BIM技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用

黃 錦 濤

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

BIM技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用

黃 錦 濤

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

通過比對國內(nèi)外綠色BIM的發(fā)展現(xiàn)狀，分析BIM技術(shù)在建筑全生命周期的應(yīng)用可能，探討了國內(nèi)綠色BIM的發(fā)展前景和注意要點(diǎn)，指出將BIM技術(shù)與綠色建筑相結(jié)合是中國建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

BIM，綠色建筑，建筑全生命周期，環(huán)境

1 概述

1.1 綠色建筑概述

近年來中國的建筑業(yè)迅猛發(fā)展，然而國內(nèi)單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國家的兩倍以上，在總社會能耗中建筑業(yè)能耗占比約28%，給社會發(fā)展帶來了沉重的能源負(fù)擔(dān)并產(chǎn)生了驚人的環(huán)境污染，是國家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨的緊迫問題。放眼全球，能耗總量的40%來自建筑能耗，1/3的碳排放來自建筑[1]。在此背景下，世界各國積極找尋一種建筑與自然相互和諧的理念，于是“綠色建筑”這個(gè)概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂綠色建筑，是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑[2]。這里所謂的全壽命周期包括了前期規(guī)劃選址、建筑設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)、翻新改造以及最后的拆除這一整條過程，這就涉及到了多專業(yè)的工種配合，要求全行業(yè)通力合作，改變既有觀念，創(chuàng)新技術(shù)與施工工藝，提高建筑性能，創(chuàng)造出健康舒適的人居環(huán)境，又盡量維持生態(tài)環(huán)境的良好[3]。

1.2 BIM簡介

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)是近幾年建筑界熱捧的新名詞，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息[5]。BIM涵蓋了幾何學(xué)、地理信息系統(tǒng)、空間關(guān)系以及各建筑構(gòu)件的材料、面積、體積、數(shù)量、機(jī)電參數(shù)、價(jià)格等相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而提供了一個(gè)關(guān)于建筑物的集成與聯(lián)動的完整信息庫。

BIM是建筑設(shè)施物理與功能特性的數(shù)字化表達(dá)；是一個(gè)共享的信息資源，分享有關(guān)這個(gè)建筑設(shè)施的信息，為該建筑從設(shè)計(jì)到拆除的全生命周期中所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項(xiàng)目不同階段，不同專業(yè)相關(guān)方通過在BIM中輸入輸出、更新和交換信息，以反映各自職責(zé)的協(xié)同工作，為多專業(yè)協(xié)同作業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，顯著提高了整個(gè)建筑工程的效率。BIM多專業(yè)協(xié)同見圖1。

2 BIM與綠色建筑

BIM的上述特性使得它一誕生就在建筑界迅速發(fā)展壯大，且非常適合與綠色建筑相結(jié)合。首先，兩者都關(guān)注建筑全生命周期的相關(guān)信息。綠色建筑關(guān)注建筑從前期規(guī)劃到運(yùn)營管理全過程的“四節(jié)一環(huán)?！保鳥IM技術(shù)亦覆蓋了建筑從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)、拆除的全過程信息，因此這兩者在時(shí)間維度及信息周期上是可以配合的；其次，兩者都能為建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理做出進(jìn)一步的優(yōu)化。綠色建筑強(qiáng)調(diào)從理念和技術(shù)的角度出發(fā)來提升建筑的品質(zhì)，在BIM的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)更好的優(yōu)化，突破信息、復(fù)雜程度和時(shí)間的制約，從多方協(xié)調(diào)、可視化的角度，結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)和投資回報(bào)率分析，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理；最后，兩者都借助了可持續(xù)軟件進(jìn)行分析。綠色建筑所關(guān)注的光照通風(fēng)熱量等，有了BIM平臺就能方便地導(dǎo)入相關(guān)的各類綠色建筑分析軟件，可以快速校驗(yàn)物理性能方面的合理性，完成建筑的綠色性能化分析和評估，降低性能化分析的時(shí)間周期，實(shí)現(xiàn)工作過程的優(yōu)化[5]。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

