世界的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到幾可亂真的境地，而且還將繼續(xù)發(fā)展。好萊塢眾多大片展現(xiàn)的電腦特效，已經(jīng)可以亂真，但“逼真”與“真實(shí)”是有本質(zhì)區(qū)別的!

我們說電腦效果的真實(shí)性有兩方面，一是效果表現(xiàn)逼真、二是與真實(shí)世界相符。例如電腦模擬一個(gè)人可以到達(dá)很像人類，讓你幾乎看不出是電腦制作出來的，我們說這是表現(xiàn)逼真，但是，要電腦模擬這個(gè)人像某個(gè)真實(shí)世界的人，譬如說你自己，就會(huì)有差異，至少目前電腦的技術(shù)水平還難以達(dá)到，這就是表現(xiàn)逼真但與真實(shí)世界有差異，這是電腦效果的真實(shí)度方面的局限性之其一。

電腦效果的真實(shí)度方面的局限性之其二，也是我們認(rèn)為最重要的一點(diǎn)，即使電腦效果技術(shù)可以到達(dá)了與真實(shí)世界已經(jīng)差異無幾的境地。但是，它的表現(xiàn)還是只能以“點(diǎn)”來表現(xiàn)。例如，在項(xiàng)目區(qū)域，有一個(gè)價(jià)值比較高的景觀，譬如:一座山、一條河、一片海、或是城市的某個(gè)地標(biāo)性標(biāo)志建筑，當(dāng)然可以做一些電腦效果圖來表現(xiàn)項(xiàng)目建成后與這些環(huán)境的融合效果，我們知道這是以視點(diǎn)的“點(diǎn)”來表現(xiàn)，我們還可以把這些“點(diǎn)”連串起來，也就形成所謂的“動(dòng)畫”，但這些都是以視點(diǎn)往景觀方向看的結(jié)果(如圖1所示)，顯然如果我們要完整評(píng)估整個(gè)項(xiàng)目各個(gè)位置的視點(diǎn)的景觀價(jià)值，這種方法將工作量巨大，所以基于這種方法只能采用有限的“點(diǎn)”來表現(xiàn)，因此無法全面、科學(xué)地評(píng)估。

BIM技術(shù)的應(yīng)用，可以從另一角度，或者說是與電腦效果圖的“視線”的反方向來進(jìn)行分析，也就是說我們把項(xiàng)目BIM模型與環(huán)境場景位置精確定位后，從價(jià)值比較高的景觀反算出項(xiàng)目各位置、對(duì)于該景觀的可視度。

根據(jù)需要，可以選擇模型中任意的位置，準(zhǔn)確的講就是任意的面，通常這些面就是窗戶、陽臺(tái)等，經(jīng)過軟件分析計(jì)算，從而得出景觀物體在這些面的景觀可視度的數(shù)據(jù)，可以通過顏色、數(shù)值等多種不同的、直觀的表現(xiàn)形式展現(xiàn)其景觀可視度的情況。例如，把小區(qū)的戲水池作為景觀物體，對(duì)于小區(qū)其中一棟住宅的主臥室的窗戶進(jìn)行分析，計(jì)算出在某個(gè)單元的某個(gè)窗戶在不同樓層對(duì)于戲水池的可視度(如圖2所示)。

這樣就可以比較全面地評(píng)估任意位置的景觀可視度，從而為項(xiàng)目的整體評(píng)估提供較全面、科學(xué)的依據(jù)。

2 項(xiàng)目環(huán)境日照分析

國家已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中規(guī)定了日照標(biāo)準(zhǔn)，隨著人們對(duì)居住品質(zhì)的要求不斷提高，對(duì)日照的認(rèn)識(shí)、要求也提到空前的高度，尤其是我國的北部地區(qū)，緯度較高，人們對(duì)日照的重視度也較高，據(jù)有關(guān)資料顯示，日照和建筑間距信訪量占城市建設(shè)相關(guān)總信訪量比例不斷飆升，房屋的日照糾紛已經(jīng)不容忽視。而且對(duì)于地產(chǎn)開發(fā)，日照情況的好壞也決定了房屋的價(jià)值。因此，如何合理利用土地資源，通過科學(xué)的手段做出日照情況良好的設(shè)計(jì)是地產(chǎn)開發(fā)一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

