基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐性初探

張美良

（上海市工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近來(lái)我國(guó)一年建成的房屋建筑面積，比所有發(fā)達(dá)國(guó)家一年建成的房屋建筑面積的總和還要多，既有城鄉(xiāng)建筑中99%為高耗能建筑，新建成的房屋95%以上還是高能耗建筑。由于空調(diào)的快速發(fā)展，夏季高峰用電問(wèn)題愈益嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，隨著能源消耗的日益加劇，全球資源面臨嚴(yán)重短缺的問(wèn)題，節(jié)能已經(jīng)發(fā)展成為有關(guān)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵，隨著建筑能耗比例的不斷增加，如何更加有效地實(shí)施建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成為當(dāng)務(wù)之急。

根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心編的《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2011》，我國(guó)城鎮(zhèn)建筑冬季采暖是我國(guó)建筑能耗的最主要構(gòu)成部分，也是我國(guó)建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)。目前建筑節(jié)能的推廣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到發(fā)展的要求，大多數(shù)建筑都是參考已有的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的案例和技術(shù)手法，而沒(méi)有對(duì)它的方案和工程進(jìn)行分析與計(jì)算，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果是否節(jié)能、是否經(jīng)濟(jì)、是否綠色等。

傳統(tǒng)的2D軟件，只能由專業(yè)人士通過(guò)手工輸入的方式將建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到專業(yè)軟件中，才能進(jìn)行能量分析。大量的專業(yè)數(shù)據(jù)、繁瑣的輸入工作使得能量分析與模擬對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)是可望而不可及的。能效計(jì)算通常安排在設(shè)計(jì)的最終階段，由專業(yè)人士進(jìn)行操作和分析、模擬，但此時(shí)建筑設(shè)計(jì)方案已經(jīng)很難改變。隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3D CAD軟件日趨完善和成熟，為綠色建筑設(shè)計(jì)中能量分析的自動(dòng)化、智能化提供了基礎(chǔ)和平臺(tái)。

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，不僅是對(duì)建筑工程師的挑戰(zhàn)，更是對(duì)建筑設(shè)計(jì)師的考驗(yàn)。目前BIM技術(shù)在歐美國(guó)家的應(yīng)用日趨完善，而在我國(guó)，BIM技術(shù)在建筑節(jié)能方面的應(yīng)用還存在一定的缺陷。將BIM技術(shù)與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)相互結(jié)合，對(duì)解決能源短缺問(wèn)題大有裨益。

1 背景

1.1 建筑節(jié)能研究的背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量與日劇增，全球能源短缺的狀況日益突顯，能源問(wèn)題已經(jīng)成了關(guān)乎國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵問(wèn)題。與此同時(shí)，建筑耗能占總能耗的比例不斷增加，建筑節(jié)能成為了國(guó)家節(jié)約能源戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。由于不同建筑的建筑設(shè)計(jì)方案在能耗方面會(huì)有巨大的差別，因此需要在建筑方案階段就對(duì)建筑進(jìn)行能耗模擬，判斷建筑是否滿足節(jié)能要求。然而，傳統(tǒng)的能耗分析軟件對(duì)建筑進(jìn)行節(jié)能分析并不是容易的事情：傳統(tǒng)能耗分析軟件需要大量的專業(yè)數(shù)據(jù)，輸入繁瑣，專業(yè)性強(qiáng)，建筑師很難花大量精力研究能耗模擬軟件并完成每種方案的能耗分析工作。另一方面，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，建筑專業(yè)和設(shè)備專業(yè)是脫節(jié)的，設(shè)備工程師需要在輸入建筑數(shù)據(jù)后使用能耗分析軟件進(jìn)行能耗分析，而分析結(jié)果并不能直接反映到建筑模型中，導(dǎo)致能耗分析通常安排在設(shè)計(jì)的最終階段，不能起到及時(shí)為建筑師提供方案設(shè)計(jì)依據(jù)的作用。

隨著數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的發(fā)展，以BIM技術(shù)為核心的多種建筑3D軟件日趨完善和成熟。由于建筑朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、自然通風(fēng)狀況、建筑體形系數(shù)、窗墻面積比等都是影響建筑能耗的重要因素。而基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可以通過(guò)建筑師的建筑信息模型來(lái)獲取建筑朝向，構(gòu)件幾何尺寸、建筑材料、功能分區(qū)等建筑信息，因此可以用來(lái)進(jìn)行建筑節(jié)能分析計(jì)算，使建筑全年能耗滿足規(guī)定性指標(biāo)或性能化指標(biāo)要求。如果建筑不滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，可以將對(duì)模型的修改建議反饋給建筑師，而建筑師根據(jù)反饋意見(jiàn)修改建筑模型，如此反復(fù)，直到建筑滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求為止。

