基于BIM的綠色節(jié)能建筑施工管理研究

艾永飛 劉傳陽 張珉

摘要：對(duì)比傳統(tǒng)建筑施工和綠色節(jié)能建筑施工的異同點(diǎn)，梳理出綠色節(jié)能建筑施工特點(diǎn);然后從綠色施工的特點(diǎn)出發(fā)，利用BIM對(duì)傳統(tǒng)施工流程進(jìn)行優(yōu)化。最后，以中國(guó)-丹麥科研教育中心綠色示范工程為例，介紹了BIM技術(shù)在綠色施工中的應(yīng)用。

Abstract： Firstly， compared with the similarities and differences of the traditional construction and green building construction，the construction characteristics of green building are put forward. Then the traditional construction process is optimized with BIM according to the characteristics of green building. Finally， taking the example of green demonstration project of China - Denmark research and education center， the application of BIM technology in green construction is introduced.

關(guān)鍵詞： 綠色節(jié)能建筑;施工管理;BIM

Key words： green building;construction management;BIM（Building Information Modeling）

中圖分類號(hào)：TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）08-0007-05

0 ?引言

綠色節(jié)能建筑施工是指在保證工程安全、質(zhì)量前提下，在施工中做到“四節(jié)一環(huán)保”，通過科學(xué)管理和有效技術(shù)措施，最大限度地節(jié)約資源和減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，保護(hù)施工人員的安全與健康，從而建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的施工方式[1]。如今，快速的城市化進(jìn)程、巨大的基礎(chǔ)建設(shè)量、自然資源及環(huán)境的限制決定了中國(guó)建筑節(jié)能工作的重大意義和時(shí)間緊迫性[2]。然而，國(guó)內(nèi)施工企業(yè)綠色施工過程仍存在綠色施工觀念淡薄、施工技術(shù)落后以及綠色施工管理不力等問題[3][4][5]。這和企業(yè)綠色施工過程仍采用傳統(tǒng)方法，較少涉及綠色管理內(nèi)容有很大關(guān)聯(lián)[6]。如此重要的管理內(nèi)容必然要求有好的施工流程做支撐。從綠色施工的特點(diǎn)出發(fā)，在傳統(tǒng)施工流程的基礎(chǔ)上引進(jìn)BIM技術(shù)以優(yōu)化施工流程，可為綠色節(jié)能建筑施工提供一種新的思路。

1 ?綠色節(jié)能建筑施工管理研究現(xiàn)狀及施工特點(diǎn)

1.1 綠色節(jié)能建筑施工研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)對(duì)綠色施工管理研究及實(shí)踐以項(xiàng)目管理為基礎(chǔ)，將全壽命周期與可續(xù)發(fā)展的思路運(yùn)用于綠色工程的施工實(shí)踐中[7]。傳統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目一般可以劃分成：決策階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段，招投標(biāo)階段，施工階段以及竣工驗(yàn)收階段，從項(xiàng)目的全壽命周期來看，傳統(tǒng)施工的決策階段為概念階段，初步設(shè)計(jì)到招投標(biāo)為設(shè)計(jì)階段，施工及竣工為施工階段，此后轉(zhuǎn)交業(yè)主，退出運(yùn)營(yíng)階段，如圖1所示，文獻(xiàn)[8]在考慮到這種流程對(duì)綠色施工考慮不足的基礎(chǔ)上，列出了綠色建筑施工全壽命期內(nèi)綠色管理重點(diǎn)內(nèi)容。本文選取國(guó)內(nèi)外綠色建筑施工案例和文獻(xiàn)進(jìn)行了深入研究，包括北京某奧運(yùn)場(chǎng)館、深圳市康沃工業(yè)園、廣西欽州市公安局指揮中心綜合樓工程等。從施工目標(biāo)、施工出發(fā)點(diǎn)、著眼點(diǎn)，效果以及效益觀五個(gè)方面分析了兩者的差異，與傳統(tǒng)施工相比，既有相同點(diǎn)，又有很大的不同，見表1。

