綠色實(shí)踐中的BIM應(yīng)用
——以若爾蓋暖巢項(xiàng)目為例

聞金石，郭 佳，鐘輝智

（1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司前方工作室，成都 610000；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑設(shè)計(jì)研究中心，成都 610000）

綠色實(shí)踐中的BIM應(yīng)用
——以若爾蓋暖巢項(xiàng)目為例

聞金石1，郭 佳1，鐘輝智2

（1.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司前方工作室，成都 610000；2.中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司綠色建筑設(shè)計(jì)研究中心，成都 610000）

建筑信息模型（BIM）作為一種有效的建筑設(shè)計(jì)輔助手段，已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)、施工以及后期運(yùn)營(yíng)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但是在前期方案的優(yōu)化過(guò)程中，BIM信息交互的優(yōu)勢(shì)卻往往被忽視，無(wú)法得到有效的利用。在若爾蓋暖巢項(xiàng)目的綠色實(shí)踐中，我們嘗試將BIM的設(shè)計(jì)手段引入到方案前期，從對(duì)能源的選擇到對(duì)建筑的朝向布局、建筑的形體特征、洞口位置、尺寸以及建筑墻身構(gòu)造等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬與比較，通過(guò)科學(xué)理性的方式幫助建筑師在設(shè)計(jì)的選擇上做出正確的判斷。希望通過(guò)若爾蓋暖巢項(xiàng)目，結(jié)合BIM的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和綠色節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探索出一種值得推廣的綠建設(shè)計(jì)方法。

高寒高海拔；綠色實(shí)踐；被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖；BIM應(yīng)用

0 引言

在自然資源有限且日益枯竭的今天，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式設(shè)計(jì)是各位學(xué)者和建筑師倡導(dǎo)已久的話題。被動(dòng)式設(shè)計(jì)即更主動(dòng)利用可再生能源，盡量減少使用機(jī)械和動(dòng)力設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑與環(huán)境的自平衡。

我國(guó)高寒高海拔地區(qū)泛指青藏高原以及四川西部，這一地區(qū)幅員廣闊，氣候特殊，自然資源狀況獨(dú)特，解決這一地區(qū)冬季室內(nèi)基本熱環(huán)境是很多學(xué)者長(zhǎng)期研究的重點(diǎn)。該地區(qū)采暖的策略和技術(shù)措施應(yīng)有別于我國(guó)北方地區(qū)的系統(tǒng)和方式。

1 理論基礎(chǔ)

關(guān)于高寒高海拔地區(qū)的研究分為兩個(gè)區(qū)域，西藏地區(qū)與川西地區(qū)，對(duì)這兩個(gè)地區(qū)的系列研究，為高寒高海拔地區(qū)的建筑熱環(huán)境建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)。例如中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院通過(guò)研究[1]確定了室內(nèi)熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)；清華大學(xué)建立了以最冷月平均室溫和最低室溫的評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外一些對(duì)建筑局部的熱工性能化研究也對(duì)工程有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義，例如中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院通過(guò)對(duì)窗墻面積比、外窗類型、外墻傳熱系數(shù)、外墻材料的不同排列次序以及天窗活動(dòng)保溫板厚度（熱工方案）等影響被動(dòng)太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究[2]。清華大學(xué)分析了在藏西南邊遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)輔助熱源直接受益式太陽(yáng)能采暖的可行性[3]，也對(duì)設(shè)計(jì)策略具有方向性的指導(dǎo)。

以上研究為高寒高海拔地區(qū)冬季利用被動(dòng)太陽(yáng)能采暖奠定了一定的理論基礎(chǔ)，但這些研究并未在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段就與相關(guān)專業(yè)密切配合，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中到底該如何著手并不清晰。

2 若爾蓋暖巢項(xiàng)目——在限制條件下的實(shí)踐

若爾蓋暖巢項(xiàng)目（圖1、2）位于阿壩州若爾蓋縣下熱爾村，項(xiàng)目由中國(guó)扶貧基金會(huì)發(fā)起并出資，與地方資金配套相結(jié)合的小學(xué)宿舍項(xiàng)目。該?，F(xiàn)有的學(xué)生宿舍十分老舊，居住條件亟待改善。

若爾蓋屬于生態(tài)脆弱的濕地草原，冬長(zhǎng)無(wú)夏，年平均溫度只有-1℃左右，冬季日照率高，大氣透明度好，日照輻射強(qiáng)度大，連晴日長(zhǎng)；當(dāng)?shù)厝剂腺Y源有限，且運(yùn)輸成本極高。不管是從經(jīng)濟(jì)并不發(fā)達(dá)的若爾蓋縣還是更加偏遠(yuǎn)的牧區(qū)來(lái)看，最好的策略是發(fā)展全被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖，從而減少常規(guī)能源的損耗，減少年運(yùn)行和維修費(fèi)用。這在高海拔、低氣溫、高太陽(yáng)輻射的川西高原具有廣泛推廣的意義。與此同時(shí)，必須加大對(duì)建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)的投入，控制和解決這一思路下的建筑各部件的集熱—蓄熱—放熱的熱交換的過(guò)程，形成高太陽(yáng)輻射地區(qū)采暖的獨(dú)特的綠色模式。基于這樣的理念，設(shè)計(jì)中我們嘗試?yán)肂IM三維協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，來(lái)探索低技術(shù)、低成本、低維護(hù)的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的利用。

