BIM 應(yīng)用價值視角下綠色建筑環(huán)境性能評價方法研究

溫 全，李忠富，李州揚，張 鐸

（1. 大連理工大學(xué) 建設(shè)管理系，遼寧 大連 116024，E-mail：wenquan@mail.dlut.edu.cn 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 工商管理學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000）

面臨能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，走綠色可持續(xù)發(fā)展之路已成為各國家關(guān)注的焦點。在此背景下，綠色建筑也逐漸成為了 21世紀(jì)全球建筑可持續(xù)發(fā)展的新趨勢。BIM作為一種多維模型信息集成技術(shù)，是對建筑工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，是建筑業(yè)信息化的重要支撐。將BIM應(yīng)用于綠色建筑之中，可有效實現(xiàn)建筑工程全壽命期的信息管理和共享利用，其中BIM應(yīng)用的重要作用之一，支持對建筑工程環(huán)境性能、能源能耗等方面的分析、檢查和模擬，可為建筑項目全過程的方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)，使得綠色建筑更加綠色環(huán)保。

國內(nèi)外學(xué)者針對BIM在建筑環(huán)境性能、能源能耗分析等方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的討論。Mark Kyeredey等[1]通過研究發(fā)現(xiàn)，BIM在綠色建筑中的應(yīng)用關(guān)注焦點主要集中于建筑能源模型、碳排放分析和評估、室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量、光污染等方面。Hao Gao等[2]研究了BIM與建筑能量模型之間的數(shù)據(jù)傳遞方式，提出了基于BIM的建筑能源模型（BEM）評估方法，用以開發(fā)節(jié)能建筑設(shè)計。Farzad等[3]提出了一個將BIM、LCA、能源分析和照明模擬工具與綠色建筑認(rèn)證系統(tǒng)相結(jié)合的自動化模型，在BIM工具上開發(fā)插件，測量環(huán)境影響和建筑構(gòu)件的物化能量。李延釗等[4]使用基于BIM的綠色建筑設(shè)計方法，提前對建筑的太陽照射、自然光、自然通風(fēng)及噪聲等的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行仿真和分析。楊文領(lǐng)[5]結(jié)合實際項目對現(xiàn)有綠色建筑能耗現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并運用 BIM 對項目管理進(jìn)行優(yōu)化。章帥等[6]在對應(yīng)用BIM進(jìn)行綠色建筑環(huán)境性能評價的研究中，運用文獻(xiàn)閱讀法對綠色建筑環(huán)境性能評價指標(biāo)進(jìn)行篩選和整合，確立了綠色建筑環(huán)境性能評價核心指標(biāo)體系，同時利用BIM相關(guān)軟件對建筑的環(huán)境性能指標(biāo)進(jìn)行客觀評分。李俊清[7]分析了綠色建筑和BIM的發(fā)展契合點，并在此基礎(chǔ)上深入探討了如何有效利用BIM助推綠色建筑的發(fā)展。

本文借鑒已有研究，從 BIM 應(yīng)用價值視角出發(fā)，將BIM引入綠色建筑環(huán)境性能評價之中，結(jié)合綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)構(gòu)建以資源消耗、能源利用等為核心的綠色建筑環(huán)境性能評價體系，利用BIM模型提取相關(guān)數(shù)據(jù)用于量化指標(biāo)分析，同時由于綠色建筑性能評價問題屬于難以量化的模糊問題，本文從測度理論解決多準(zhǔn)則、多方案或多決策時思路出發(fā)，采用模糊層次分析法進(jìn)行評價。并基于綠色建筑實際案例，驗證該評價方法的可行性與實用性，為探索綠色建筑環(huán)境性能評價新方法，不斷完善綠色建筑環(huán)境性能評價體系提供科學(xué)參考。

1 綠色建筑環(huán)境性能評價指標(biāo)體系構(gòu)建

借鑒已有綠色建筑環(huán)境性能評價指標(biāo)體系，通過文獻(xiàn)分析，整理出9個相對比較完善和業(yè)界廣泛認(rèn)可的綠色建筑評價體系。其中包括綠色建筑評分體系（即LEED）、BREEAM評估體系、CASBEE綜合評價體系、SBTool以及DGNB認(rèn)證體系5個國際評估體系。生態(tài)住宅評估手冊、GOBAS評估體系、臺灣EEWH標(biāo)章以及HKBEAM 4個國內(nèi)的評價體系[8-15]。研究發(fā)現(xiàn)，各國的綠色建筑評價體系由于制定的背景和出發(fā)點不同所考慮的相關(guān)指標(biāo)也不盡相同。因此在各個體系中都包含著各自的特征，不能被直接使用，但可以提供一定借鑒。此外，基于BIM視角的評價體系構(gòu)建應(yīng)該充分考慮建筑設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，包括構(gòu)件、產(chǎn)品、性能等多方面建筑模型的信息，從信息層面上講更容易被獲取和處理的信息應(yīng)該被優(yōu)先考慮。