1.2 綠色節(jié)能建筑施工特點(diǎn)

從綠色施工與一般建筑施工的差異出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的綠色施工文獻(xiàn)[9][10]以及所在工程的實(shí)踐，總結(jié)出綠色施工如下4個(gè)特點(diǎn)：

①以客戶為中心，重點(diǎn)考慮建筑的環(huán)境屬性。

傳統(tǒng)建筑是以進(jìn)度、質(zhì)量成本作為主要控制目標(biāo)，而綠色建筑的出發(fā)點(diǎn)是節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，滿足使用者的要求，以客戶的需求為中心，管理人員需要更多地了解客戶的需求、偏好、施工過程對(duì)客戶的影響等，此處的客戶不僅僅包括最終的使用者，還包括潛在的使用者和自然。傳統(tǒng)建筑的建造和使用過程中消耗了過多的不可再生資源，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染，而綠色建筑正因此在傳統(tǒng)建筑施工目標(biāo)上基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮建筑的環(huán)境屬性，做到節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，節(jié)省能源，講究與自然環(huán)境和諧相處，將環(huán)境破壞程度降到最低，將不利影響轉(zhuǎn)換為有利影響;同時(shí)為客戶提供健康舒適的生活空間，以滿足客戶體驗(yàn)為另一目標(biāo)。最終的綠色建筑不僅要交付一個(gè)舒適、健康的內(nèi)部空間，也要制造一個(gè)溫馨、和諧的外部環(huán)境，最終追求“天人合一”的最高目標(biāo)。

②全壽命周期內(nèi)，合理優(yōu)化用能結(jié)構(gòu) [11]。

不同于傳統(tǒng)的建筑，綠色建筑是針對(duì)建筑的全壽命周期范圍，從項(xiàng)目的策劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)直到筑物拆除，所以綠色建筑的概念是貫穿建筑物的全壽命周期。在設(shè)計(jì)時(shí)提倡被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)，通過建筑物本身來收集、儲(chǔ)蓄能量（而非利用耗能的機(jī)械設(shè)備）使得與周圍環(huán)境形成自循環(huán)的系統(tǒng)，在全壽命期內(nèi)，最大限度利用被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)（Passive Design）與可再生能源。這樣能夠充分利用自然資源，達(dá)到節(jié)約能源的作用。設(shè)計(jì)的方法有建筑朝向，建筑保溫，建筑體形，建筑遮陽，最佳窗墻比，自然通風(fēng)、自然采光等等。在建筑的運(yùn)營(yíng)階段如何降低能耗，需要盡量使用可再生的能源，例如合理利用光能、風(fēng)能、地?zé)岬取?/p>

③注重全局優(yōu)化，保證施工目標(biāo)均衡。

綠色建筑從項(xiàng)目的策劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)直到筑物拆除過程中追求的是全壽命周期范圍內(nèi)的建筑收益最大化，是一種全局的優(yōu)化，這種優(yōu)化不僅僅是總成本的最低，還包括社會(huì)效益和環(huán)境效益，如最小化建筑對(duì)自然環(huán)境的負(fù)面影響或破壞程度，最大化環(huán)保效益、社會(huì)示范效益。綠色施工雖然可能導(dǎo)致施工成本增大，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，將使得國(guó)家或相關(guān)地區(qū)的整體效益增加，但這種增加也是有條件的，建設(shè)過程有各種各樣的約束，進(jìn)度、費(fèi)用、綠色環(huán)保等要求，可以將以價(jià)值工程作為優(yōu)化基礎(chǔ)保證施工目標(biāo)均衡[12]，通過采取技術(shù)經(jīng)濟(jì)措施，做到一次投入，全壽命期內(nèi)受益。

