BIM技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

周文倩 田文濤 宋鵬飛 譚 暢

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州450001）

作為當(dāng)前的全球建筑大國，我國每年新增建筑面積超過20億m2，新建房屋占全球一半以上。我國建筑在從規(guī)劃設(shè)計(jì)，到施工使用，再到拆除和廢棄物利用的每個(gè)環(huán)節(jié)，都存在巨大的資源能源“浪費(fèi)黑洞”。在設(shè)計(jì)施工方面，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)通常是沿用現(xiàn)有的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)資料，而沒有因地制宜地對(duì)建筑工程節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的考究，因而在建造施工過程中會(huì)出現(xiàn)一系列構(gòu)造不合理、設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤等問題，此時(shí)工程返工重建將會(huì)導(dǎo)致資源極大的浪費(fèi)。這是由于傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)代建筑技術(shù)水平的制約。通常一套建筑設(shè)計(jì)方案不能夠在設(shè)計(jì)過程中對(duì)其進(jìn)行能耗分析，而是到建筑施工中才進(jìn)行能耗分析。在建筑施工的最后階段，能耗分析幾乎沒有意義，況且工程建設(shè)過程中對(duì)于建筑設(shè)計(jì)方案通常會(huì)因種種因素的影響而難以變更，這最終就導(dǎo)致了資源能源浪費(fèi)。因此通過對(duì)傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方案和理念的改善以及將現(xiàn)代科技和建筑設(shè)計(jì)方案緊密結(jié)合,創(chuàng)造出新型綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案,以此來達(dá)到降低建筑能耗的目的。

而BIM（建筑信息模型）作為一項(xiàng)新興的信息技術(shù)，能夠有效地改善當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)中存在的能源浪費(fèi)問題，現(xiàn)已在世界多國的建筑領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。通過實(shí)踐證明，應(yīng)用BIM進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)能夠有效地節(jié)約時(shí)間、節(jié)省成本。BIM技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)使其得到越來越多設(shè)計(jì)人員的青睞，要同時(shí)也為綠色節(jié)能建筑找到新的發(fā)展方向。

1 BIM簡(jiǎn)介

BIM作為當(dāng)代建造設(shè)計(jì)行業(yè)的寵兒，其實(shí)現(xiàn)是以不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)為基礎(chǔ)的，旨在連接建設(shè)項(xiàng)目生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，建立單一工程數(shù)據(jù)源，從而解決分布的、異構(gòu)的工程數(shù)據(jù)之間的一致性和全局共享問題，進(jìn)而支持建設(shè)項(xiàng)目生命周期中動(dòng)態(tài)的工程信息創(chuàng)建、管理和共享，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期管理［1］。

BIM在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)有協(xié)同作用、模型碰撞檢測(cè)、可視化設(shè)計(jì)、綠色節(jié)能設(shè)計(jì)及模擬施工等。

1.1 協(xié)同作用

BIM的該項(xiàng)功能確保在建筑設(shè)計(jì)過程中同項(xiàng)目的不同成員將自己設(shè)計(jì)的內(nèi)容同步到文件服務(wù)器供其他專業(yè)人員參考。各專業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)同一平臺(tái)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決溝通，避免出現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)階段因各專業(yè)缺少交流而導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)漏洞，縮短設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，提高設(shè)計(jì)效率。

1.2 碰撞檢測(cè)

在傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)過程中，各個(gè)專業(yè)常會(huì)因?yàn)榻涣鞑粔蚨霈F(xiàn)機(jī)電碰撞、管線與房梁出現(xiàn)交叉碰撞的現(xiàn)象，這些管線的交叉點(diǎn)眾多，任何一處檢測(cè)不到的碰撞都會(huì)造成工程的停滯和返工，浪費(fèi)人力物力。BIM的碰撞檢測(cè)功能可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程出現(xiàn)的管道布置不合理的現(xiàn)象，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)人員由于缺少溝通帶來的施工成本增加及工期延誤的問題。

1.3 可視化設(shè)計(jì)

