BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

王帥

摘 要 BIM技術(shù)有助于建筑師們?cè)谶M(jìn)行建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，預(yù)先對(duì)建筑性能等進(jìn)行模擬研究，探索更好的綠色建筑設(shè)計(jì)，有效降低建設(shè)項(xiàng)目的建造運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色建筑設(shè)計(jì)。本文從綠色建筑設(shè)計(jì)的四個(gè)階段，具體分析了BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞BIM;綠色建筑;設(shè)計(jì)

1BIM技術(shù)對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)的支持

1.1 BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著

BIM的一大優(yōu)勢(shì)是可以自動(dòng)調(diào)整虛擬模型從而提高設(shè)計(jì)文檔的效率， BIM軟件還可以使用參數(shù)化方法定義對(duì)象，在BIM之前，建筑師有時(shí)必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求使用不規(guī)則曲線和曲面繪制建筑物的高度、高程和剖面，設(shè)計(jì)難度大、任務(wù)重。BIM技術(shù)的基本原理是將建筑物的一個(gè)組成部分與其屬性相關(guān)聯(lián)，然后根據(jù)該屬性用三維設(shè)計(jì)圖表示該建筑物。由于BIM的參數(shù)化和可視化功能，使建筑師們能夠通過(guò)簡(jiǎn)單輸入?yún)?shù)和定義程序的方法繪制曲線和曲面，還使業(yè)主，設(shè)計(jì)單位和建筑公司可以直觀地了解建筑，并促進(jìn)三者之間的有效溝通[1]。

1.2 BIM軟件體系完善

應(yīng)用軟件是實(shí)施BIM的工具，為了實(shí)現(xiàn)BIM的深入應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用軟件的研究是必不可少的。BIM體系中的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件可以分為兩類(lèi)：BIM核心建模軟件和BIM模型的協(xié)同設(shè)計(jì)軟件。

（1） BIM核心建模軟件。建筑設(shè)計(jì)階段使用的設(shè)計(jì)建模軟件主要用于創(chuàng)建建筑信息模型。建筑師，土木工程師，設(shè)備工程師和其他建筑相關(guān)設(shè)計(jì)師完成建筑信息模型創(chuàng)建的過(guò)程中涉及的軟件，包括建筑設(shè)計(jì)軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，多系統(tǒng)和其他相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。世界各地的許多主流設(shè)計(jì)軟件公司都在著力研究和開(kāi)發(fā)BIM設(shè)計(jì)建模軟件，其中主流使用的BIM建模軟件有Autodesk Revit ，Bentley Architecture，ArchiCAD等。

（2）基于BIM模型的協(xié)同設(shè)計(jì)軟件。在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足建筑師對(duì)創(chuàng)新性建筑設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)，為了保證建筑師、建造者和施工方之間有一個(gè)很好的溝通，基于BIM模型的協(xié)同設(shè)計(jì)軟件是必要的。其中主要有概念推敲軟件如SketchUp，F(xiàn)ormz，Rhinoceros等，模擬分析軟件如Ecotect，Green Building Studio，Adobe Audition，Transcad以及Dprofiler等。

2BIM在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框架

在基于BIM技術(shù)的綠色建筑設(shè)計(jì)中，主要是運(yùn)用BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于綠色建筑設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與難點(diǎn)，提出BIM技術(shù)的解決方法。綠色建筑的全生命周期主要包括四個(gè)部分：決策階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段，BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在，建筑項(xiàng)目BIM前期分析以及建筑設(shè)計(jì)階段的BIM模型的搭建和性能模擬分析等。

將綠色建筑項(xiàng)目流程與 BIM 技術(shù)的實(shí)施流程相結(jié)合，需要在項(xiàng)目的各個(gè)階段對(duì) BIM功能進(jìn)行分類(lèi)，主要功能包括 BIM 技術(shù)的項(xiàng)目前期分析功能、模型生成功能，虛擬現(xiàn)實(shí)功能等。綠色建筑設(shè)計(jì)周期又主要分為以下四個(gè)階段，首先是概念設(shè)計(jì)階段，其次是方案設(shè)計(jì)階段，然后是初步設(shè)計(jì)階段和最終的施工圖設(shè)計(jì)圖階段[2]。