④重視創(chuàng)新，提倡新技術(shù)、新材料、新器械的應(yīng)用[13]。

綠色建筑是一個(gè)技術(shù)的集成體，在實(shí)施過程中會(huì)遇到諸如能源優(yōu)化、污水處理、管線的優(yōu)化、采光設(shè)計(jì)等的技術(shù)問題。相對(duì)于傳統(tǒng)建筑，綠色節(jié)能建筑在技術(shù)難度，施工復(fù)雜度，以及風(fēng)險(xiǎn)把控上都存在很大的挑戰(zhàn)。這就需要利用多種先進(jìn)技術(shù)、新材料及新器械，以可持續(xù)發(fā)展為原則，追求高效能、低能耗，將同等單位的資源在同樣的客觀條件下，發(fā)揮出更大的效能。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐中應(yīng)用較好的技術(shù)方法有BIM、采光技術(shù)、水資源回收利用等技術(shù)。這些新技術(shù)應(yīng)用不僅可以提高施工效率，最重要的是可以解決傳統(tǒng)施工無法企及的問題。因此，綠色施工管理不僅需要理念上的轉(zhuǎn)變，而且還需要施工工藝和新材料和器械的支持。

2 ?基于BIM及價(jià)值工程的施工流程優(yōu)化

通過綠色施工與傳統(tǒng)施工的對(duì)比，可以看出在綠色專項(xiàng)的全生命周期管理上需要引起重視，可以通過建立綠色建筑施工組織專項(xiàng)規(guī)劃將綠色管理部分予以安排，明確實(shí)現(xiàn)綠色專項(xiàng)的功能的方法及流程。鑒于BIM技術(shù)強(qiáng)大的建模、數(shù)字智能和專業(yè)協(xié)同性能以及國(guó)際上10余年工程建設(shè)實(shí)踐中低投入高回報(bào)的優(yōu)勢(shì)[14]，從綠色建筑施工的特點(diǎn)出發(fā)，可以將BIM技術(shù)作為綠色施工中的一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑的全壽命周期中，對(duì)傳統(tǒng)施工流程進(jìn)行優(yōu)化，以期解決綠色管理問題，如圖2所示。

2.1 BIM概念及其價(jià)值

建筑信息模型（Building Information Modeling ，BIM）技術(shù)是建設(shè)項(xiàng)目的兼具物理特性與功能特性的數(shù)字化模型，且是從建設(shè)項(xiàng)目的最初概念設(shè)計(jì)開始的整個(gè)生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源[15]。它是一項(xiàng)近年來出現(xiàn)的，引領(lǐng)建筑數(shù)字技術(shù)走向更高層次的新技術(shù)，是繼“甩開圖板轉(zhuǎn)變二維計(jì)算機(jī)技術(shù)繪圖”之后的又一次建筑設(shè)計(jì)技術(shù)手段的革命，在國(guó)際上已成為工程建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到目前，美國(guó)已經(jīng)有半數(shù)建筑企業(yè)應(yīng)用了BIM相關(guān)的軟件，歐洲挪威、芬蘭的使用率更高達(dá)70%，亞洲的新加坡由政府以建筑行業(yè)BIM電子報(bào)批為抓手從2013年開始全面推動(dòng)BIM技術(shù);我國(guó)自2007年起也在逐漸推進(jìn)BIM應(yīng)用，在一大批世界矚目的工程上應(yīng)用了BIM技術(shù)，如北京奧運(yùn)水立方場(chǎng)館、上海世博文化中心、國(guó)家電力館等。2015年住建部出臺(tái)了《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，指出以國(guó)有資金為主的大中型建筑以及申報(bào)綠色公共建筑以及綠色示范小區(qū)，其BIM技術(shù)應(yīng)用率應(yīng)達(dá)到90%以上。

BIM技術(shù)的價(jià)值主要體現(xiàn)在BIM的3D展現(xiàn)能力、BIM的精確計(jì)算能力以及BIM的協(xié)同溝通能力上，據(jù)普華永道對(duì)BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用可以看出，BIM技術(shù)可使建設(shè)周期縮短5%（其中，溝通時(shí)間減少30-60%，信息搜尋節(jié)約50%），成本減少5%?；贐IM的價(jià)值可以在傳統(tǒng)建筑施工上產(chǎn)生新的變化：