項(xiàng)目地點(diǎn)：阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣下熱爾村占地面積：366 m2總建筑面積：1 255 m2結(jié)構(gòu)形式：磚混結(jié)構(gòu)建筑功能：小學(xué)生宿舍（20個(gè)8人間，160個(gè)床位）

圖2 暖巢項(xiàng)目效果圖

3 暖巢項(xiàng)目的BIM協(xié)同與綠色策略

項(xiàng)目在方案初期就建立了綠色策略與BIM協(xié)同策劃，將我們所設(shè)想的各種物理參數(shù)借助BIM平臺(tái)做量化分析，作為設(shè)計(jì)上的方向性判斷和選擇。利用BIM信息模型全息優(yōu)勢(shì)，從項(xiàng)目總圖布局到墻身節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，與水、暖、電、節(jié)能專業(yè)保持密切的數(shù)據(jù)交互和信息反饋。本文從布局、形體，到洞口、細(xì)部構(gòu)造4個(gè)層面，闡述BIM協(xié)同平臺(tái)在綠色建筑中的設(shè)計(jì)推進(jìn)與方法。

圖3 典型房間一年的溫度分布

3.1 建筑布局優(yōu)化

建筑的朝向決定了是否能高效利用太陽(yáng)能資源。在確定方案總圖布局的過(guò)程中，我們利用energyplus分析建筑在不同朝向下，典型房間內(nèi)的溫度表現(xiàn)。我們根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的用地限制條件，分析對(duì)比3種總圖布局，針對(duì)每種布局，我們都得出典型房間一年的溫度分布，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析（圖3），在既有限制條件下得出最佳布局模式。

我們利用revit平臺(tái)軟件對(duì)節(jié)能專業(yè)輸出各種數(shù)據(jù)格式的模型進(jìn)行分析模擬，而節(jié)能專業(yè)將最終的分析結(jié)果以數(shù)據(jù)的模式反饋給建筑專業(yè)，在多方案比選的過(guò)程中，幫助建筑師作出最佳選擇。

3.2 建筑形體特征的優(yōu)化

從常識(shí)來(lái)說(shuō)，嚴(yán)寒地區(qū)出于節(jié)能要求，建筑的北面應(yīng)更封閉，而現(xiàn)實(shí)空間要求北立面為建筑的主要入口，立面形式需要開放，友好。方案構(gòu)想了“暖區(qū)—次暖區(qū)”的概念，將樓梯空間作為宿舍與室外的緩沖區(qū)，其室溫要求略低于宿舍內(nèi)。用energyplus對(duì)建筑的體形進(jìn)行比較和分析。不斷對(duì)其進(jìn)行體量的補(bǔ)充與優(yōu)化，對(duì)各工況進(jìn)行模擬，對(duì)比分析得到適宜的形體類型。這個(gè)過(guò)程中同樣以典型房間的全年溫度分布作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。圖4為方案優(yōu)化過(guò)程中選取的形體對(duì)比工況。

3.3 洞口尺寸與位置的推敲

高寒地區(qū)節(jié)能的通常做法是建筑各方向應(yīng)控制窗墻比。但窗越少，全被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑越難在白天獲得熱量。設(shè)計(jì)策略是白天要盡可能多的讓太陽(yáng)光透過(guò)南立面射入房間，輔以蓄熱墻體使建筑迅速升溫。夜晚，墻體與樓板中的蓄熱向房間散熱，維持室內(nèi)基本溫度。我們借助energyplus，分別對(duì)7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7幾種窗墻比的工況進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果如圖5。

圖4 選取的形體對(duì)比工況（圖片來(lái)源：energyplus軟件模擬）

圖5 對(duì)幾種窗墻比的工況模擬分析（圖片來(lái)源：energyplus軟件模擬）

從模擬結(jié)果得知，窗子的開啟面積與房間內(nèi)部的溫度表現(xiàn)基本成正比關(guān)系，即窗面積越大，建筑白天得熱越多，因此南立面在結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)最大限度的開窗是合理的選擇。過(guò)程中我們借助建筑物理性能分析工具，得到令人信服的數(shù)據(jù)以幫助我們優(yōu)化方案。

而建筑的北立面我們盡量開小洞口，為了同時(shí)兼顧北側(cè)走廊自然光線的功能照度與光線的均勻度，我們用ecotect對(duì)不同的洞口方案進(jìn)行了模擬分析，如圖6，綜合考慮自然采光照度標(biāo)準(zhǔn)和減小能耗的要求，確定了最終的開窗方案。