因此，基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能還可以解決建筑設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，提高工作效率；對(duì)建筑的太陽(yáng)能利用、舒適度和空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，為建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1.2 目前建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的形勢(shì)

目前，我國(guó)在建筑節(jié)能方面的不足是，無(wú)法使資源得到充分利用，造成大量資源浪費(fèi)，得不償失。在當(dāng)前能源短缺的形勢(shì)下，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的推廣還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。目前的建筑設(shè)計(jì)師使用的節(jié)能設(shè)計(jì)手段，是在參考其他節(jié)能設(shè)計(jì)建筑的基礎(chǔ)上套用已有的技術(shù)手段，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的節(jié)能建筑分析和計(jì)算其是否節(jié)能、是否綠色及是否經(jīng)濟(jì)。

目前的建筑設(shè)計(jì)更加偏向于注重建筑的外在是否美觀，功能是否多樣，在節(jié)能設(shè)計(jì)方面，往往忽略其應(yīng)具備的能效設(shè)計(jì):即通過(guò)設(shè)計(jì)，在建筑設(shè)計(jì)初始進(jìn)行階段，就開(kāi)始進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，選擇最佳的節(jié)能設(shè)計(jì)，以達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)效果。這樣的結(jié)果是造成了大量的人力物力資源的浪費(fèi)。

由這些現(xiàn)象，人們可以得出在建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方面，建筑設(shè)計(jì)師負(fù)有直接責(zé)任，但真正的問(wèn)題在于，建筑師在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，由于設(shè)計(jì)技術(shù)的限制，使得建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行良好的節(jié)能分析，使建筑設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到理想的節(jié)能效果，使得節(jié)能的設(shè)計(jì)建筑無(wú)法真正的應(yīng)用到生活中去。

2 BIM及相關(guān)軟件

2.1 BIM簡(jiǎn)介

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)該工程項(xiàng)目相關(guān)信息的詳盡表達(dá)。一個(gè)完善的建筑信息模型，能夠連接建筑項(xiàng)目生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過(guò)程和資源，是對(duì)工程對(duì)象的完整描述，可被建設(shè)項(xiàng)目各參與方普遍使用。BIM可簡(jiǎn)要的描述成：通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，在這里信息不僅是三維幾何形狀信息，還包含大量的非幾何形狀信息，如建筑構(gòu)件的材料、重量、價(jià)格和進(jìn)度等等。BIM具有單一工程數(shù)據(jù)源，可解決分布式、異構(gòu)工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問(wèn)題，支持建設(shè)項(xiàng)目生命期中動(dòng)態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享。

運(yùn)用BIM技術(shù)，建筑師作設(shè)計(jì)的過(guò)程，就是建造一個(gè)真實(shí)建筑的過(guò)程。這個(gè)虛擬的建筑模型，包含了大量建筑材料和建筑構(gòu)件特征等信息，是一個(gè)包含了建筑全部信息的綜合電子數(shù)據(jù)庫(kù)。在這樣一個(gè)真實(shí)的智能的建筑模型中，建筑師可以任意地輸出平面、剖面、立面，以及各種細(xì)部詳圖、建筑材料、門(mén)窗表，還可以輸出預(yù)算報(bào)表、施工進(jìn)度等等。

2.2 BIM相關(guān)軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)的主要方法，尤其是在進(jìn)行建筑能量分析和節(jié)能設(shè)計(jì)方面。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球石油危機(jī)后，節(jié)能設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題，許多國(guó)家都對(duì)此作出了重大貢獻(xiàn)，開(kāi)發(fā)出了許多的節(jié)能分析軟件，如美國(guó)的DOE2，加拿大的HOT2000，我國(guó)的DeST等。

在我國(guó)，《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》于2005年7月1日開(kāi)始實(shí)行，將節(jié)能設(shè)計(jì)作為強(qiáng)制執(zhí)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。但與此同時(shí)，傳統(tǒng)的建筑能量分析方法仍然無(wú)法滿足實(shí)際需要。其主要的原因是缺乏可以為建筑師使用的，在初始階段進(jìn)行能效分析的相關(guān)軟件。如果可以將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)相互結(jié)合，使建筑設(shè)計(jì)師可以在建筑設(shè)計(jì)的初始階段進(jìn)行能效分析，那么就可以設(shè)計(jì)出滿足節(jié)能設(shè)計(jì)的建筑，最大限度地減少資源的浪費(fèi)，真正實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)。而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何創(chuàng)立一個(gè)包含全部建筑信息的模型，與一個(gè)能夠有效識(shí)別這些信息的軟件。

