BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)系列軟件中的應(yīng)用探討

趙志安 邱相武 姜 立 張 雷

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

1 引言

本論文得到十二五國家科技支撐計(jì)劃課題“基于建筑信息模型綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用“(2012BAJ09B04)的支持，結(jié)合該課題對BIM(建筑信息模型)技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)系列軟件中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

BIM是建筑信息模型的英文縮寫，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的一種新的軟件技術(shù)，BIM從美國發(fā)展起來，逐漸擴(kuò)展到歐美，日本，新加坡等發(fā)達(dá)國家，在2002年后，國內(nèi)逐漸開始接觸BIM的理念和技術(shù)。

基于建筑信息模型的建筑全生命周期分析方法是當(dāng)今軟件開發(fā)的趨勢，國外一些軟件生產(chǎn)商也在開發(fā)商品化軟件，建筑行業(yè)比較典型的軟件是AUTODESK公司的Revit，其基本思想是建立建筑信息模型，為今后設(shè)計(jì)分析提供模型，保證各個(gè)使用階段數(shù)據(jù)的完整和一致，是較為先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)方法。BIM技術(shù)是軟件設(shè)計(jì)通用技術(shù)，可以應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)全過程中，而綠色建筑的設(shè)計(jì)也是建筑設(shè)計(jì)，只是其設(shè)計(jì)目標(biāo)值以綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，因此增加了其特殊性，本文對BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)系列軟件中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

隨著我國綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，政府推進(jìn)綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)程的加快，綠色建筑設(shè)計(jì)的規(guī)模和數(shù)量在我國出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展速度，然而我國綠色建筑設(shè)計(jì)處于起步階段，缺少系統(tǒng)分析工具，綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件存在以下問題:

1)國內(nèi)可以借用的部分綠色建筑設(shè)計(jì)軟件多是節(jié)能設(shè)計(jì)軟件或其擴(kuò)展軟件，許多專業(yè)功能計(jì)算只能依賴于國外軟件，國內(nèi)還沒有建立起自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件體系。

2)國內(nèi)所研發(fā)的綠色建筑設(shè)計(jì)軟件都是相互獨(dú)立的、用于特定功能的應(yīng)用軟件，沒有完全按照建筑信息模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此各軟件之間數(shù)據(jù)描述重復(fù)，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3)在綠色建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中，需要多個(gè)專業(yè)配合，需要的計(jì)算軟件多，目前國內(nèi)各相關(guān)計(jì)算軟件沒有集成在一個(gè)環(huán)境下，無法保證綠色建筑評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和一致性。

綠色建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合設(shè)計(jì)，涉及到建筑全壽命周期，是建筑可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，而BIM技術(shù)的核心是模型，可以對建筑進(jìn)行不同屬性的定義，不同設(shè)計(jì)階段，不同專業(yè)的屬性定義，利用其對象屬性，使得數(shù)據(jù)在全壽命周期都能使用，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到施工數(shù)據(jù)，施工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，為此我們應(yīng)該將目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在綠色建筑設(shè)計(jì)軟件中嘗試使用，解決數(shù)據(jù)不連續(xù)的問題。

2 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)系列軟件中的應(yīng)用探討

按照我國綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綠色建筑評(píng)價(jià)主要反映在“節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量”，所以綠色建筑設(shè)計(jì)就是在設(shè)計(jì)過程中，隨時(shí)關(guān)注掌握設(shè)計(jì)建筑的有關(guān)綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)，能否達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，以便項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。綠色建筑設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專業(yè)，在綠色建筑設(shè)計(jì)過程中使用多個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，包括規(guī)劃、園林、建筑相關(guān)專業(yè)、給排水、采暖通風(fēng)、自然采光、節(jié)能設(shè)計(jì)、能耗分析、能效測評(píng)、自然通風(fēng)設(shè)計(jì)分析等一系列軟件。凡是在設(shè)計(jì)過程中與評(píng)價(jià)有關(guān)的信息均應(yīng)及時(shí)存儲(chǔ)，以便根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段，結(jié)合綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行估計(jì)評(píng)價(jià)，最終達(dá)到綠色建筑星級(jí)評(píng)定要求。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以較好地解決方案調(diào)整，隨時(shí)進(jìn)行新方案評(píng)估的問題。這就要求設(shè)計(jì)分析工具的每個(gè)軟件的設(shè)計(jì)都以建筑信息模型理念為基礎(chǔ)，記錄的數(shù)據(jù)不僅僅是施工圖，而是應(yīng)用模型方法對涉及到的信息進(jìn)行抽象整理后的模型信息。信息可以在各個(gè)設(shè)計(jì)軟件中流通，在設(shè)計(jì)過程中對每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)直接進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)設(shè)計(jì)分析軟件的結(jié)果都能無障礙地被其他應(yīng)用軟件使用。

