基于BIM 的規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段綠色節(jié)能分析方法研究——以佛山南海區(qū)承創(chuàng)大廈為例

晏 明 羅遠(yuǎn)峰 張偉銳

(1.佛山市南海承業(yè)投資開發(fā)管理有限公司，佛山 528200 ;2.廣州盛冠建筑科技有限公司，廣州 510520)

引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，建筑業(yè)信息化成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，BIM 在該環(huán)境下順勢(shì)而生，它打破了傳統(tǒng)以二維圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的方式，為實(shí)現(xiàn)綠色建筑、節(jié)能減排提供了新的技術(shù)手段，符合我國(guó)“十三五”規(guī)劃提出必須牢固樹立并切實(shí)貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 BIM 與綠色分析軟件間的技術(shù)對(duì)接

BIM(Building Information Modeling)是全壽命期工程項(xiàng)目或其組成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享數(shù)字化表達(dá)。BIM 的應(yīng)用貫穿于建筑工程項(xiàng)目全生命周期，目的是為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)建筑工程項(xiàng)目的質(zhì)量、效率、降低成本及高效運(yùn)營(yíng)。

目前，國(guó)內(nèi)BIM 正呈快速發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的項(xiàng)目對(duì)BIM 進(jìn)行了實(shí)踐，新應(yīng)用也呈上升趨勢(shì)，但問(wèn)題和瓶頸也逐步顯現(xiàn)，其中BIM 與其他軟件間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題尤為突出，文章對(duì)此進(jìn)行了實(shí)踐與探索，主要對(duì)BIM 與綠色分析軟件間的技術(shù)對(duì)接進(jìn)行了研究。

BIM 建模軟件主要有Autodesk Revit、Bentley、ArchiCAD、CATIA 等［1］。另一方面，綠色分析軟件種類繁多，既有綜合性的性能分析軟件，也有專項(xiàng)的分析軟件。常用的軟件有國(guó)外的IES ＜VE ＞、Autodesk Ecotect Analysis、Green Building Studio(GBS)、EnergyPlus、Autodesk Simulation 以及國(guó)內(nèi)的PKPM、綠建斯維爾等。

要實(shí)現(xiàn)BIM 模型與各綠色分析軟件間數(shù)據(jù)共享，目前主要通過(guò)DWG、DXF、gbXML 和IFC 這幾種格式，其中前兩者僅包含幾何模型數(shù)據(jù);后兩者則包含建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)，因此，針對(duì)不同的分析軟件與分析內(nèi)容，需選擇不同的文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

文章根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，建模軟件選用Autodesk Revit，分析軟件選用Ecotect、Simulation CFD、和Pathfinder。實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，BIM 模型想要直接導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行分析存在一定的困難，主要的問(wèn)題有:

1)構(gòu)件太多，體量大:由于BIM 模型一般構(gòu)件眾多，且有很多構(gòu)件是分析軟件所不需要的，導(dǎo)入分析軟件之后可能導(dǎo)致失敗，或者分析時(shí)因分析網(wǎng)格太多導(dǎo)致運(yùn)行緩慢甚至軟件卡死。

2)模型不符合分析軟件要求:往往無(wú)法按分析軟件的需求建模，且軟件間的規(guī)則難于統(tǒng)一，比如Ecotect 需要模型中設(shè)置房間信息，而Simulaton CFD要求空間密封。

對(duì)于以上問(wèn)題，目前并沒(méi)有很好的解決方案，只能在需要進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)不同的分析內(nèi)容和分析軟件對(duì)BIM 模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再進(jìn)行導(dǎo)入分析。本文以佛山南海區(qū)承創(chuàng)大廈項(xiàng)目為例，對(duì)Revit 與Ecotect、Simulation CFD 和Pathfinder 的數(shù)據(jù)交換及模型簡(jiǎn)化進(jìn)行了實(shí)踐與思考。

2 佛山南海區(qū)承創(chuàng)大廈項(xiàng)目概況

佛山南海區(qū)承創(chuàng)大廈項(xiàng)目(圖1)位于廣東省佛山市南海區(qū)桂城海五路北，為綜合辦公建筑?？偨ㄖ娣e為68 502 m2，地下2 層，地上20 層，建筑樓高84m，建筑密度≤27.94%，容積率≤3.43%，綠地率28.3%。于2010 年批準(zhǔn)建設(shè)，2014 年竣工，目前已獲廣東省建設(shè)工程優(yōu)質(zhì)獎(jiǎng)、廣東省建設(shè)工程金匠獎(jiǎng)和廣東省土木工程詹天佑故鄉(xiāng)杯，并通過(guò)了美國(guó)LEED 設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)?wù)J證。

項(xiàng)目一開始就以《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》為指導(dǎo)，以美國(guó)LEED 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確定了本項(xiàng)目要申請(qǐng)LEED 金獎(jiǎng)的目標(biāo)，同時(shí)需要把握因地制宜和可持續(xù)發(fā)展二大原則。對(duì)此，項(xiàng)目從概念方案開始就引入BIM 技術(shù)，結(jié)合分析軟件進(jìn)行模擬，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)方案不斷修正與優(yōu)化，將問(wèn)題盡可能解決在設(shè)計(jì)初期。