3 BIM技術(shù)下的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 目前兩者結(jié)合的問(wèn)題與前景

目前，世界上主要的性能化分析軟件大概有350種，但由于各種軟件的使用標(biāo)準(zhǔn)不同，在使用中，幾乎每一種都要重新建模，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致大部分的設(shè)計(jì)師沒(méi)有精力來(lái)學(xué)習(xí)每一種軟件的使用。在建筑設(shè)計(jì)中使用BIM技術(shù)，建立虛擬的真實(shí)建筑，包含大量的建筑材料和建筑構(gòu)架信息，是一個(gè)大容量的建筑信息庫(kù)。在這樣的虛擬建筑模型中，建筑師可以對(duì)模型進(jìn)行任意的平面、立面，以及各種詳細(xì)資料的獲取，還可以進(jìn)行預(yù)算報(bào)表的輸出，計(jì)算施工進(jìn)度等。這種技術(shù)的使用使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的任一階段均可以對(duì)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的更改，充分考慮建筑的綠色節(jié)能。隨著數(shù)字化的來(lái)臨，BIM技術(shù)日趨完善和成熟，在縮短時(shí)間，節(jié)能方面與2DCAD軟件不可同日而語(yǔ)。從2DCAD到基于BIM技術(shù)的3DCAD，是未來(lái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用月建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)如今，越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)師開(kāi)始使用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。我國(guó)的一些建筑設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)也開(kāi)始嘗試使用BIM技術(shù)來(lái)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，減少建筑建造過(guò)程中的能源浪費(fèi)。BIM技術(shù)為建筑的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的展示平臺(tái)。

3.2 BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

運(yùn)用BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師是可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得大量的建筑信息，如建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)方面的數(shù)據(jù)，在使用中，只需要將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)人相關(guān)的軟件，即可獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。原始的設(shè)計(jì)軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中需耗費(fèi)設(shè)計(jì)師大量的時(shí)間和精力，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往因?yàn)榫τ邢薅櫞耸П?，BIM技術(shù)的使用，將設(shè)計(jì)師從繁重的設(shè)計(jì)工作中解放，節(jié)省了大量的時(shí)間和精力。

在進(jìn)行建筑方案的設(shè)計(jì)時(shí)，利用建筑信息模型和相關(guān)的分析軟件，使建筑的能量分析過(guò)程得到進(jìn)一步簡(jiǎn)化，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，是建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)迫切需要解決的問(wèn)題。目前GBS技術(shù)為設(shè)計(jì)師提供了這一方面的便利，GBS技術(shù)可以從BIM模型中直接導(dǎo)入，利用其中包括的建筑信息來(lái)建立熱模型，將其轉(zhuǎn)化為XML格式。在不同的地區(qū)其建筑標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)有相應(yīng)的不同，GBS技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)，對(duì)建筑類型進(jìn)行智能設(shè)定。采用DOE技術(shù)進(jìn)行不同時(shí)段的逐時(shí)模擬，將相關(guān)數(shù)據(jù)全方位的展示出來(lái)，如建筑的能量消耗等于綠色節(jié)能有關(guān)的內(nèi)容，在這個(gè)過(guò)程中，建筑師只需在GBS中輸入建筑相關(guān)的類型和地理位置，即可得到關(guān)于建筑的大量計(jì)算數(shù)據(jù)。還可以對(duì)建筑的能耗進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析。建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)利用BIM技術(shù)GBS技術(shù)結(jié)合，來(lái)建立模型，可以得到與建筑相關(guān)的節(jié)能數(shù)據(jù)分析，在進(jìn)行建筑的建造時(shí)，即可避免許多的能源浪費(fèi)。

除GBS外，Riuska軟件也可以與BIM技術(shù)相結(jié)合，導(dǎo)入BIM技術(shù)模型，獲得大量的建筑信息，為設(shè)計(jì)提供便利。BIM技術(shù)的使用是當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大進(jìn)步，建筑的節(jié)能綠色設(shè)計(jì)是如今建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，兩者相互結(jié)合，最大限度地節(jié)約了資源，減少了資源的浪費(fèi)。