3基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)分析

3.1 概念設(shè)計(jì)階段

在綠色建筑設(shè)計(jì)的前期，我們可以運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)建筑的氣候和環(huán)境進(jìn)行模擬分析，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，為創(chuàng)作良好的建筑設(shè)計(jì)方案打下基礎(chǔ)。通過(guò)BIM與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，建筑師可以將施工現(xiàn)場(chǎng)的地形和空間環(huán)境建模分析，達(dá)到土地保護(hù)和土地合理利用的目的，同時(shí)規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)、減少環(huán)境破壞，保護(hù)生態(tài)平衡。在概念設(shè)計(jì)階段BIM主要用于建設(shè)項(xiàng)目的場(chǎng)地建模、場(chǎng)地分析和道路布設(shè)這三個(gè)方面。

（1）場(chǎng)地建模。在Revit中包含一些簡(jiǎn)單的建模工具，可以導(dǎo)入現(xiàn)有的矢量地形、平整場(chǎng)地和進(jìn)行場(chǎng)地設(shè)計(jì)，如果需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行更為細(xì)致的分析，例如，精確的土方量計(jì)算和精確的道路坡度設(shè)計(jì)，Civil 3D 等 BIM 軟件則提供了更加有效、實(shí)用和專(zhuān)業(yè)化的工具。

有許多數(shù)據(jù)來(lái)源可用于構(gòu)建場(chǎng)地模型，常用的包括地圖矢量化，衛(wèi)星地圖和航空航天圖像測(cè)量等。由于基礎(chǔ)地理信息資源的普及，且可以免費(fèi)獲得，即使無(wú)法直接訪問(wèn)DEM模型，也可以使用BIM軟件（Revit，Civil 3D等）創(chuàng)建站點(diǎn)地形模型，即使地形和數(shù)字3D地形數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)非常大，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不可比擬的。

在利用Revit自帶工具進(jìn)行場(chǎng)地建模時(shí)，通過(guò)對(duì)CAD文件中基地標(biāo)高數(shù)字格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并把其導(dǎo)入Revit文件后，這些數(shù)字能夠快速生成三維模型，建筑設(shè)計(jì)師便能更直觀地看到場(chǎng)地的地形地貌。

（2）場(chǎng)地分析。建筑建設(shè)的場(chǎng)地大多數(shù)是不平整的，在建筑設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行模擬分析，盡量選擇較為平坦和采光良好的地段，合理分布建筑體量和規(guī)劃場(chǎng)地要素，為今后建筑的建設(shè)后使用創(chuàng)造便利的條件。常見(jiàn)的場(chǎng)地分析包括場(chǎng)地的高程分析、坡度分析和朝向分析等。

（3）道路布設(shè)。道路是連接場(chǎng)地建筑的橋梁，對(duì)于復(fù)雜的建筑物道路設(shè)計(jì)，需要考慮交通方便、斷面設(shè)置情況以及消防和疏散等因素。在BIM Power Civil軟件中，站點(diǎn)的道路設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)高度自動(dòng)生成路面，實(shí)現(xiàn)平面、縱向截面、橫截面模型的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而幫助設(shè)計(jì)師快速設(shè)計(jì)、分析和構(gòu)建模型。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)該模型探索各種選項(xiàng)和設(shè)計(jì)條件，并消除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的許多麻煩的繪圖任務(wù)，最后，比較分析出最有效的場(chǎng)地道路布設(shè)方案。

3.2 方案設(shè)計(jì)階段

在概念方案出來(lái)之后，BIM技術(shù)可以使方案得以更快更好地展示、溝通和決策，并得以成功轉(zhuǎn)化為能夠落地具有實(shí)施性的方案。其中BIM應(yīng)用主要集中在建筑形體分析、建筑性能模擬分析和可視化分析與表現(xiàn)三個(gè)方面。

（1）建筑形體分析。在建筑形體設(shè)計(jì)中，人們要求建筑物實(shí)用美觀，又要求建筑物具有精神象征，如北京奧林匹克體育中心——它就像一座鳥(niǎo)巢，是具有復(fù)雜標(biāo)志的建筑物。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)而言，需要同時(shí)考慮建筑的外形因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征這兩個(gè)方面的因素，在綠色建筑設(shè)計(jì)方面，還要考慮建筑形體產(chǎn)生的建筑的性能能耗情況等。BIM用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的體量模型可以洞察潛在的建筑性能，這些性能對(duì)綠色建筑設(shè)計(jì)有巨大作用。因此，需要建筑師使用BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行建筑體量建模以及其形體分析。