作為最早運(yùn)用BIM的國家，美國的BIM應(yīng)用程度非常高，多個(gè)州已經(jīng)立法，要求州內(nèi)的大型公建項(xiàng)目必須采用BIM。同時(shí)美國建立了國家BIM標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)委員會，以指導(dǎo)整個(gè)行業(yè)更好地應(yīng)用和發(fā)展BIM技術(shù)[7]。而在綠色建筑方面，美國約20%的商業(yè)項(xiàng)目都已經(jīng)是綠色建筑，這一比率在住宅項(xiàng)目中也在不斷提高(如圖2所示)。隨著這個(gè)大趨勢，以及由綠色BIM應(yīng)用所帶來的成本下降與建筑增值，讓業(yè)主方更加樂于采用綠色BIM。有調(diào)查顯示，在業(yè)主方的驅(qū)動下，約75%的建筑公司考慮在未來3年內(nèi)將BIM技術(shù)運(yùn)用到綠色建筑項(xiàng)目中去。在英國，政府建設(shè)部門通過利用BIM技術(shù)將公共建設(shè)項(xiàng)目成本降低15%～20%，并將于2016年實(shí)現(xiàn)500萬英鎊以下的項(xiàng)目進(jìn)入BIM與綠色建筑相結(jié)合的第二發(fā)展階段[8]。澳大利亞編制了國家BIM藍(lán)圖，將BIM列為教育科目，并制訂了產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。澳大利亞綠色建筑協(xié)會(GBCA)制訂了相應(yīng)的評級工具，其中80%的商業(yè)辦公建筑都通過了該綠色認(rèn)證，現(xiàn)在澳大利亞正朝著2020年實(shí)現(xiàn)碳排放中和的目標(biāo)前進(jìn)[9]。在新加坡，由政府牽頭資助企業(yè)應(yīng)用BIM，啟動專業(yè)人員培訓(xùn)與認(rèn)證計(jì)劃，并且規(guī)劃到2015年實(shí)現(xiàn)80%的項(xiàng)目使用BIM。

2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

在我國，2002年歐特克公司將BIM引入之后，開始了從上到下的推廣，越來越多的業(yè)界人士開始接觸學(xué)習(xí)并研究BIM應(yīng)用?！笆晃濉币?guī)劃中BIM成為國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，“十二五”又繼續(xù)推廣BIM在工程上的應(yīng)用。整個(gè)中國的建筑界都經(jīng)歷著BIM的洗禮，堪比當(dāng)年CAD的革新。綠色建筑方面，中國大概落后國外15年，自2001年建設(shè)部啟動綠色建筑研究，到2006年出臺《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》定義了綠色建筑的官方解釋，直至2013年發(fā)布的《綠色建筑行動方案》，標(biāo)志著綠色建筑行動上升到國家戰(zhàn)略層面。各地方政府亦紛紛出臺了自身的綠色建筑推廣技術(shù)指標(biāo)，雖然起步晚，但發(fā)展速度很快。將BIM與綠色建筑相結(jié)合的優(yōu)秀項(xiàng)目數(shù)量也開始快速增加。目前土建剛竣工的上海中心，通過BIM造型設(shè)計(jì)大大降低風(fēng)載，減少了用鋼量，并輔以可再生材料、雨水回收、風(fēng)力發(fā)電、智能照明控制、維護(hù)降噪等系統(tǒng)，成就了中國首個(gè)BIM運(yùn)用到綠色建筑的全生命周期的超高層項(xiàng)目。與央視大樓對望的“中國尊”，通過搭建BIM平臺及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行了獨(dú)特的造型設(shè)計(jì)，既有鮮明的建筑風(fēng)貌，也符合建筑力學(xué)的要求。同時(shí)低碳環(huán)保的設(shè)計(jì)也貫穿于“中國尊”各個(gè)細(xì)節(jié)中，在照明、保溫、用水、垃圾處理、通風(fēng)等各個(gè)方面降低了能耗。深圳的萬科中心通過綠色BIM的應(yīng)用，從選址、造型以及材料設(shè)備等等多角度出發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)設(shè)計(jì)，從而使該建筑的能耗控制在極低的水平，最終獲得了中國LEED鉑金認(rèn)證[10]。在地產(chǎn)一哥萬科的帶領(lǐng)下，朗詩、綠地、招商等等地產(chǎn)商也開始紛紛地謀求往綠色地產(chǎn)轉(zhuǎn)型，大力研發(fā)綠色BIM技術(shù)，發(fā)展出各自企業(yè)特色的綠色住宅體系。

