BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

魏天云

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 道路工程系，福建 福州350007）

目前，我國(guó)每年新增建筑面積達(dá)到20億m2以上，超過(guò)全球建筑面積的一半，成為全球建筑大國(guó)[1]。在建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，以及建筑產(chǎn)品拆除和廢棄物利用的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，還存在嚴(yán)重的資源與能源浪費(fèi)現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)與施工階段，主要參考目前已有的技術(shù)資料和設(shè)計(jì)方案，未能根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮建筑工程節(jié)能設(shè)計(jì)，經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理以及設(shè)計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤等方面的問(wèn)題，需要及時(shí)進(jìn)行返工處理，造成人力與資源的浪費(fèi)，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端所在，主要受設(shè)計(jì)理念以及技術(shù)水平的限制。以往對(duì)建筑產(chǎn)品的能耗分析，不是在建筑方案設(shè)計(jì)階段，而是在施工的整個(gè)過(guò)程，到了施工的最后階段進(jìn)行能耗分析也沒(méi)意義，這是由于建筑設(shè)計(jì)方案受各種因素的制約無(wú)法變更，從而造成資源與能源的浪費(fèi)。因此，必須完善傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方案與理念，同時(shí)將現(xiàn)代科技與建筑設(shè)計(jì)方案有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，倡導(dǎo)新型綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗的目的。

建筑信息模型(BIM)為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的協(xié)作管理提供了強(qiáng)大的信息支持，可以有效地降低設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中的時(shí)間與成本，減少或避免當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)中存在的資源能源浪費(fèi)，已在世界各國(guó)的建筑領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，由于自身的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)施工單位采用BIM技術(shù)，成為綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的新方向。

1 我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和問(wèn)題

目前，我國(guó)的建筑面積每年在不斷增加，但大多數(shù)屬于高能耗建筑，而綠色生態(tài)建筑可持續(xù)發(fā)展成為衡量建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，我國(guó)在這方面的應(yīng)用實(shí)踐還有相當(dāng)距離。要進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)定量分析，首先要了解影響建筑物節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，如建筑的方位、體型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，然后將建筑設(shè)計(jì)中的大量數(shù)據(jù)通過(guò)人工的方式輸入到專(zhuān)業(yè)軟件中，由于建筑設(shè)計(jì)師缺乏軟件操作以及能耗分析的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，難以充分地利用軟件對(duì)建筑能耗進(jìn)行分析，造成建筑能量分析必須到施工階段進(jìn)行，但此時(shí)的分析結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)方案，會(huì)由于種種限制因素?zé)o法變更，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)。由以上分析可以看出，建筑設(shè)計(jì)師缺乏能量分析的專(zhuān)業(yè)背景將直接影響建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用和推廣，造成建筑設(shè)計(jì)與能耗定量分析的脫節(jié)，這是影響我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)水平提高的關(guān)鍵制約因素。

2 BIM技術(shù)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)的影響

2.1 BIM技術(shù)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法的影響

主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是建筑設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)發(fā)展成空間設(shè)計(jì)，原先的平面設(shè)計(jì)主要是基于點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何元素的空間集合，現(xiàn)代的建筑設(shè)計(jì)有效利用信息科學(xué)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，改變了建筑師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，使建筑的空間概念不斷延伸，范圍也不斷擴(kuò)大，由原先的靜態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為立體的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[2]。另外，BIM技術(shù)將建筑工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等過(guò)程重新有機(jī)整合起來(lái)，使建筑方案設(shè)計(jì)由粗放型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成集成設(shè)計(jì)。因?yàn)楝F(xiàn)代建筑的功能不斷增加，復(fù)雜程度也隨著增加，傳統(tǒng)的圖紙信息傳遞已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的需要，通過(guò)引入BIM技術(shù)，可以有效地應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。BIM技術(shù)將各方面信息集成到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)作為共享平臺(tái)，有利于信息的修改和及時(shí)更新，同時(shí)模型的修改與完善也非常方便，從而可以通過(guò)模擬將一些問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)并采取合理措施。