3.4 墻身細(xì)節(jié)的比較與選擇

建筑南側(cè)采用雙層集熱墻構(gòu)造體系，在蓄熱模式的細(xì)部設(shè)計(jì)上，我們嘗試過(guò)雙層墻體，雙層樓板以及簡(jiǎn)化構(gòu)造措施等多種構(gòu)造方式，在具體選擇過(guò)程中，需要同時(shí)考慮集熱效率和造價(jià)問(wèn)題，與節(jié)能專業(yè)和造價(jià)專業(yè)密切配合實(shí)現(xiàn)對(duì)方案的不斷優(yōu)化。圖7是我們?cè)诜桨竷?yōu)化過(guò)程中分別對(duì)雙層墻體、雙側(cè)樓板和基本簡(jiǎn)單構(gòu)造形式進(jìn)行模擬分析的過(guò)程。

通過(guò)對(duì)結(jié)果的解讀和分析，我們發(fā)現(xiàn)3種方案的蓄熱性能系數(shù)差異不大，最簡(jiǎn)單的構(gòu)造方式仍能獲得良好的建筑蓄熱能力。綜合考慮造價(jià)、施工與后期維護(hù)等多方面因素，最終我們決定采用最簡(jiǎn)單的單層墻體和樓板的構(gòu)造措施作為建筑的蓄熱系統(tǒng)（圖8）。

圖6 對(duì)不同的洞口方案進(jìn)行分析（圖片來(lái)源：ecotect軟件模擬）

圖7 對(duì)雙層墻體、雙側(cè)樓板和基本簡(jiǎn)單構(gòu)造形成進(jìn)行模擬分析（圖片來(lái)源：energyplus軟件模擬）

圖8 單元體各組成部分

BIM協(xié)同平臺(tái)將各種性能分析軟件的數(shù)據(jù)交互變?yōu)榭赡埽m然工具間的協(xié)同還需改進(jìn)和完善），理性的設(shè)計(jì)方法和科學(xué)的數(shù)據(jù)分析能夠指導(dǎo)建筑師做出正確的判斷。

4 結(jié)語(yǔ)

若爾蓋項(xiàng)目推進(jìn)與優(yōu)化過(guò)程，是相關(guān)專業(yè)間信息交互反饋的過(guò)程。cad、revit作為平臺(tái)軟件，ecotect、energyplus，fluent作為性能分析軟件實(shí)現(xiàn)著信息模型的交互，輔助建筑設(shè)計(jì)朝著理性的方向發(fā)展。

通過(guò)若爾蓋項(xiàng)目，我們對(duì)BIM應(yīng)用的思路和領(lǐng)域有了一些新的認(rèn)識(shí)：

1）應(yīng)拓寬BIM應(yīng)用的思路，任何帶有信息的建筑模型分析軟件都可以納入BIM的范疇，過(guò)度拘泥于某種BIM協(xié)作的平臺(tái)，反而會(huì)削弱BIM的價(jià)值。相反，秉持靈活應(yīng)用的思路，合理發(fā)揮不同建筑軟件的優(yōu)勢(shì)，卻可以有效地起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的作用。

2）應(yīng)拓寬BIM應(yīng)用領(lǐng)域。BIM不僅僅可以作為施工圖后期的管道綜合和施工管理，還可以在設(shè)計(jì)前期發(fā)揮特殊的作用。建筑師與各專業(yè)設(shè)計(jì)師做到有效的互動(dòng)，這大大提升了相關(guān)專業(yè)人員在BIM輔助設(shè)計(jì)中的可參與度，也提高了建筑師對(duì)項(xiàng)目整體把握的方向性。

在這個(gè)過(guò)程中建筑師扮演了重要的角色，作為方案效果的把控者，需要與各個(gè)專業(yè)密切配合，實(shí)時(shí)的整理模型，傳遞信息，并對(duì)信息作出合理的判斷。

不同的項(xiàng)目面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題也許不同，但思考和操作的方式是互通的。綠色實(shí)踐中可有效地利用BIM平臺(tái)，以更加理性的方式去建立評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)和討論的平臺(tái)。

[1]王磊.西藏地區(qū)被動(dòng)太陽(yáng)能建筑采暖研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008（05）.

[2]王磊，馮雅，曹友傳等.西藏地區(qū)太陽(yáng)能采暖建筑熱工性能優(yōu)化研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（02）86-91.

[3]肖偉.藏西南邊遠(yuǎn)地區(qū)直接受益式太陽(yáng)能采暖研究[D].北京：清華大學(xué)，2010（06）.

TU204

A

1673-1093（2015）04-0064-05

聞金石（1987），男，畢業(yè)于南京大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)，就職于中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向：綠色建筑。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.04.013

2015-01-26；

2015-02-04