建筑模型的室內(nèi)外的可視化，能夠幫助業(yè)主進(jìn)行決策，減少建筑設(shè)計(jì)施工過程的返工量。

1.4 節(jié)能設(shè)計(jì)

BIM可通過日照分析和風(fēng)場(chǎng)分析對(duì)建筑的方位及朝向做出一定的調(diào)節(jié)，對(duì)建筑物每年的能量消耗、采暖制冷負(fù)荷、照明所需耗費(fèi)的電力資源等進(jìn)行模擬分析,較為直觀地反映過建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的效果。

1.5 模擬施工

使用BIM技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬施工，預(yù)先展現(xiàn)出建筑實(shí)體的形態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工過程中可能出現(xiàn)的問題，及時(shí)進(jìn)行糾正，減少因設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的工期延誤的問題。

2 BIM在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

自從BIM被開發(fā)以來，建筑業(yè)內(nèi)對(duì)BIM技術(shù)的議論不絕于耳，對(duì)BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用存在許多疑惑。隨著近年來BIM技術(shù)在建筑物中應(yīng)用后顯示出的優(yōu)越特性，越來越多的設(shè)計(jì)師選擇運(yùn)用此項(xiàng)新技術(shù)來滿足建筑節(jié)能的需求，BIM在國內(nèi)外綠色建筑中的應(yīng)用實(shí)例也不勝枚舉。

2.1 BIM在國外建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

2005年，綠色節(jié)能建筑開始進(jìn)入美國建筑市場(chǎng)，全年2%的新建項(xiàng)目成為綠色節(jié)能建筑。到2008年，新建項(xiàng)目中已有12%的商業(yè)建筑項(xiàng)目和8%的住宅建筑項(xiàng)目成為綠色建筑［2］。該期間，美國綠色建筑運(yùn)營成本下降了13.6%，而這些建筑成為綠色建筑后，綜合直上升了10.9%［3］。而BIM作為綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的卓越技術(shù)，更是受到美國等多數(shù)發(fā)達(dá)國家的青睞。如今美國采用BIM的項(xiàng)目數(shù)量增長(zhǎng)迅速，62%以上的設(shè)計(jì)單位采用BIM進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。美國政府負(fù)責(zé)建設(shè)的項(xiàng)目，要求全部使用BIM技術(shù)。而在歐洲地區(qū)的國家，英國建設(shè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)（CSN）發(fā)表的調(diào)查報(bào)告：截至2012年1月，英國AEC企業(yè)BIM的使用率已達(dá)到57%；根據(jù)美國McGraw-Hill Construction公司2010年的調(diào)查報(bào)告：2010年，德國BIM的應(yīng)用率為36%，且其國產(chǎn)的BIM軟件占主導(dǎo)地位［4］。

例如，在西雅圖北側(cè)，NBBJ為比爾及梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)設(shè)計(jì)的總部形如兩只相對(duì)的回旋鏢。通過對(duì)BIM新技術(shù)的運(yùn)用，這一園區(qū)僅可飲用水消耗量一項(xiàng)就能節(jié)約79%之多。NBBJ管理合伙人史蒂夫·麥康奈爾（Steve Mc Connel）介紹，“建筑占據(jù)全球33%的能源消耗。如果算上建筑內(nèi)的設(shè)施、系統(tǒng)消耗的能源，這個(gè)數(shù)字則是67%?！倍ㄟ^計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，建筑師們能夠設(shè)計(jì)出“一次投入，終身受益”的被動(dòng)式環(huán)保設(shè)施。