同時，在后續(xù)的評價過程中，需考慮現(xiàn)有評價標(biāo)準(zhǔn)框架。通過整理和歸納，綠色建筑環(huán)境性能評價指標(biāo)由幾個相互關(guān)聯(lián)和相互作用的要素組成，這些要素由于其特征決定了該指標(biāo)體系具有一定的層次性，因此將綠色建筑環(huán)境性能評價指標(biāo)體系分為資源消耗、能源利用、生態(tài)環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境4個部分，如表1所示。

表1 綠色建筑環(huán)境性能評價體系

（1）資源消耗指標(biāo)。建筑資源消耗與其周圍環(huán)境息息相關(guān)：醫(yī)院、超市、學(xué)校等公共配套設(shè)施可以為使用者帶來便利；冬天的采暖及夏天的空調(diào)可以減少氣候環(huán)境給人體帶來的不適。相比于傳統(tǒng)建造方式下建筑建造及運營階段資源的巨大消耗，綠色建筑在設(shè)計階段就將生態(tài)節(jié)能理念融入其中，將建筑材料循環(huán)使用，充分利用地下空間，因此其在建造及使用階段資源的消耗量都會小于傳統(tǒng)建筑。

（2）能源利用指標(biāo)。與傳統(tǒng)建筑相比，綠色建筑的優(yōu)勢就是在保證人們正常生活的前提下最大限度地減少不可再生能源利用，以減少對環(huán)境的破壞。例如可以通過特殊設(shè)備將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；收集雨水進(jìn)行處理來代替部分自來水使用；另外，綠色建筑在設(shè)計時還會考慮盡可能利用自然光照來滿足室內(nèi)采光需求。

（3）生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。良好的生態(tài)環(huán)境可以帶給使用者愉悅的心情。因此生態(tài)環(huán)境分析應(yīng)貫穿綠色建筑的全壽命期，建造階段對周圍生態(tài)環(huán)境的影響，建造時的綠色植被覆蓋率，以及建造和使用階段的垃圾分類收集處理都是在綠色建筑的全壽命期中需要注意的。

（4）室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)。綠色建筑在全壽命期內(nèi)可減少對資源的消耗，設(shè)計時還需要在室內(nèi)環(huán)境上帶給使用者最大的舒適。因此，室內(nèi)聲環(huán)境、自然采光以及熱環(huán)境都是必不可少的考察指標(biāo)。

2 綠色建筑環(huán)境性能評價模型構(gòu)建

2.1 Yaahp計算權(quán)重

Yaahp是計算層次分析法的輔助軟件。其基于層次分析法原理，按照構(gòu)造判斷矩陣、計算各指標(biāo)權(quán)重和一致性檢驗步驟，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基礎(chǔ)上，快速得出各指標(biāo)權(quán)重。

2.2 綜合評判

模糊集合[16]（Fuzzy-sets）的概念由美國自動控制專家查德教授提出，用來描述事物的不確定性。其中心思想是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性轉(zhuǎn)化為定量，可以很好地解決難以量化的問題，具有明確的結(jié)果和強(qiáng)大系統(tǒng)化特征。具體評價步驟如下：

（1）構(gòu)建綠色建筑環(huán)境評價評語集。建立評估對象的評語集V={v1，v2，…，vn}={深綠，綠，淺綠，合格，不合格}，即評估等級，每個評估等級分別對應(yīng)一個模糊子集。對評語集的每個評估等級進(jìn)行賦分，賦值后的評價結(jié)果K={優(yōu)，良，中，合格，不合格}={90，80，70，60，0}。確定評估因素集U={u1，u2，…，un}，其中ui(1，2，…，n)ui表示評估對象的第i個影響因素。

（2）構(gòu)建隸屬度矩陣R。若第i個因素的單因素評判集合ri={ri1，ri2，…，rim}，其中rij表示第i個因素對第j個評語的隸屬度。對U中所有因素進(jìn)行逐一評估，就構(gòu)成了U×V的隸屬度矩陣R：