3 BIM在綠色建筑全生命周期的應(yīng)用

3.1 前期規(guī)劃階段

在建設(shè)項(xiàng)目的前期，要從經(jīng)濟(jì)社會、城市規(guī)劃、業(yè)主需求、周圍環(huán)境等等方面進(jìn)行調(diào)查研究，分析該項(xiàng)目的規(guī)模、類型、用地要求、周圍的景觀地貌和對環(huán)境的影響程度等等，用以決定該建筑的造型以及空間朝向等。通過對擬建建筑及周邊場地的數(shù)據(jù)資料收集，利用BIM并且結(jié)合GIS相關(guān)軟件進(jìn)行建模，可以快速地得出整體性的量化分析結(jié)果，幫助項(xiàng)目方進(jìn)行綜合性能分析，從而做出合理的場地布局、建筑造型以及周邊交通流線組織設(shè)計(jì)等關(guān)鍵性決策。

3.2 方案設(shè)計(jì)階段

建筑師可以利用BIM來分析整個(gè)建筑方案的布局造型、通風(fēng)采光、熱傳導(dǎo)、人體工學(xué)、聲學(xué)、色彩等內(nèi)容以及對相應(yīng)規(guī)范的遵守情況，綜合考量建筑設(shè)計(jì)與后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)施工的銜接以及其中可能需要應(yīng)對的問題。例如，與Ecotect軟件相結(jié)合，將BIM模型轉(zhuǎn)化為可視化的細(xì)部分析圖，可以做到對建筑局部構(gòu)件的細(xì)節(jié)推敲，同時(shí)也能對光照、太陽輻射、熱傳導(dǎo)、聲波等進(jìn)行多種實(shí)時(shí)分析；用基于BIM的Project Vasari軟件，可以從云端模擬分析建筑物風(fēng)場氣流及日照輻射的影響等。在BIM的參與下，項(xiàng)目各利益方關(guān)注的焦點(diǎn)能夠得到直觀的展現(xiàn)，彼此的意圖能夠得到充分的表達(dá)，并能快速進(jìn)行交流與反饋，做出決策的時(shí)間也大為減少。圖3是對某建筑不同方位噪聲場的分析[11]，圖4是Ecotect對建筑物室內(nèi)的光照分析。

3.3 項(xiàng)目施工建造階段

該階段主要應(yīng)用BIM進(jìn)行模型最終檢查、碰撞檢測、施工可視化以及工程量的計(jì)算。

設(shè)計(jì)師可以通過BIM模型的三維渲染來實(shí)時(shí)展現(xiàn)建筑物，對建筑模型的整體質(zhì)量和功能完整性進(jìn)行檢驗(yàn)，像是建筑內(nèi)部空間有無重疊、有無功能上的沖突；是否有適當(dāng)?shù)臉?gòu)件圍閉、結(jié)構(gòu)受力傳導(dǎo)是否通暢合理；設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)了業(yè)主的意圖、是否符合國家與行業(yè)規(guī)范的具體要求等。

隨著大型商業(yè)及綜合體項(xiàng)目的增多，業(yè)主方對機(jī)電管線綜合的要求越來越高。機(jī)電管線種類繁多，BIM模型可以反映所有管線和設(shè)備在建筑內(nèi)的情況。傳統(tǒng)的CAD時(shí)代是用疊圖紙的方式比對，很容易造成信息的缺失與錯誤。利用基于BIM的三維仿真技術(shù)進(jìn)行施工前的碰撞檢查(如圖5所示的流程)，設(shè)計(jì)師可以快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的碰撞與沖突，及時(shí)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化修改，減少了因施工圖紙出現(xiàn)的錯誤和漏洞而引起的返工復(fù)工現(xiàn)象，避免了材料損失、機(jī)械臺班的損失以及窩工引起的資源消耗，同時(shí)也提高了與業(yè)主溝通的能力。