①新理念的產(chǎn)生。

BIM協(xié)同的能力可使得建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的過程全集于BIM平臺(tái)上，可形成建筑全壽命周期理念，類似還可以形成建筑知識(shí)管理理念、新的建筑認(rèn)知體系等。

②資源的重新整合和配置。

BIM技術(shù)是以數(shù)字為基礎(chǔ)，可以結(jié)合“大數(shù)據(jù)”、“云計(jì)算”等技術(shù)做好資源的動(dòng)態(tài)管控，實(shí)現(xiàn)資源的重新整合和配置。

③新的思維及工作方式。

BIM技術(shù)“所見即所得”的思維理念會(huì)對(duì)建筑施工帶來新的改變，如3D虛擬模型及衍生的nD功能（4D動(dòng)畫，5D造價(jià)……）等，思維改變也必將帶動(dòng)工作方式的變化。

2.2 BIM技術(shù)在綠色建筑全壽命周期內(nèi)的應(yīng)用

鑒于BIM的3D展現(xiàn)能力、精確計(jì)算能力以及協(xié)同溝通能力，將其應(yīng)用到綠色建筑中可以很好地體現(xiàn)出綠色建筑的特點(diǎn)。借鑒國(guó)內(nèi)外BIM技術(shù)在的綠色建筑施工管理中取得的好的實(shí)踐，將BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑的全壽命周期中 [16][7]。（表2）

3 ?案例應(yīng)用

3.1 工程概況

中國(guó)-丹麥科研教育中心綠色示范工程（下稱中丹綠色工程）為丹麥全額捐建，是其在中國(guó)投資的第一個(gè)科研教育建設(shè)項(xiàng)目，為地下一層，地上五層，局部六層建筑，面積10865.48㎡。本工程由中鐵建工集團(tuán)承包，工程造價(jià)為9310萬元，已于2017年底竣工。該工程在項(xiàng)目決策、設(shè)計(jì)、施工過程中嚴(yán)格落實(shí)LEED的綠色施工要求。項(xiàng)目部本著可持續(xù)發(fā)展的理念精心策劃，科學(xué)組織綠色施工，在全壽命期內(nèi)應(yīng)用了BIM技術(shù)，應(yīng)用情況見圖3，收到了很好的工程效益和經(jīng)濟(jì)效果，另外，本工程的BIM技術(shù)應(yīng)用還獲得了第二屆中國(guó)建設(shè)工程BIM大賽卓越工程項(xiàng)目獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。以下對(duì)BIM技術(shù)在綠色建筑各階段中的應(yīng)用做重點(diǎn)介紹。

3.2 BIM技術(shù)在綠色節(jié)能建筑施工中的應(yīng)用

項(xiàng)目部成立BIM技術(shù)小組，使用Revit 2014三維建模工具，MS Project2010進(jìn)度管理軟件以及Naviswok 2014軟件以及Ecotect 能耗分析軟件實(shí)現(xiàn)三維建模、進(jìn)度模擬、管線碰撞、內(nèi)部漫游、工程算量以及建筑用能模擬等功能。具體的：