圖1 佛山南海區(qū)承創(chuàng)大廈項(xiàng)目設(shè)計(jì)效果圖

3 項(xiàng)目規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段BIM 技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM 應(yīng)用的思路

項(xiàng)目在不同階段，均利用BIM 與綠色分析軟件的傳輸格式，將BIM 模型導(dǎo)入綠色建筑分析軟件進(jìn)行分析，盡量避免在綠色分析軟件中重建模型，實(shí)現(xiàn)“一模多用”，一方面減少重復(fù)建模的工作量，另一方面也確保分析模型與設(shè)計(jì)模型保持一致。

BIM 應(yīng)用的主要思路是利用Autodesk Revit 軟件建立BIM 模型(如圖2)，針對(duì)分析內(nèi)容和相關(guān)專業(yè)分析軟件簡(jiǎn)化模型，再與相關(guān)分析軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而使用專業(yè)分析軟件進(jìn)行通風(fēng)、日照、采光、環(huán)境舒適度等方面的模擬、計(jì)算、分析，同時(shí)反饋回Autodesk Revit 軟件內(nèi)進(jìn)行相關(guān)的模型調(diào)整，輔助設(shè)計(jì)師優(yōu)化方案，最終達(dá)到指導(dǎo)采用節(jié)能技術(shù)的作用。

圖2 BIM 模型

圖3 項(xiàng)目BIM 應(yīng)用思路圖

3.2 基于BIM 的風(fēng)環(huán)境模擬及措施

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.1.7 條、第5.2.6條、第5.5.7 條要求建筑物周圍人行區(qū)風(fēng)速低于5m/s，不影響室外活動(dòng)的舒適性和建筑通風(fēng);建筑總平面設(shè)計(jì)有利于冬季日照并避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向，夏季利于自然通風(fēng);建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)有促進(jìn)自然通風(fēng)的措施［2］。針對(duì)以上要求，需要進(jìn)行CFD 模擬分析，驗(yàn)證方案是否滿足各項(xiàng)指標(biāo)。

項(xiàng)目通過(guò)在Revit 模型中設(shè)置房間信息、刪除與分析無(wú)關(guān)的模型，再利用體量快速搭建周圍建筑物，通過(guò)gbXML 格式導(dǎo)入Ecotect 進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬。如圖4 是室外夏、冬季節(jié)室外風(fēng)速度模擬分析，建筑周圍絕大部分地區(qū)行人高度的風(fēng)速不會(huì)超過(guò)5m/s，不影響室外活動(dòng)的舒適性和建筑通風(fēng)，結(jié)果符合第5.5.7 條要求。

室內(nèi)通風(fēng)利用Simulation CFD 進(jìn)行模擬，該軟件要求室內(nèi)空間密封，因此需要在Revit 中檢查樓層是否密封，同時(shí)刪除梁、門等與分析無(wú)關(guān)的模型，再合并密封空間，以提高分析速度。圖5 是一個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)層的夏季室內(nèi)通風(fēng)分析，采取的優(yōu)化措施:1)建筑窗口朝向、位置、大小、形式等的調(diào)整優(yōu)化;2)結(jié)合建筑周邊環(huán)境增加可調(diào)節(jié)百節(jié)，使進(jìn)出風(fēng)窗口存在一定的壓力差，將室外風(fēng)引入室內(nèi)，使室內(nèi)進(jìn)出風(fēng)流動(dòng)通暢且掠過(guò)主要人員活動(dòng)區(qū)域，提高自然通風(fēng)的效果。從圖中的對(duì)比可看出，通風(fēng)量的增加帶走更多的熱量，使夏季室內(nèi)更舒適，符合第5.1.7條和第5.2.6 條要求。

3.3 基于BIM 的室內(nèi)環(huán)境模擬及措施

美國(guó)LEED 金獎(jiǎng)?wù)J證標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)玻璃幕墻的可見(jiàn)光投射率Tvis 進(jìn)行晝光模擬和室內(nèi)空間采光，另外《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.5.6 條、第5.5.11 條要求辦公、賓館類建筑75% 以上的主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求;建筑室內(nèi)照度滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)要求［2］［3］［4］。因此需要對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，判斷和各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求。

圖4 夏季、冬季室外人行區(qū)風(fēng)速模擬

文章以建筑四層為例，通過(guò)在Revit 中隱藏其他樓層、設(shè)置房間信息、修改無(wú)法設(shè)置房間信息的區(qū)域等操作進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，再利用gbXML 格式導(dǎo)入ecotect。在ecotect 中檢查模型的材質(zhì)、空間分隔，確保與原模型一致。設(shè)定天空條件為CIE 全陰天狀態(tài)，項(xiàng)目當(dāng)?shù)貫镮V 類光氣候區(qū)，設(shè)定臨界照度值為5 000Lux［5］。