目前，比較常見的方法是多方案比較。由于每一個(gè)方案都需要大量時(shí)間制作，因此也不可能做太多的對(duì)比的方案，所以大多數(shù)情況還得靠經(jīng)驗(yàn)來主觀衡量，從而導(dǎo)致了日照的準(zhǔn)確性不夠理想。另外一個(gè)問題是目前的建筑設(shè)計(jì)還是以二維設(shè)計(jì)為主，對(duì)應(yīng)體型比較復(fù)雜的建筑物，常規(guī)的日照計(jì)算軟件可能誤差較大，這將留下日照糾紛隱患。

BIM技術(shù)的引入，大大提高了日照計(jì)算的效率，尤其是提高體型復(fù)雜的建筑物的日照精確度。由于計(jì)算效率的提高，也使多方案比較變得相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

BIM是可以貫穿建筑整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)載體，在不同的階段、不同的專業(yè)應(yīng)用可以具備不同的“維度”，換句話說，它可以在不同的階段，根據(jù)不同的需要?jiǎng)?chuàng)建保存、或提取所需要的信息，模型的詳細(xì)度也隨著階段的不斷深入，逐步地細(xì)化。

在項(xiàng)目方案階段，BIM建模可以是概念模型，它可以只有大致的尺寸和造型，但卻可以提取出面積、容積率等基本數(shù)據(jù)(圖3)。

只要具備項(xiàng)目的地理位置、朝向，把項(xiàng)目概念模型放入該地形圖中，就可以計(jì)算出任意時(shí)間的日照情況(圖4)。

由于基于BIM的概念模型具備比較隨意的拉伸、旋轉(zhuǎn)、變形等參數(shù)化控制，所以，可以根據(jù)日照計(jì)算結(jié)果，很方便地進(jìn)行調(diào)整模型，而關(guān)聯(lián)的面積、容積率等數(shù)據(jù)也隨即變化。所以，我們可以及時(shí)地獲取到不同設(shè)計(jì)方案的日照結(jié)果和面積、容積率等數(shù)據(jù)。(圖5)

此外，還可以針對(duì)某一天進(jìn)行計(jì)算分析，得出這一天日照在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的陰影情況(如圖6)。這樣可以很直觀地評(píng)估建筑物之間陰影的情況，從而可科學(xué)、方便地優(yōu)化和調(diào)整樓宇之間的位置、高度、體型。在已經(jīng)固定的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，創(chuàng)造出更高品質(zhì)項(xiàng)目。

3 項(xiàng)目風(fēng)環(huán)境分析

空氣是人類賴以生存的必要條件，但隨著城市化的發(fā)展，城市面積逐步擴(kuò)大，城市人口增加，各種影響空氣質(zhì)量的排放也隨即增多，工廠、汽車等廢氣排放給城市帶來難以避免的空氣污染問題。雖然、國家、政府乃至企業(yè)都在積極推行技術(shù)改造、節(jié)能減排，但短時(shí)間內(nèi)還很難從根本上解決空氣污染的問題。從大的城市環(huán)境來講空氣質(zhì)量問題是客觀存在的，對(duì)于房地產(chǎn)開發(fā)來說，雖然大環(huán)境不好改變，但在客觀存在的前提下，采用先進(jìn)的分析手段，通過調(diào)整建筑設(shè)計(jì)的朝向、造型、自然通風(fēng)組織等方法，充分利用大自然的風(fēng)向流動(dòng)，改善項(xiàng)目的風(fēng)環(huán)境，減少空氣齡的時(shí)間，從而提高空氣質(zhì)量，滿足人們對(duì)健康環(huán)境的追求。此外，良好的自然通風(fēng)，在南方夏季炎熱的天氣還可帶走建筑物的熱量，減少冷負(fù)荷，達(dá)到一定的節(jié)能作用，這將在后面章節(jié)再詳細(xì)討論。