2.2 BIM對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)思維的影響

利用BIM技術(shù)的模擬功能，可以預(yù)先對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性以及系統(tǒng)性作出評(píng)估。設(shè)計(jì)施工單位以及用戶(hù)可以利用BIM技術(shù)的可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)場(chǎng)施工，掌握施工進(jìn)度以及工程造價(jià)，確保建筑設(shè)計(jì)方案達(dá)到最優(yōu)。建筑設(shè)計(jì)師可以根據(jù)BIM技術(shù)提供的大量建筑數(shù)字化信息，改變?cè)O(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式。

2.3 BIM對(duì)建筑方案創(chuàng)作的影響

在BIM產(chǎn)生之前，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方案主要是手工繪圖，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)CAD繪圖，改變了傳統(tǒng)的繪圖方式，極大地提高了繪圖效率。數(shù)字化信息化時(shí)代的來(lái)臨，BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其三維建筑設(shè)計(jì)理念的優(yōu)越性不斷得到認(rèn)可，逐漸取代了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，建筑師可以將更多精力集中到建筑設(shè)計(jì)本身，使傳統(tǒng)的空間排列組合轉(zhuǎn)化為非線(xiàn)性參數(shù)化設(shè)計(jì)。

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

BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面[3]：一是進(jìn)行碰撞檢查。當(dāng)一些建筑工程方案較為復(fù)雜，建筑師和工程師進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，很難從二維藍(lán)圖中發(fā)現(xiàn)沖突問(wèn)題，等到實(shí)際施工階段，發(fā)生碰撞問(wèn)題而不符合要求，需要進(jìn)行返工處理，重新進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，造成材料損耗，影響機(jī)械臺(tái)班，出現(xiàn)窩工現(xiàn)象。若能應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行節(jié)能方面的設(shè)計(jì)，可以利用BIM技術(shù)的碰撞模擬功能，提前發(fā)現(xiàn)建筑方案中的碰撞問(wèn)題，及時(shí)采取合理的應(yīng)對(duì)措施，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)方案，避免由于碰撞造成的損失。二是進(jìn)行精確施工和計(jì)劃。傳統(tǒng)制作項(xiàng)目施工計(jì)劃時(shí)，主要采用手工進(jìn)行預(yù)算，不可避免地存在計(jì)算準(zhǔn)確性低，難以對(duì)相關(guān)的資源作出合理規(guī)劃，造成資源與能源的極大損失。若采用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，則可精確地制定計(jì)劃和控制施工進(jìn)度與成本，最大限度的節(jié)約資源。通過(guò)模擬虛擬施工過(guò)程，準(zhǔn)確地分析出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和資源的利用情況，從而減少資源的浪費(fèi)。三是協(xié)同提升效率。有些情況由于建筑工程項(xiàng)目非常復(fù)雜，臨時(shí)組建建筑項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，極大地影響建設(shè)工期，造成損失。而采用BIM技術(shù)，不但可以共享大量的建筑資源信息，獲得準(zhǔn)確的有用數(shù)據(jù)，而且利用BIM技術(shù)直接進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與計(jì)算，可避免設(shè)計(jì)人員的重復(fù)建模，提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)，BIM技術(shù)提供完整的項(xiàng)目設(shè)計(jì)內(nèi)容、施工計(jì)劃組織等信息，保證項(xiàng)目各階段運(yùn)行協(xié)調(diào)，縮短項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工到竣工的時(shí)間。

4 應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)未實(shí)施BIM技術(shù)之前，項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段多方參與，溝通與協(xié)調(diào)之間存在很大問(wèn)題，前期規(guī)劃設(shè)計(jì)與后期施工出現(xiàn)偏差，施工過(guò)程主要通過(guò)安排大量的技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控施工過(guò)程，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)信息的收集與反饋通常采用手抄的方式記錄施工過(guò)程并采用人工的方式傳遞相關(guān)信息，因此，現(xiàn)場(chǎng)信息的收集與傳遞速度慢，而且需要大量的人力與物力，造成施工過(guò)程的監(jiān)控成本提高。為了合理評(píng)估BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果，將信息共享性、集成設(shè)計(jì)性以及工程師評(píng)語(yǔ)作為主要衡量指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)分析法，將信息共享性、集成設(shè)計(jì)性以及工程師評(píng)語(yǔ)等指標(biāo)邊界不清、不易定量的因素定量化，對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，從而確定應(yīng)用BIM技術(shù)的重要性。選擇建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)之前和應(yīng)用BIM技術(shù)之后兩種情況做為研究對(duì)象，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析[4-5]。