建筑物能耗約占全球能源消耗量的40%，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和性能是減少溫室氣體排放的首要重點(diǎn)。對(duì)于希望降低運(yùn)營(yíng)成本、提高公用事業(yè)開(kāi)支的業(yè)主來(lái)說(shuō)，提高能源效率也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)既有建筑近400億m2。建筑中99%為高耗能建筑，每年新建房屋近20億m2，95%以上仍是高能耗建筑。單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家新建建筑的3倍以上。

建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，不僅對(duì)建筑環(huán)境工程師、設(shè)備工程師提出挑戰(zhàn)，更重要的是對(duì)建筑設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面就是降低建筑能耗。因此，綠色建筑越來(lái)越受重視，而綠色建筑產(chǎn)業(yè)也蓬勃發(fā)展。BIM的最重要意義在于它重新整合了建筑設(shè)計(jì)的流程，其所涉及的建筑生命周期管理(BLM)，又恰好是綠色建筑設(shè)計(jì)的關(guān)注和影響對(duì)象。

4 BIM技術(shù)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的價(jià)值

BIM技術(shù)已被國(guó)際項(xiàng)目管理界公認(rèn)為是一項(xiàng)建筑業(yè)生產(chǎn)力革命性技術(shù)，為解決項(xiàng)目管理兩項(xiàng)根本性難題，即工程海量數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、管理、共享和項(xiàng)目協(xié)同，帶來(lái)了很好的技術(shù)支撐，BIM技術(shù)帶來(lái)的價(jià)值有以下幾個(gè)方面。

4.1 碰撞檢查

在復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師、施工方工程師都無(wú)法查清對(duì)二維的藍(lán)圖中涉及的沖突問(wèn)題。并且實(shí)際上，幾乎所有的大大小小工程都會(huì)因?yàn)槭┕ぶ械呐鲎矄?wèn)題而需要返工，重新設(shè)計(jì)和重新施工。然而返工產(chǎn)生的材料損失、機(jī)械臺(tái)班的損失和窩工引起的資源消耗是巨大的。利用BIM技術(shù)應(yīng)用軟件創(chuàng)建好的BIM模型，軟件可自動(dòng)檢查碰撞情況，甚至是軟碰撞情況(低于規(guī)定間距即報(bào)警)，提供碰撞檢查報(bào)告，尋找出最佳的解決途徑，從而根本上杜絕因碰撞引發(fā)的資源浪費(fèi)、能耗和工期損失。

4.2 精確施工和計(jì)劃

當(dāng)前項(xiàng)目的施工計(jì)劃，由于預(yù)算工作的手工作業(yè)還相當(dāng)粗放、精確性低，資源(人、機(jī)、材)計(jì)劃不準(zhǔn)確，這些計(jì)劃的不精確導(dǎo)致資源較大浪費(fèi)。利用BIM技術(shù)，進(jìn)行精確斷料、裝飾塊體的排版、模板的木工翻樣，進(jìn)行優(yōu)化下料，可大為減少?gòu)U料，減少材料損耗。在計(jì)劃上，可以通過(guò)虛擬的施工來(lái)判斷所需要的資源及配備情況，從這個(gè)意義來(lái)講，大大節(jié)約了資源，避免了浪費(fèi)。

4.3 協(xié)同提升效率

由于工程的復(fù)雜性和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的臨時(shí)性，工程項(xiàng)目建設(shè)中因協(xié)同困難產(chǎn)生的工期延誤而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)相當(dāng)大。利用BIM技術(shù)、信息共享的原理，大家都向最新的BIM實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的能力大為提升，項(xiàng)目協(xié)同能力提高，在一定程度上加快了工期推進(jìn)，降低了資源消耗。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)重，建筑業(yè)存在的問(wèn)題越顯突出，盡管BIM應(yīng)用還不夠廣泛，但它已運(yùn)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。

利用BIM技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中創(chuàng)建包含建筑全部信息的虛擬建筑模型，優(yōu)化建筑性能；在施工中，可以利用BIM技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)合理施工路線和模擬在施工中可能遇到的突發(fā)狀況，提前做出相應(yīng)的準(zhǔn)備；在綠色節(jié)能方面，可以充分利用CAD技術(shù)和BIM技術(shù)來(lái)保障綠色建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性；在設(shè)計(jì)的任意階段將其直接導(dǎo)入相關(guān)的能耗分析軟件中，就可以方便地得到分析結(jié)果，從而及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，BIM在建筑行業(yè)所起到的作用越來(lái)越大，它將在建筑行業(yè)發(fā)揮巨大的作用，促使建筑業(yè)發(fā)生根本性的變革。