下面根據(jù)軟件應(yīng)用順序和設(shè)計(jì)過程對BIM技術(shù)進(jìn)行分析。

2．1 工程管理

該軟件是數(shù)據(jù)庫管理軟件，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，此時(shí)的對象就是每個(gè)獨(dú)立的建筑，它的模型信息就是建筑的地理位置、基本描述信息，如建筑名稱等，對于已存在的建筑可以得到建筑各種詳細(xì)屬性。綠色建筑設(shè)計(jì)包括大量的定量分析計(jì)算，不同工程之間，在計(jì)算時(shí)互相影響，如相鄰建筑對設(shè)計(jì)建筑日照采光遮陽計(jì)算的影響，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須盡可能利用已有數(shù)據(jù)，因此須對工程項(xiàng)目進(jìn)行管理，將所涉及的工程項(xiàng)目納入到整個(gè)區(qū)域管理的數(shù)據(jù)庫。以便提取相關(guān)信息。

通過工程管理軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，其集成相關(guān)專業(yè)的不同分析設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)需要直接調(diào)用相關(guān)軟件進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫合適的位置。它是專業(yè)系列軟件的總調(diào)用入口，也是數(shù)據(jù)管理的核心?；究蚣芤妶D1。

圖1 工程管理框架

2．2 規(guī)劃設(shè)計(jì)

該階段對某區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，一些綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)如人均居住用地指標(biāo)、建筑樓層、高度、外輪廓尺寸、建筑位置等作為設(shè)計(jì)成果表現(xiàn)在設(shè)計(jì)結(jié)果中，對規(guī)劃的任何建筑物都應(yīng)記錄這些參數(shù)，其中一些數(shù)據(jù)也是綠色建筑評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)階段詳細(xì)分析需要使用的數(shù)據(jù)。此階段是整體數(shù)據(jù)的描述，獲取宏觀控制參數(shù)，也是建筑群描述數(shù)據(jù)的集成，為工程管理提供重要的整體性信息，為熱島分析和室外風(fēng)環(huán)境計(jì)算提供必要的邊界條件。

圖2 規(guī)劃階段與綠色建筑設(shè)計(jì)相關(guān)的指標(biāo)

2．3 建筑設(shè)計(jì)過程

該階段是建筑設(shè)計(jì)的實(shí)施階段，涉及到建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電多個(gè)專業(yè)，該階段的BIM技術(shù)應(yīng)用比較直觀，建筑信息模型就是描述建筑及其相關(guān)各專業(yè)的模型信息，為今后施工圖設(shè)計(jì)、運(yùn)營維護(hù)提供原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。以建筑本身模型為核心，目前建筑模型信息存在的主要問題是信息不夠細(xì)，其他水暖電專業(yè)的模型不完善，缺少系統(tǒng)模型描述。建筑模型不是真正意義的信息模型，而是為滿足建筑施工圖設(shè)計(jì)的信息模型，經(jīng)常缺少如門、窗、墻、柱、屋頂做法數(shù)據(jù)，需要在其他分析軟件中另外輸入，輸入的信息也無法保留在建筑信息模型中，如負(fù)荷計(jì)算、節(jié)能設(shè)計(jì)、能效測評(píng)計(jì)算需要計(jì)算耗能量，需要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各種熱工數(shù)據(jù)，建筑工程量統(tǒng)計(jì)也需要統(tǒng)計(jì)出各種材料消耗量，在大多數(shù)建筑模型中都無法直接獲取材料屬性數(shù)據(jù)，后續(xù)其他分析計(jì)算必須補(bǔ)充輸入，由于補(bǔ)充輸入不能反饋到建筑模型數(shù)據(jù)中，造成不同模塊需要重復(fù)輸入材料屬性或者從其他應(yīng)用程序中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，造成了操作麻煩，數(shù)據(jù)流通不暢，計(jì)算結(jié)果以各自的存儲(chǔ)格式分別存放在各自的應(yīng)用軟件中，后續(xù)綠色建筑評(píng)價(jià)軟件無法直接讀取，還要二次輸入，造成人工浪費(fèi)和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。對于節(jié)能評(píng)價(jià)部分許多指標(biāo)無法記錄，因?yàn)槟壳按蟛糠止?jié)能分析軟件是單獨(dú)計(jì)算軟件，沒有與建筑本身信息模型掛鉤。需要強(qiáng)化建筑各個(gè)專業(yè)的信息模型。