（1）確定建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM情況的評(píng)價(jià)因素集：以信息共享性、集成設(shè)計(jì)性以及工程師評(píng)語(yǔ)為3個(gè)主要的考慮因素，即U={信息共享性、集成設(shè)計(jì)性、工程師評(píng)語(yǔ)}。

（2）確定因素的評(píng)價(jià)矩陣：按照建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM情況評(píng)價(jià)因素集，通過(guò)4位專(zhuān)家對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）確定評(píng)價(jià)集：將建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí)。

實(shí)施BIM之前的評(píng)價(jià)矩陣為：

實(shí)施BIM之后的評(píng)價(jià)矩陣為：

（4）確定評(píng)價(jià)因素間的權(quán)重：按照信息共享性、集成設(shè)計(jì)性以及工程師評(píng)語(yǔ)3個(gè)方面的因素在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要程度，采用不同權(quán)重：

A={信息共享性，集成設(shè)計(jì)性，工程師評(píng)語(yǔ)}={0.35，0.35，0.3}

（5）模糊綜合評(píng)價(jià)分析：針對(duì)以上分析的兩種情況，按照B=AR，表1是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)施BIM技術(shù)前后最終模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)施BIM前后模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Building energy efficiency design fuzzy comprehensive evaluation results before and after the implementation of BIM

由表1可知，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)施BIM技術(shù)之后的評(píng)價(jià)良好以上的達(dá)到77.5%，說(shuō)明其占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)榻ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)采用BIM技術(shù)之后，通過(guò)將BIM的API接口與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、分析軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接，使建筑節(jié)能項(xiàng)目的前期策劃、材料設(shè)備、施工管理、運(yùn)行維護(hù)等數(shù)據(jù)有機(jī)地集成在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、完整性和一致性，有效地解決了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息共享性差的問(wèn)題，采用BIM技術(shù)可以對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行柔性管理，因此建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中必須大力推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用。

5 BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)以及數(shù)字化技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)完美結(jié)合，有助于建筑設(shè)計(jì)師做出合理的分析與判斷，深入的研究建筑節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)出符合節(jié)能要求的各類(lèi)建筑，盡可能地降低能源的消耗，節(jié)約資源，做到綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。

5.1 建立建筑模型

應(yīng)用BIM技術(shù)，建筑設(shè)計(jì)師在節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以設(shè)計(jì)節(jié)能建筑模型，通過(guò)BIM技術(shù)的可視化功能可以直觀地觀察方案設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，以便及時(shí)對(duì)方案作出調(diào)整和優(yōu)化。節(jié)能建筑模型的創(chuàng)建方法主要有三種，第一種是采用交互智能轉(zhuǎn)換法創(chuàng)建節(jié)能建筑模型，第二種是根據(jù)建筑工程師提供的建筑模型信息來(lái)創(chuàng)建節(jié)能建筑模型，第三種是采用智能交互法創(chuàng)建節(jié)能建筑模型[6]。這些節(jié)能建筑模型均是基于正確使用BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，為節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

5.2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行節(jié)能建筑模型設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)師可以從中獲得大量的建筑信息資源，即只要將建筑模型導(dǎo)入到相關(guān)分析軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單操作就可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果[7]。這種簡(jiǎn)單便捷的獲取信息數(shù)據(jù)的手段，可以讓建筑設(shè)計(jì)工程師騰出更多的時(shí)間和精力用于節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中。目前，BIM技術(shù)與GBS技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，利用建筑信息生成熱模型，通過(guò)相關(guān)的分析軟件，簡(jiǎn)化建筑能量分析過(guò)程，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)設(shè)定建筑類(lèi)型。

6 結(jié)論

科學(xué)合理的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可以有效地節(jié)約能源，避免過(guò)大的能源消耗。我國(guó)已將建筑節(jié)能設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。通過(guò)BIM技術(shù)，將建筑工程的全部信息轉(zhuǎn)化為虛擬的數(shù)字化建筑模型，借助相關(guān)的能量分析軟件，可以快速獲得能量分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)從建筑設(shè)計(jì)到工程竣工的全方位檢測(cè)分析，從而及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，提升建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的效率。

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