2.2 BIM在國內(nèi)建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

在中國，BIM的應(yīng)用雖處于起步階段，但也不乏運(yùn)用綠色BIM成功建造優(yōu)秀綠色節(jié)能建筑的案例。

2010年，在深圳新落成的萬科中心得到了全世界的廣泛關(guān)注。該項(xiàng)目通過對(duì)BIM的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)、選材、設(shè)備等多角度出發(fā)，可持續(xù)設(shè)計(jì)技術(shù)得到了充分應(yīng)用。其中，建筑遮陽系統(tǒng)保證建筑室內(nèi)光線和溫度保持在最佳狀態(tài)；太陽能光伏板提供了建筑物所需電能總量的12.5%，太陽能熱水器提供了酒店部分所需熱水的50%；智能照明系統(tǒng)配合節(jié)能燈具的使用，使萬科中心的照明能耗也比同類規(guī)模同類建筑減少30%左右；水環(huán)境設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)水50%以及100%的污水處理；在建筑材料的選用方面也充分重視了綠色建筑材料的使用，可再生材料的應(yīng)用較為廣泛而在綠色建筑認(rèn)證方面，更是達(dá)到LEED鉑金級(jí)認(rèn)證，成為國內(nèi)乃至全球極少數(shù)獲得此級(jí)別認(rèn)證的建筑物之一［5］。

騰訊新總部大樓坐落在深圳，這座年平均氣溫23℃的低緯度城市，建筑面積27萬多m2大樓所需的空調(diào)及照明費(fèi)用不菲。NBBJ設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研究了深圳的氣候、日照方向及日照時(shí)間，并將這些參數(shù)與建筑區(qū)位、朝向結(jié)合。NBBJ計(jì)劃使騰訊新總部能耗比中國綠色建筑最高標(biāo)準(zhǔn)三星級(jí)，再提升30%的節(jié)能效率，整座大樓設(shè)計(jì)耗電量總計(jì)節(jié)省約12%?！霸谏钲冢ㄖ哪蟼?cè)是夏天陽光照射最久的方位，我們就設(shè)計(jì)‘自我遮罩’外墻結(jié)構(gòu)?！薄白晕艺谡帧甭犉饋硎趾?jiǎn)單：大樓玻璃幕墻以兩層樓為單位向外傾斜，與頂端的不透明擋板構(gòu)成一個(gè)角度。當(dāng)夏天正午太陽最毒辣時(shí)，日光被不透明擋板擋在建筑之外，減少透入樓內(nèi)的熱量，從而降低空調(diào)費(fèi)用；而清晨、黃昏時(shí)，陽光則可以自由透入建筑，節(jié)約照明費(fèi)用。

又如，中國杭州奧體中心與北京鳥巢體育場(chǎng)體量相當(dāng)，同樣擁有8萬個(gè)座位，但用鋼量?jī)H為鳥巢三分之一。鳥巢總計(jì)花費(fèi)11萬噸鋼材，而杭州奧體中心在NBBJ計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)劃下，省下超過7萬噸優(yōu)質(zhì)鋼材，足以裝滿1 240個(gè)火車車皮。這是一個(gè)未來的建筑世界，卻早已誕生于實(shí)際建筑設(shè)計(jì)之中，喬納森說：“在這個(gè)世界，一切都由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)?！?/p>

平安金融中心——虛擬建造，BIM主導(dǎo)預(yù)制加工超高層建筑一般都位于城市CBD地段，地價(jià)昂貴導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)面積狹小，而且當(dāng)前我國的勞務(wù)成本也處于攀升階段。場(chǎng)地制約和人工費(fèi)用的不斷升高決定了工廠化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組合拼裝將成為以后施工企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展的主流方向。在深圳平安金融中心項(xiàng)目中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬建造，從施工的角度完成最終的深化設(shè)計(jì)之后，將模型構(gòu)件按照廠家產(chǎn)品庫進(jìn)行分段處理，生成裝配圖紙后交付廠家進(jìn)行生產(chǎn)。與廠家產(chǎn)品庫的共享既提高了模型的精準(zhǔn)度，也打通了BIM到工廠的通道。預(yù)制加工面臨的最大問題就是現(xiàn)場(chǎng)的施工條件。結(jié)構(gòu)尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求，管線拼裝如何定位，偏差怎么消除，這些都將影響到組合拼裝的成功率。在該項(xiàng)目中，第一步是模型設(shè)計(jì)階段，在保證建模精準(zhǔn)度的前提下，充分考慮施工過程中的各種不利因素，如鋼梁的防火噴涂、各類檢修操作空間等，以合理規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；第二步是現(xiàn)場(chǎng)完成結(jié)構(gòu)施工后、預(yù)制加工前，應(yīng)用全站儀等手段對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校核測(cè)量。對(duì)于無法消除的偏差，將重新調(diào)整模型以滿足實(shí)際情況，再出裝配圖到廠家加工；第三步是現(xiàn)場(chǎng)安裝階段，對(duì)每一個(gè)點(diǎn)的精確定位是保證拼裝成功的前提。手工放線對(duì)于直管段偏差不大，但拐角較多的成品管就極易出錯(cuò)。該項(xiàng)目中將模型通過二次開發(fā)軟件轉(zhuǎn)換，使用機(jī)器人全站儀直接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放線，大大提高了定位的準(zhǔn)確度。BIM在虛擬建造的施工階段發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢(shì)，大大節(jié)省了建筑資源。