（2）建筑性能模擬分析。使用BIM技術(shù)模擬綠色建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的生態(tài)性能對(duì)于決定建筑物的使用功能和整個(gè)建筑物的布局很有用。模擬建筑的生態(tài)性能分析是實(shí)現(xiàn)綠色建筑階段節(jié)能設(shè)計(jì)的重要工具，其通過(guò)模擬工藝設(shè)計(jì)過(guò)程和反饋，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保綠色建筑目標(biāo)。在比較建筑方案時(shí)，為了選擇合理的設(shè)計(jì)角度，設(shè)計(jì)人員可以從場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境和能耗模擬兩個(gè)方面來(lái)選擇最佳的建筑設(shè)計(jì)方案。

（3）可視化分析與表現(xiàn)。BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，有一點(diǎn)是與以前的設(shè)計(jì)流程完全不同的，即設(shè)計(jì)與三維表現(xiàn)的同步性展示。它將設(shè)計(jì)圖與三維模型統(tǒng)一起來(lái)，使設(shè)計(jì)師可以從三維思考設(shè)計(jì)，并同時(shí)與平面設(shè)計(jì)和造型設(shè)計(jì)相互結(jié)合，一并進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，擺脫了以往流程中設(shè)計(jì)師將平面設(shè)計(jì)與造型設(shè)計(jì)相分離的可能。

BIM的三維可視化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)有：可以任意改變視點(diǎn)，視點(diǎn)可以是室內(nèi)或室外。建筑物的整體效果可以顯示為觀察點(diǎn)或鳥(niǎo)瞰圖;Revit 軟件有一個(gè)稱(chēng)為“設(shè)計(jì)選項(xiàng)”的功能，設(shè)計(jì)人員可以為不同部件設(shè)計(jì)多個(gè)場(chǎng)景，并可以隨時(shí)切換進(jìn)行比較，為設(shè)計(jì)和模型的修改帶來(lái)了極大的便利。

3.3 初步設(shè)計(jì)階段

在進(jìn)入綠色建筑初步設(shè)計(jì)階段后，建筑師一方面要考慮建筑空間為人類(lèi)活動(dòng)提供適當(dāng)?shù)氖褂眯阅?，盡可能消除影響使用功能的不利因素;另一方面則要考慮外景自然環(huán)境對(duì)建筑使用性能造成影響的因素，如風(fēng)、光、熱等。最后從各方面綜合考慮是自然能源最大化利用、常規(guī)能源最大化節(jié)約，并充分改善建筑的使用性能。BIM設(shè)計(jì)的核心價(jià)值正是體現(xiàn)在隨設(shè)計(jì)深化逐步展開(kāi)細(xì)節(jié)的使用性能模擬和優(yōu)化過(guò)程。

（1）風(fēng)環(huán)境模擬分析與優(yōu)化。通常使用Fluent，SAR-CCM +，Phoenics等軟件對(duì)建筑進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的模擬。根據(jù)場(chǎng)地現(xiàn)狀環(huán)境提取合理的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并施加在建筑模型上，然后將BIM模型導(dǎo)入到SAR-CCM +軟件中，在軟件中劃分模擬的區(qū)域并制定風(fēng)壓力，最后設(shè)計(jì) K-E湍流模型和相應(yīng)的收斂條件來(lái)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境的模擬，并根據(jù)風(fēng)環(huán)境模擬報(bào)告反映的信息，如氣流在建筑內(nèi)部流動(dòng)和運(yùn)行的趨勢(shì)，流量的大小、主導(dǎo)方向、分布和構(gòu)成等，為單體建筑自然通風(fēng)系統(tǒng)提供節(jié)能策略建議，不斷優(yōu)化建筑的功能布局、窗口位置和空調(diào)設(shè)置方案的合理性，保證達(dá)到綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境深度優(yōu)化的要求。

（2）熱模擬分析。初步設(shè)計(jì)階段的熱模擬分析主要運(yùn)用Ecotect、Fluent和清華日照分析等軟件，針對(duì)建筑在一定氣候中的溫度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等參數(shù)進(jìn)行建筑表面溫度分析、建筑表面日照輻射量分析和日照時(shí)間分析等，以此優(yōu)化總平面布置、建筑遮陽(yáng)和保溫設(shè)計(jì)方案，減少建筑的“熱島效應(yīng)”，改善區(qū)域熱環(huán)境，提高建筑室內(nèi)熱舒適度。