提高空氣質(zhì)量一個(gè)重要的手段首先是改善建筑物外環(huán)境的空氣自然流動(dòng)，減少室外空氣齡的時(shí)間，因?yàn)橹挥型獠靠諝赓|(zhì)量改善了，才有條件提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量，否則，如果室外空氣質(zhì)量都不好，室內(nèi)空氣質(zhì)量改善也就無從說起。

因此，在項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，就要先進(jìn)行項(xiàng)目環(huán)境的風(fēng)環(huán)境分析。首先，把周邊環(huán)境的基本體量模型建立起來，再加上項(xiàng)目本身的方案模型，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬分析，得出空氣的流動(dòng)形態(tài)，然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

風(fēng)環(huán)境模擬分析主要內(nèi)容包括:空氣齡、風(fēng)速和風(fēng)壓。

(1)空氣齡分析

主要是分析空氣在某一點(diǎn)的停留時(shí)間，空氣停留時(shí)間越長，說明空氣流通就越差，通過計(jì)算模擬后，可以得出空氣齡分布圖(圖7)。從這張圖的空氣齡的分布情況看，紅顏色區(qū)域表示空氣齡比較長，空氣就比較混濁，而藍(lán)色區(qū)域表示空氣齡比較短，空氣質(zhì)量相對(duì)較好。

對(duì)于住宅項(xiàng)目，通過對(duì)空氣齡的分析，調(diào)整優(yōu)化戶型布局，可以提高其性能，從而提高項(xiàng)目品質(zhì)和開發(fā)商銷售效益。

而對(duì)于大型公共商業(yè)項(xiàng)目，良好的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)可以減少機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)所需的能耗，同時(shí)合理的通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)可以提高人的舒適度，提高商業(yè)項(xiàng)目的品質(zhì)。

(2)風(fēng)速分析

風(fēng)速分析主要是考慮兩方面的因素:一是公共商業(yè)建筑室內(nèi)通風(fēng)空調(diào)區(qū)域的風(fēng)速給人造成的不舒適;二是城市高樓集中區(qū)域，自然風(fēng)受到高樓的阻擋在局部區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)，從而導(dǎo)致行人行走困難，附件商店、廣告牌被吹翻等問題，國外還出現(xiàn)過因高樓局部產(chǎn)生瞬間強(qiáng)風(fēng)使行人受傷導(dǎo)致民事訴訟。

夏季人體感覺比較舒適的風(fēng)速在0．5～1m/秒，通常風(fēng)速的允許極限是在10m/秒，而風(fēng)速在14～17m/秒就會(huì)導(dǎo)致步行困難，按照中國氣象報(bào)社2010年發(fā)布的數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速在17．2～20．7m/秒為8級(jí)大風(fēng)，可以折毀樹枝，對(duì)戶外的商店擺設(shè)、廣告牌等就可能造成損壞。所以，通過項(xiàng)目環(huán)境的風(fēng)速分析，避免高樓局部區(qū)域產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)，可以提高項(xiàng)目的品質(zhì)，降低項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)風(fēng)壓分析

項(xiàng)目環(huán)境的風(fēng)壓分析，與前面講到的空氣齡、風(fēng)速是互相關(guān)聯(lián)的，通常風(fēng)速大，風(fēng)壓也大。風(fēng)速大，空氣流動(dòng)快，空氣齡就短。項(xiàng)目環(huán)境的風(fēng)壓分析，對(duì)于主要利用自然通風(fēng)的住宅是比較有作用，尤其是在我國南方夏季氣溫較高地區(qū)，良好的自然通風(fēng)是提高舒適度的基礎(chǔ)。