中國尊作為北京新的地標(biāo)建筑，在綠色和節(jié)能方面有著極高的設(shè)計(jì)要求。其節(jié)能顧問通過Autodesk Ecotect Analysis對(duì)塔樓標(biāo)準(zhǔn)層不同辦公區(qū)域的日照分析，提出室內(nèi)燈光設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，也對(duì)塔樓立面的遮陽構(gòu)件提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。對(duì)冷卻塔的冷卻效果分析，保證了設(shè)計(jì)的運(yùn)行效果。對(duì)大堂、觀光平臺(tái)等重要空間的氣流模擬分析，極大地提升了“中國尊”在空調(diào)設(shè)計(jì)方面的舒適性。

在節(jié)能方面武漢中心也做了很大努力，武漢中心的設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到國家綠色建筑三星級(jí)和美國LEED-NC金級(jí)。因此在設(shè)計(jì)的過程中，將BIM技術(shù)與綠色、低碳、環(huán)保相結(jié)合，研究與BIM直接相關(guān)的綠色建筑評(píng)選項(xiàng)目主要集中在節(jié)能與能源利用和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。通過不同的參數(shù)的設(shè)置，對(duì)建筑進(jìn)行性能化分析，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

可見，BIM為綠色施工提供了有力的保障，對(duì)BIM技術(shù)的合理使用在推動(dòng)我國綠色建筑設(shè)計(jì)中取得了較大的進(jìn)步。

3 結(jié)語與展望

我國建筑市場(chǎng)龐大，節(jié)能潛力巨大，資源短缺的矛盾將伴隨著社會(huì)的發(fā)展逐步凸顯出來，在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)無法滿足可持續(xù)發(fā)展的情況下，BIM技術(shù)必然會(huì)成為建筑設(shè)計(jì)新的應(yīng)用方向。依賴新型的BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)階段導(dǎo)入自己的相關(guān)數(shù)據(jù)，在軟件分析后及時(shí)調(diào)整方案出現(xiàn)的問題，避免出現(xiàn)人力物力的浪費(fèi)，充分展現(xiàn)出了BIM在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。

目前BIM技術(shù)作為一種新技術(shù)，其應(yīng)用過程存在的不足將在建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展過程中逐步完善。我國對(duì)BIM技術(shù)的逐步普及與應(yīng)用也必將使國內(nèi)的建筑節(jié)能技術(shù)走向更高層次，因此BIM將會(huì)是今后建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一大發(fā)展趨勢(shì)。

［1］Luis Lopes，Shuichi Hokoi.Energy efficiency and energy savings in Japanese residential buildings research methodology and surveyed results［J］.Energy and buildings，2005，37：698.

［2］H.Tommerup，S.Svendsen.Energy savings in Danish residential building stock［J］.Energy and Buildings，2006，38：618.626.

［3］B.Farhanieh，S.Sattari.Simunation of energy saving in Iranian buildings using integrativemodeling for insulation［J］.Renewable Energy，2006，31：417.

［4］歐陽東.BIM技術(shù)—第二次建筑設(shè)計(jì)革命［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

［5］陳蘊(yùn)，艾俠，楊銘杰.綠色總部——萬科中心設(shè)計(jì)解讀［J］.建筑學(xué)報(bào)，2010（1）：6-13.