在施工管理中我們可以借助BIM技術(shù)，將空間與時(shí)間整合在一個(gè)可視的4D模型中，對施工現(xiàn)場的管理進(jìn)行模擬，能夠直觀快速地顯示任意階段的施工進(jìn)度情況：對機(jī)械的擺放位置、構(gòu)件的起吊部位與次序以及整個(gè)工作流程進(jìn)行優(yōu)化，提前反映施工難點(diǎn)，從而提出最佳方案，提升施工安全性，保證建筑質(zhì)量。另外，通過建立BIM模型，施工企業(yè)還能在工程投標(biāo)中快速測算招標(biāo)清單工程量，并可制訂相應(yīng)的投標(biāo)報(bào)價(jià)策略，獲得競標(biāo)的優(yōu)勢；而評標(biāo)委員會的專家組則能通過4D模型直觀地了解施工單位對投標(biāo)項(xiàng)目施工難點(diǎn)的控制方法是否合理，進(jìn)而對投標(biāo)單位的施工經(jīng)驗(yàn)水平與技術(shù)實(shí)力作出科學(xué)的評估。

傳統(tǒng)的材料統(tǒng)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)有圖紙和文件進(jìn)行，亦或使用專門的造價(jià)軟件根據(jù)CAD圖紙或文件重新建模后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一是耗費(fèi)大量人工且容易出錯，二是方案一旦變更所有數(shù)據(jù)需要重新統(tǒng)計(jì)，極不效率?，F(xiàn)在基于BIM的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫提供的詳細(xì)信息能達(dá)到構(gòu)件級，可以快速對各構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過BIM模型提取材料用料，精確計(jì)算工程量，大大減少了人工操作和計(jì)算錯誤，能夠方便地實(shí)現(xiàn)工程量信息與設(shè)計(jì)方案的完全一致，隨時(shí)為采購計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐，為現(xiàn)場管理提供審核依據(jù)，這就是所謂的BIM的5D應(yīng)用。

3.4 運(yùn)營維護(hù)階段

建筑物使用階段的耗能與成本是整個(gè)生命周期的大頭，如何在運(yùn)營階段也體現(xiàn)可持續(xù)是BIM所關(guān)注的。建筑在投入使用前，可以先通過BIM進(jìn)行先期的測試與調(diào)整。移交環(huán)節(jié)的資料文檔等也可以方便地跟隨BIM模型一起轉(zhuǎn)移。接著通過BIM制訂一個(gè)科學(xué)的維護(hù)方案，能夠提高整個(gè)建筑的運(yùn)行性能并降低能耗和維護(hù)費(fèi)用，從而降低總體運(yùn)營的成本。能夠同步提供建筑使用情況與性能、入住人員信息與出行規(guī)律等，對一些重要設(shè)備還能跟蹤其例行維護(hù)的歷史記錄，以便對該設(shè)備的使用狀態(tài)提前作出判斷。借助BIM的智慧運(yùn)行維護(hù)也能對突發(fā)事件有快速響應(yīng)的能力，包括預(yù)防、報(bào)警和處理全方位，保證管理沒有盲區(qū)。BIM還可以提供一個(gè)綠色建筑評估體系，通過將BIM與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，將傳感器與終端控制器連接起來，對建筑物進(jìn)行健康監(jiān)測，利用云計(jì)算平臺，將每層建筑能耗計(jì)量與節(jié)能管理系統(tǒng)組合起來，形成一個(gè)總的管理系統(tǒng)，方便住戶及物業(yè)人員進(jìn)行操作管理[12]。