對(duì)于自然通風(fēng)的室內(nèi)空氣流動(dòng)，主要是靠室內(nèi)外空氣壓力差產(chǎn)生——換氣動(dòng)力。所以，如果住宅在夏季季候風(fēng)的迎風(fēng)面上形成一定的風(fēng)壓，就會(huì)產(chǎn)生室內(nèi)空氣流動(dòng)的動(dòng)力，只要打開窗戶，外邊新鮮空氣就進(jìn)入。當(dāng)然，戶型設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵，如同上述的空氣齡分析一樣，良好的平面布局，合理的門窗位置，都是改善室內(nèi)空氣自然流通的關(guān)鍵因素。綜合上述所講的空氣齡、風(fēng)速、風(fēng)壓三個(gè)方面的分析模擬，項(xiàng)目設(shè)計(jì)就可以綜合考慮項(xiàng)目的使用功能，景觀視線，自然采光，空氣自然流動(dòng)的路線等因素，提高項(xiàng)目的品質(zhì)。

4 項(xiàng)目環(huán)境噪音分析

安靜是良好環(huán)境的其中一個(gè)重要條件，現(xiàn)代城市人白天工作緊張，家是最好的港灣，辛苦一天能睡個(gè)安穩(wěn)覺是身心修復(fù)的最佳辦法。然而隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，建筑密度增大，道路行駛的汽車增多，城市噪音污染也隨即增大。2008年8月19日國家環(huán)保部頒布了新的《社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定醫(yī)院病房、住宅臥室、賓館客房等以休息睡眠為主、需要保證安靜的環(huán)境，最高級(jí)別是夜間(22時(shí)至次日6時(shí))噪聲不得超過30分貝，白天(6時(shí)至22時(shí))不得超過40分貝。當(dāng)然，衡量噪音的分貝值對(duì)于大多數(shù)非專業(yè)人士來講是一個(gè)抽象的數(shù)值。為了使讀者能夠有感性的認(rèn)識(shí)，表1列舉了摘自百度百科的關(guān)于音量分貝類比:

表1 音量分貝類比

項(xiàng)目環(huán)境噪音分析，就是把項(xiàng)目周邊已存在的、我們無法改變的現(xiàn)狀:諸如道路、人群活動(dòng)比較多的廣場、娛樂場所等產(chǎn)生噪音比較大的噪音源放入到項(xiàng)目模型中進(jìn)行分析模擬(圖9)。

通過分析模擬，對(duì)受噪音影響比較嚴(yán)重的戶型，選擇雙層玻璃、隔音樓板和隔音墻體、吸音材料、調(diào)整窗戶方向避免噪音直線傳播等措施。增加擋音墻、種植隔音效果較好的樹木等等，改善整體項(xiàng)目噪音環(huán)境。

5 項(xiàng)目環(huán)境溫度分析

人體對(duì)于空氣的溫度是比較敏感的，人感覺舒適的溫度還與濕度、風(fēng)等要素有關(guān)，我國的設(shè)計(jì)規(guī)范要求室內(nèi)溫度夏季在24～26℃ ，冬季在16～20℃。然而我們都知道，如果要采用非自然的保溫措施，是需要消耗大量能源的。

2010年10月28日中國建設(shè)報(bào)在《我國的建筑能耗現(xiàn)狀與趨勢(shì)》提到:“我國北方城鎮(zhèn)采暖能耗占全國建筑總能耗的36%，為建筑能源消耗的最大組成部分。單位面積采暖平均能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤為20kg/m2·年，為北歐等同緯度條件下建筑采暖能耗的2～4倍。能耗高的主要原因有3個(gè)。一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫不良。二是供熱系統(tǒng)效率不高，各輸配環(huán)節(jié)熱量損失嚴(yán)重。三是熱源效率不高。由于大量小型燃煤鍋爐效率低下，熱源目前的平均節(jié)能潛力在15% ～20%?！?/p>