目前我們正在開發(fā)的能耗分析軟件采用BIM理念對建筑物本身進(jìn)行描述，同時(shí)對空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)房建立獨(dú)立的信息模型，空調(diào)系統(tǒng)信息模型與建筑模型關(guān)聯(lián)，在建筑信息模型基礎(chǔ)上，補(bǔ)充空調(diào)系統(tǒng)信息，根據(jù)建筑房間布置系統(tǒng)，輸入空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備參數(shù)，直接分析出設(shè)計(jì)建筑節(jié)能率、系統(tǒng)新風(fēng)量、熱回收情況、設(shè)備COP等綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)。

日照分析、自然采光與房間關(guān)聯(lián)，直接判斷居室日照情況和房間采光系數(shù)等。在設(shè)計(jì)階段，可以利用的模型信息多，應(yīng)盡可能通過分析獲取數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的不一致性?？梢娊ㄖ畔⒛Ｐ褪菑V義的信息模型，不僅僅限于建筑本身的門墻柱梁。就目前軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用水平和設(shè)計(jì)習(xí)慣而言，要全部獲取綠色建筑評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)還不現(xiàn)實(shí)，只能在程序框架設(shè)計(jì)中考慮盡可能容納最大信息量，對于不能直接獲得的綜合數(shù)據(jù)，通過人工輸入完成，但這些數(shù)據(jù)應(yīng)保證在本工程中的唯一性。

按照設(shè)計(jì)階段將其分為方案設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，信息模型設(shè)計(jì)也應(yīng)綜合考慮不同設(shè)計(jì)階段的需求，在方案設(shè)計(jì)階段，主要制定綠色建筑設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，根據(jù)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程現(xiàn)狀制定星級(jí)計(jì)劃，確定哪些項(xiàng)目作為要完成的項(xiàng)目，并作為標(biāo)記，記錄目標(biāo)項(xiàng)，在設(shè)計(jì)階段隨時(shí)監(jiān)測對應(yīng)項(xiàng)目的定量計(jì)算值或隨時(shí)更新計(jì)算結(jié)果。

設(shè)計(jì)階段側(cè)重于建筑單體的各種功能和性能。建筑本身信息模型是其他相關(guān)設(shè)計(jì)軟件分析的基礎(chǔ)，也是BIM技術(shù)的核心，所有性能化設(shè)計(jì)計(jì)算包括日照分析、節(jié)能設(shè)計(jì)、能效測評(píng)、自然通風(fēng)設(shè)計(jì)、給排水計(jì)算分析、暖通空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算、綠色建筑評(píng)價(jià)等都與建筑本身信息模型數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，建筑施工圖設(shè)計(jì)也由此產(chǎn)生，因此建筑本身信息模型設(shè)計(jì)需要有所突破。以往的建筑信息模型比較強(qiáng)調(diào)建筑物本身，對設(shè)備專業(yè)的系統(tǒng)模型重視不夠，由于設(shè)備系統(tǒng)與建筑物本身的關(guān)聯(lián)性，以及綠色建筑設(shè)計(jì)的特殊性，必須強(qiáng)化設(shè)備專業(yè)信息模型的建立。做到在設(shè)計(jì)階段根據(jù)輸入數(shù)據(jù)情況，隨時(shí)調(diào)用對應(yīng)的性能化分析工具，產(chǎn)生綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)。