（3）光仿真分析。人在不同的使用功能的建筑中需要不同的光照條件，光環(huán)境不僅會(huì)直接影響到人們的工作生活質(zhì)量，某些不良的光環(huán)境如照度不足、光污染等情況還會(huì)嚴(yán)重危害到人們的身心健康，可見(jiàn)對(duì)建筑環(huán)境特別是綠色建筑環(huán)境進(jìn)行光仿真分析的重要性。在初步設(shè)計(jì)階段，光仿真分析一般分為建筑物的自然光和人工照明模擬分析以及可視度分析。

（4）聲仿真分析。為了保證建筑環(huán)境的安靜舒適，有必要對(duì)建筑進(jìn)行聲仿真分析，包括分析建筑的隔音、吸音和消音效果等。在初步設(shè)計(jì)階段，聲仿真分析主要考慮建筑表面的噪音分布，以及周?chē)h(huán)境對(duì)建筑環(huán)境的噪音影響等。仿真分析結(jié)果一般為室內(nèi)等聲線圖和聲壓分布圖，以此為科學(xué)合理設(shè)置建筑物的布局，建筑物間距的確定，隔音屏障的設(shè)置提供指導(dǎo)[3]。

3.4 施工圖設(shè)計(jì)階段

建筑施工圖設(shè)計(jì)階段的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是各專(zhuān)業(yè)人員基于BIM建筑模型進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)、建筑、設(shè)備、暖通等方面的協(xié)同設(shè)計(jì)，并把部分建筑材料供應(yīng)、施工技術(shù)和設(shè)備等工程施工的具體要求反應(yīng)在BIM及其相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種以數(shù)字化BIM為信息載體的方式，相較于傳統(tǒng)的圖紙傳遞信息方式，能夠使工程信息快速、準(zhǔn)確地得到查詢(xún)、更新、刪除和保存，提供工作效率，較少重復(fù)、無(wú)效工作的時(shí)間消耗?？傮w而言，在施工圖設(shè)計(jì)階段的綠色建筑BIM應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）管線綜合和碰撞檢查。在有限的建筑內(nèi)部空間中，隨著管道數(shù)量的不斷增加，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)很難準(zhǔn)確地表示三維空間效果，容易出現(xiàn)誤差并且造成不同構(gòu)件之間的碰撞，影響施工進(jìn)度，浪費(fèi)時(shí)間并影響工程造價(jià)。并且由于校正過(guò)程缺乏直觀和有效的方法，往往造成修改用時(shí)較長(zhǎng)，耽誤整個(gè)建筑設(shè)計(jì)總時(shí)間。BIM技術(shù)在進(jìn)行管道沖突檢查方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用BIM技術(shù)上的碰撞檢測(cè)功能，可以對(duì)建筑的管道進(jìn)行沖突檢查，發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題并及時(shí)解決。 碰撞檢測(cè)一般是在Autodesk Navisworks Manage軟件上進(jìn)行的。

（2）優(yōu)化施工方案。BIM技術(shù)的可視化特性保證了設(shè)計(jì)人員可以直接從BIM模型中提取建筑信息，并根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)的變化直接更改三維模型。如在集成管道布局中，可以使用視覺(jué)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)清楚地顯示管道的位置標(biāo)高，并且直觀地了解地板的高度分布，以及他們碰撞情況等，以此來(lái)科學(xué)合理地安排地板下的設(shè)備和管道，減少專(zhuān)業(yè)之間的沖突。BIM技術(shù)的應(yīng)用提高了建筑設(shè)計(jì)的正確性和精確度，完善和優(yōu)化施工方案，間接提高了施工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率，降低了后期施工協(xié)調(diào)可能造成的成本增加和工期延誤。

（3）設(shè)計(jì)成果交付。BIM模型包含了建筑的所有信息，是一種集成化的信息管理平臺(tái)。在BIM模型上可以得到建筑材料、構(gòu)件形狀、建筑總體尺寸等信息，并可以根據(jù)需求直接輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如三維效果圖、模擬分析圖等。總之，BIM 模型上的數(shù)據(jù)是對(duì)建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的匯總，運(yùn)用BIM可以全面統(tǒng)一的提交設(shè)計(jì)成果，避免了傳統(tǒng)二維制圖成果交付的低效煩瑣，使復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的說(shuō)明更加的清晰生動(dòng)和高效。

4結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)存在著一定的局限性，利用 BIM 技術(shù)解決綠色建筑設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題更有優(yōu)勢(shì)。BIM 技術(shù)給綠色建筑設(shè)計(jì)流程、方法以及思維等帶來(lái)了巨大改變，應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)可行且高效。

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