通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，在決策階段，在技術(shù)方案中，按照客戶對(duì)綠色建筑的需求，建立建筑的3D模型，使得各參與方對(duì)綠色建筑從一開始就對(duì)建筑的內(nèi)外環(huán)境有直觀便捷的認(rèn)識(shí)，在對(duì)后期建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等方案的認(rèn)識(shí)上更容易達(dá)成一致，同時(shí)也便于對(duì)外展示，起到很好的示范宣傳作用，圖4為中丹綠色工程前期策劃的內(nèi)外部環(huán)境。此階段BIM技術(shù)應(yīng)用充分體現(xiàn)了綠色施工以客戶為中心，考慮建筑的環(huán)境屬性的特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)階段，利用BIM技術(shù)進(jìn)行了3D建模，能量模擬、漫游，及管線碰撞等試驗(yàn)，其中：在建模中充分考慮了被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)，預(yù)留了采光通風(fēng)通道，也通過漫游的應(yīng)用分析對(duì)比并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如圖5（左）為深度優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;進(jìn)行了能量模擬，對(duì)建筑的節(jié)能情況進(jìn)行了分析，對(duì)不合理之處進(jìn)行改進(jìn)，如圖5（中）;碰撞試驗(yàn)解決主體、結(jié)構(gòu)、水電、暖通等不同專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙的融合，在碰撞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了3處管線鋪設(shè)不合理之處，如圖5（右）所示;通過優(yōu)化方案和設(shè)計(jì)，為工程算量、管道綜合布置提供了可靠的保障。此階段BIM技術(shù)作為新技術(shù)體現(xiàn)了綠色建筑注重全局優(yōu)化、全壽命周期最大限度利用被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)與可再生能源的特性。

在施工階段，進(jìn)行了3D建模指導(dǎo)模板支護(hù)，為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)建施工提供了指導(dǎo)，以旋轉(zhuǎn)樓梯為例，旋轉(zhuǎn)樓梯是由同一圓心的兩條不同半徑的內(nèi)外側(cè)螺旋線組成的螺旋面分級(jí)而成，每一踏步都從圓心向外放射，雖然內(nèi)外側(cè)踏步寬度不同，但在每一放射面上的內(nèi)外側(cè)的標(biāo)高是相同的。螺旋樓梯施工放線較為復(fù)雜，必須先做好內(nèi)業(yè)工作，本工程利用BIM技術(shù)，導(dǎo)出梯梁的控制點(diǎn)ID坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了無梁敞開式折板清水混凝土旋轉(zhuǎn)樓梯的施工操作。保證施工順利進(jìn)行，實(shí)施過程無返工，節(jié)約了時(shí)間、減少了材料的浪費(fèi)，見圖6（上）。另外，4D進(jìn)度可視化模擬節(jié)約了人工成本，為沒有經(jīng)驗(yàn)及剛參加工作的管理人員更直觀的認(rèn)識(shí)工程實(shí)體，了解工程進(jìn)度，提高施工效率見圖6（下左）;在施工階段實(shí)施了工程算量，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)，實(shí)際施工中，通過BIM算量指導(dǎo)鋼筋、混凝土等的用量，偏差可控制在5%左右，符合低消耗的綠色施工理念，見圖6（下右）。

此階段BIM技術(shù)作為新技術(shù)體現(xiàn)了綠色建筑節(jié)能優(yōu)化、追求目標(biāo)均衡的特性。

在后續(xù)的運(yùn)維階段，BIM技術(shù)也將幫助管理人員做好建筑的信息管理以及故障影響分析，會(huì)在設(shè)施管理、維修保養(yǎng)方面發(fā)揮重要作用。

4 ?結(jié)語

通過對(duì)比傳統(tǒng)建筑施工和綠色節(jié)能建筑施工的異同點(diǎn)，梳理出綠色節(jié)能建筑施工特點(diǎn)及綠色管理專項(xiàng)的重點(diǎn)工作;然后將BIM技術(shù)引入到傳統(tǒng)施工中，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過在中國(guó)-丹麥科研教育中心綠色示范工程中的應(yīng)用，取得了很好的效果。在對(duì)傳統(tǒng)施工流程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)其他關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究，比如綠色節(jié)能建筑施工的管理模式，施工的進(jìn)度、費(fèi)用、信息、風(fēng)險(xiǎn)的協(xié)同管理，以及知識(shí)管理等，從而提高綠色節(jié)能建筑施工的管理水平，為綠色節(jié)能建筑施工做好示范先導(dǎo)作用，為后續(xù)項(xiàng)目提供借鑒。

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