因此，良好的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，是節(jié)省能耗的一個(gè)重要措施。此外，按照我國《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提到:“在冷卻工況下，室內(nèi)計(jì)算溫度每升高1℃，能耗可減少8% ～10%?！庇猛ㄋ滓稽c(diǎn)的說法就是在夏天制冷時(shí)，我們把室內(nèi)溫度設(shè)定每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。對(duì)于南方需要空調(diào)降溫時(shí)間比較長的地區(qū)，如果自然通風(fēng)環(huán)境良好，就可以減少空調(diào)制冷時(shí)間，同時(shí)如果室外自然溫度較低時(shí)，室內(nèi)制冷的能耗也相應(yīng)下降。

項(xiàng)目環(huán)境溫度分析，主要有兩項(xiàng)工作:一是項(xiàng)目小區(qū)域的溫度分析;二是室內(nèi)溫度分析。通過建立項(xiàng)目區(qū)域BIM模型，結(jié)合相關(guān)氣候數(shù)據(jù)屬性，分析模擬出項(xiàng)目區(qū)域的熱環(huán)境情況，如圖10紅色區(qū)域?yàn)闇囟缺容^高的地方。

根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整環(huán)境設(shè)計(jì)，譬如調(diào)整建筑物布局，改善自然通風(fēng)路線，增加水景、綠化等措施，以降低局部區(qū)域溫度等等。

由于目前建筑設(shè)計(jì)在采暖、制冷的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，主要是考慮建筑自身的設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)于建筑外部空間的熱環(huán)境分析是很少顧及的。而實(shí)際上外部空間的熱環(huán)境對(duì)室內(nèi)溫度的影響是很大的，尤其是南方夏季溫度較高地區(qū)，生活體驗(yàn)也都告訴我們，如果室外通風(fēng)良好、綠化、水景較多，感覺就涼爽一些。因此，項(xiàng)目區(qū)域的溫度分析，是保障項(xiàng)目整體環(huán)境的一個(gè)重要手段。

對(duì)于室內(nèi)溫度分析，我們?cè)贐IM模型里，加入建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱特征值，諸如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱擴(kuò)散率、熱容量、密度等數(shù)據(jù)，除了通常的冷熱負(fù)荷計(jì)算，也就是室內(nèi)設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，冬季的供暖和夏季的制冷最大值計(jì)算外，還進(jìn)行全年的室內(nèi)溫度分析，優(yōu)化室內(nèi)溫度的設(shè)定值。

前述已經(jīng)提到，我國《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提供的參考數(shù)據(jù):“在加熱工況下，室內(nèi)計(jì)算溫度每降低1℃，能耗可減少5% ～10%;在冷卻工況下，室內(nèi)計(jì)算溫度每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。為了節(jié)省能源，應(yīng)避免冬季采用過高的室內(nèi)溫度，夏季采用過低的室內(nèi)溫度……”。因此，通過全年的室內(nèi)溫度分析，優(yōu)化室內(nèi)溫度的計(jì)算值，繼而優(yōu)化供暖和制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在滿足舒適度的前提下減少能耗，節(jié)約使用成本。

圖13 全年能耗分析結(jié)果

［1］何關(guān)培．BIM在建筑業(yè)的位置、評(píng)價(jià)體系及可能應(yīng)用［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(1):109-116．

［2］李騰．BIM在綠色建筑評(píng)估體系的室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用中的可行性研究［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(3):20-24．

［3］紀(jì)谷文樹編．李農(nóng)，楊燕，譯．建筑環(huán)境設(shè)備學(xué)(日)．

［4］何關(guān)培新浪博客，http://blog．sina．com．cn/heguanpei

［5］歐特克(中國)官方網(wǎng)站:http://www．a(chǎn)utodesk．com．cn/

［6］云朋，編著．ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程．