4 不足與應(yīng)對

首先，以“四節(jié)一環(huán)?！睘楹诵牡膰揖G色建筑標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重的是在全局層面上節(jié)約資源和對環(huán)境友好，這對于普通民眾來說太過抽象，沒有滿足人們追求健康、舒適生活工作環(huán)境的核心價(jià)值需求，導(dǎo)致市場響應(yīng)不積極。同時(shí)政府主推項(xiàng)目的綠色BIM運(yùn)用占比最大，業(yè)主方對綠色BIM的投資熱情不足，更多只是為了評獎。實(shí)際上BIM應(yīng)用的最大受益方正是業(yè)主，有意識的部分業(yè)主已經(jīng)開始行動；而對于設(shè)計(jì)院而言，其價(jià)值才剛剛得到展現(xiàn)，BIM技術(shù)所帶來的輔助與優(yōu)化設(shè)計(jì)效果是毋庸置疑的；而施工企業(yè)實(shí)施BIM的技術(shù)條件更好，回報(bào)率也很不錯。對此，希望國家能打造出“健康、舒適、低運(yùn)行成本”的客戶價(jià)值，同時(shí)從鼓勵投資主體向激發(fā)市場消費(fèi)轉(zhuǎn)變，以市場需求倒逼企業(yè)，讓市場真正看到回報(bào)性，認(rèn)可建筑節(jié)能的價(jià)值，讓房地產(chǎn)企業(yè)主動追求實(shí)現(xiàn)綠色BIM的項(xiàng)目開展。

其次，綠色BIM運(yùn)用上還存在誤解以及不足。綠色BIM適合用于復(fù)雜綜合型的新建項(xiàng)目中，但是其在改建以及翻新項(xiàng)目中的運(yùn)用也應(yīng)該得到重視，尤其是在各地的舊城改造上大有作為，這對于提高整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)地方城市規(guī)劃的節(jié)能減排目標(biāo)是至關(guān)重要的。在BIM的使用中，適合中國本土的技術(shù)模式還有欠缺，例如之前提到的造價(jià)算量方面；相關(guān)的軟硬件方面的不足，很多專業(yè)功能過度依賴國外，國內(nèi)所研發(fā)的軟件相互獨(dú)立，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的集成環(huán)境與自主產(chǎn)權(quán)的軟件體系，無法保證一致性與互通性。這就要求國家在加強(qiáng)對IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究的同時(shí)，繼續(xù)鼓勵和扶持BIM技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，制訂出符合中國國情的BIM標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)BIM的標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而打造適合本國技術(shù)規(guī)范要求的核心軟件。

最后，我國將BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑評價(jià)還處于起步階段，綠色BIM的相關(guān)論文與研究也很少。希望政府能在研究LEED(美)、Green Star(澳)、BREEAM(英)等相關(guān)國家綠建標(biāo)準(zhǔn)與使用成果的同時(shí)，結(jié)合我國建筑業(yè)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料研究，制定出符合中國國情并充分利用BIM技術(shù)的綠色建筑認(rèn)證程序與評分標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)與綠色建筑都是當(dāng)前中國建筑業(yè)發(fā)展的大勢所趨。節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展要求助力綠色建筑體系的推廣更新與發(fā)展完善，BIM則為之提供了重要的技術(shù)平臺與實(shí)現(xiàn)手段，而綠色建筑所關(guān)注的建筑生命周期，又恰好是BIM的管理對象，兩者可謂是相得益彰。通過國家頂層設(shè)計(jì)，地方政府積極配合，以及相關(guān)政策與軟件的完善，必將推動綠色BIM成為中國建筑界的新常態(tài)化。

[1] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2008[R].北京：清華大學(xué)，2008.

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Application of BIM technology in green building

Huang Jintao

(CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Based on the development status of green BIM, the application of BIM technology in the entire building life cycle is analysed, and the prospect and key points of domestic green BIM’s development are discussed, point out combining BIM technology and green building together have become the inevitable trend of China’s construction industry.

BIM, green building, building life cycle, environment

2015-01-05

黃錦濤(1986- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)08-0206-04

TU201.5

A