圖6、圖7 為室內(nèi)采光系數(shù)和照度分析，優(yōu)化前室內(nèi)采光及照度達(dá)不到要求，對(duì)此采取的優(yōu)化措施為:1)選用Tvis 在0.6 到0.65 之間的玻璃;2)優(yōu)化建筑開窗面積與形式;3)將常規(guī)使用區(qū)域設(shè)置在靠近外窗側(cè)，以獲得更多的日光。優(yōu)化后75%以上主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)大于3%，日照強(qiáng)度大于300lx，滿足各項(xiàng)指標(biāo)。

3.4 基于BIM 的熱輻射模擬及措施

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.12 條、第5.2.16條要求建筑物處于部分冷熱負(fù)荷時(shí)和僅部分空間使用時(shí)，采取有效措施節(jié)約通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗;建筑設(shè)計(jì)總能耗低于國(guó)家批準(zhǔn)或備案的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的80%［2］。因此，需要進(jìn)行輻射模擬，對(duì)輻射大的區(qū)域采取遮陽(yáng)措施，減少太陽(yáng)輻射，降低空調(diào)能耗。

建筑外輪廓利用Revit 體量很容易表達(dá)，室內(nèi)輻射量分析需要在Revit 中設(shè)置房間信息、修改無(wú)法設(shè)置房間信息的區(qū)域、材質(zhì)設(shè)定等操作進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，再通過(guò)gbXML 格式導(dǎo)入Ecotect 進(jìn)行模擬，輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行方案對(duì)比(如圖8)。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)公共上人天面和建筑外圍太陽(yáng)輻射量過(guò)大，影響空調(diào)負(fù)荷。對(duì)此，項(xiàng)目采取的優(yōu)化措施有:1)屋面綠化，增強(qiáng)隔熱效果;2)在墻體與屋頂涂漆各種環(huán)保的淺色涂料與使用淺色建材來(lái)減少太陽(yáng)輻射;3)對(duì)門窗進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗和總體能耗。經(jīng)過(guò)多次的修改、模擬，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 基于BIM 的人流疏散分析及措施

人群是一個(gè)流動(dòng)體，人群的聚集過(guò)程中相互影響，相互干擾，容易造成擁擠，甚至造成踩踏事故。因此，有必要對(duì)公共建筑進(jìn)行人流疏散分析，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)方案。

在Revit 模型中利用剖面框選取需要模擬的樓層，隱藏梁、門等與分析無(wú)關(guān)的模型，再通過(guò)dxf 格式導(dǎo)入人流疏散模擬軟件Pathfinder 進(jìn)行分析，對(duì)建筑的安全出口數(shù)量，走道、樓梯和門的寬度以及到達(dá)疏散出口的距離等進(jìn)行模擬(如圖9)，并按防火規(guī)范充分考慮疏散時(shí)間，計(jì)算通行能力，確保其滿足防火設(shè)計(jì)要求。

實(shí)踐表明，Revit 模型經(jīng)過(guò)相應(yīng)的簡(jiǎn)化操作，能夠?qū)崿F(xiàn)與部分分析軟件的數(shù)據(jù)交換，可減少了重復(fù)建模的工作量，總體操作難度不大:1)通過(guò)gbXML格式導(dǎo)入Ecotect 后，能夠很好地保留構(gòu)件的幾何、數(shù)據(jù)和材質(zhì)等信息，只需簡(jiǎn)單設(shè)置分析網(wǎng)格和參數(shù)，即可完成相應(yīng)的分析內(nèi)容;2)通過(guò)sat 格式導(dǎo)入Simulation CFD 后，也能夠保留構(gòu)件的幾何信息，但需根據(jù)分析內(nèi)容設(shè)置材質(zhì)、溫度、臨界面等操作即可進(jìn)行分析;3)通過(guò)dxf 格式導(dǎo)入Pathfinder 后，不僅保留有構(gòu)件的名稱和幾何信息，而且還有按類型的樹狀目錄，可實(shí)現(xiàn)按類型隱藏、刪除等操作，只需要設(shè)置空間、人數(shù)、出口和速度等，就能進(jìn)行分析模擬。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本項(xiàng)目充分運(yùn)用BIM 技術(shù)，結(jié)合廣東地區(qū)的氣候特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)狀況以及建筑發(fā)展的需要，在項(xiàng)目規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段進(jìn)行綠色節(jié)能分析并實(shí)施，是成熟的建筑節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和集成應(yīng)用的成果。此外，項(xiàng)目獲得美國(guó)LEED 設(shè)計(jì)金獎(jiǎng)?wù)J證，是廣東地區(qū)的低能耗建筑技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用工程。

［1］何關(guān)培.BIM 和BIM 相關(guān)軟件［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2(4):110-112.

［2］GB/T 50378 -2014 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］GB50033 -2013 建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］GB 50034 -2013 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］章蘭.夏熱冬冷地區(qū)大型商業(yè)綜合體的可持續(xù)策略探索［J］.華中建筑.2014(02):32-39.