隨著設(shè)計(jì)的細(xì)化，對性能化分析工具要求越來越高，目前風(fēng)環(huán)境分析、能耗模擬、節(jié)能系統(tǒng)分析、可再生能源利用分析等主要依賴國外軟件，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品很有必要。

2．4 園林綠化設(shè)計(jì)

環(huán)境綠化越來越受到重視，也成為綠色建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，在綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，對綠地率、室外透水地面有具體要求，因此從信息模型角度，園林設(shè)計(jì)信息模型除包括用于設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)的信息外，從綠色建筑設(shè)計(jì)角度考慮還應(yīng)隨時(shí)生成綠色建筑評(píng)價(jià)的相關(guān)信息。

2．5 綠色建筑評(píng)價(jià)

在設(shè)計(jì)階段可以隨時(shí)計(jì)算查看綠色建筑的單項(xiàng)指標(biāo)，也可以通過相應(yīng)的菜單，對整個(gè)建筑物進(jìn)行綠色建筑綜合評(píng)價(jià)。此階段可以根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)，確定具體項(xiàng)目定量數(shù)據(jù)，對項(xiàng)目進(jìn)行打分評(píng)價(jià)。此時(shí)的信息模型就是評(píng)價(jià)的具體項(xiàng)目，其具體數(shù)據(jù)可以從本項(xiàng)目的不同專業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫中得到。

2．6 施工階段

在綠色建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能考慮施工過程的材料就近取材，涉及材料種類、材料使用量、可再利用建筑材料使用量，所以此階段的信息模型強(qiáng)調(diào)預(yù)算工程量，詳細(xì)材料使用量，材料統(tǒng)計(jì)規(guī)則，目前綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有突出施工組織和材料運(yùn)輸和施工過程的能源消耗，但從長遠(yuǎn)角度考慮，應(yīng)考慮施工組織等施工過程的信息，描述方式將會(huì)更加復(fù)雜。

2．7 運(yùn)維階段

按照目前綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)在垃圾廢棄物管理、物業(yè)管理體系的建設(shè)等方面，以定性內(nèi)容為主，從長遠(yuǎn)角度考慮或從業(yè)主方考慮，能耗監(jiān)測和設(shè)備維護(hù)管理應(yīng)是比較關(guān)心的問題，從綠色建筑設(shè)計(jì)角度考慮，信息模型比較簡單，主要是一些條文的內(nèi)容，從真正運(yùn)維考慮，信息模型較為復(fù)雜，需要繼承設(shè)計(jì)階段的系統(tǒng)描述，又要考慮監(jiān)測系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)設(shè)置，設(shè)備維護(hù)期、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用。

通過對綠色建筑設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)的分析可以看出，每個(gè)設(shè)計(jì)過程中的每個(gè)專業(yè)均能抽象出信息模型，信息模型應(yīng)以描述對象為實(shí)體，實(shí)體屬性為參數(shù)，在綠色建筑設(shè)計(jì)軟件的信息模型中，信息模型的建立應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)過程，以得到綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)為目的，通過各個(gè)信息模型的集成，達(dá)到對綠色建筑進(jìn)行評(píng)價(jià)的目標(biāo)。

3 結(jié)論

通過以上分析可以看出:

1)在綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的建筑信息模型應(yīng)是廣義的信息模型;

2)綠色建筑設(shè)計(jì)包括多個(gè)專業(yè)，綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)包括多個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)結(jié)果，必須要有一個(gè)容器能夠集成多個(gè)專業(yè)的應(yīng)用軟件，通過綠色建筑評(píng)價(jià)軟件，將各個(gè)應(yīng)用軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總;

3)基于BIM技術(shù)的合理軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以較好解決軟件間數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)一致性、唯一性、上下游專業(yè)資源利用的問題;

4)節(jié)能節(jié)水是綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分，應(yīng)研究建筑設(shè)備專業(yè)信息模型的建立方法，從而從中獲取綠色建筑評(píng)價(jià)的各種指標(biāo)，也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供相應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù);

5)通過研發(fā)具有一定深度的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分析軟件，特別是與節(jié)能減排相關(guān)的分析軟件，減少對國外軟件的依賴。

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