（3）構(gòu)建模糊綜合評估模型。模糊綜合評判最后將AHP法得到的權(quán)重集W與模糊評判矩R構(gòu)建模糊綜合評估模型：

式中，bi為模糊綜合評估指標(biāo)，歸一化處理后可得標(biāo)準(zhǔn)評估結(jié)果B。最后，可計算綜合評估值各指標(biāo)在進(jìn)行綜合評價時，專家僅對不可量化或者難以得到確切數(shù)據(jù)的指標(biāo)進(jìn)行打分。指標(biāo)評級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 各指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

3 實例分析

3.1 項目概況

中德節(jié)能示范中心位于沈陽建筑大學(xué)校園內(nèi)東南側(cè)，東靠學(xué)校體育場，西臨八王書院，北有校園稻田景觀，南向為自然空地。中心共3層，地上2層、地下1層，總建筑面積 1600.7 m2，地下層面積為560m2。中心以實現(xiàn)節(jié)能減排及使用空間高舒適性為目標(biāo)，通過主被動式節(jié)能設(shè)計相結(jié)合及相應(yīng)節(jié)能產(chǎn)品的集成運用加以實現(xiàn)。在進(jìn)行性能分析時由于該中心在Revit中的模型較為復(fù)雜，模型轉(zhuǎn)換需要的時間較長，因此本文選擇在Ecotect Analysis中直接建模（見圖 1），以此為基礎(chǔ)對其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析。

圖1 項目3D網(wǎng)格界面模型

3.2 指標(biāo)來源判斷

在開始評價之前需先對表2中的各項評價指標(biāo)進(jìn)行判斷，確定各個指標(biāo)的信息來源。

指標(biāo)來源可分為三類：一是根據(jù)工程自然概況進(jìn)行判別（信息來源于項目圖紙和相關(guān)記載文件[18]）；二是根據(jù)在Ecotect中構(gòu)建的BIM模型進(jìn)行信息提?。ㄖ苯犹崛』虬凑展接嬎惬@得）；三是無法進(jìn)行定量獲取的信息，本文選擇通過專家打分的形式進(jìn)行判斷。具體判斷如下：

第一類包括公共配套設(shè)施、節(jié)地與地下空間利用率、綠植覆蓋率、采暖與空調(diào)能耗、太陽能利用率；第二類包括可循環(huán)材料比重、室內(nèi)聲環(huán)境、室內(nèi)自然采光、室內(nèi)熱環(huán)境、雨水利用率、自然資源直接利用；第三類包括垃圾分類處理、建造階段對環(huán)境影響。

3.3 信息提取

根據(jù)第二類指標(biāo)內(nèi)容，通過Ecotect既有模塊，選擇可以從 Ecotect中提取信息的評判指標(biāo)直接用于隸屬度判別。

3.3.1 日照時間分析

日照時間是指建筑物被太陽光直接照射的時間。我國規(guī)定建筑最底層窗戶在大寒日日照時間不低于一小時，以此為標(biāo)準(zhǔn)對中德節(jié)能示范中心進(jìn)行分析。軟件建模后選擇地區(qū)為沈陽，對大寒日日照軌跡實時計算，計算結(jié)果如圖2所示，11:30~16:00均無建筑物遮擋，可見日照時間符合要求。

圖2 軟件模擬建筑遮擋情況

3.3.2 室內(nèi)聲環(huán)境

建筑室內(nèi)聲環(huán)境的影響因素有很多，包括建筑選址、周圍環(huán)境、房間布局、建筑材料等多個因素。以建筑室內(nèi)混響時間為判別依據(jù)，分析計算前設(shè)置各材料吸聲系數(shù)，進(jìn)行Statistical Reverberation計算（見圖3）?；疑珜拵Т硌葜v音樂最佳混響時間，以賽賓公式計算混響時間為0.59s。

圖3 Ecotect混響時間分析

3.3.3 室內(nèi)自然采光

室內(nèi)自然采光是衡量建筑舒適度以及現(xiàn)有方案設(shè)計合理性的一個重要考察指標(biāo)。為考察中德節(jié)能示范中心居住舒適度，利用 Ecotect的光環(huán)境分析模塊進(jìn)行建筑室內(nèi)自然采光分析（見圖 4）。依照遼寧省沈陽市地理位置參數(shù)：經(jīng)度123.8度，緯度41.5度，采光按照最不利條件設(shè)置，大寒日全陰天模式；根據(jù)模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)自然采光系數(shù)滿足國家規(guī)范的面積比例累計為99.75%。

圖4 建筑室內(nèi)自然采光分析

3.3.4 室內(nèi)熱環(huán)境

建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度是建筑設(shè)計時需要考慮的重要元素之一，任何建筑在壽命周期內(nèi)，其室內(nèi)溫度、濕度、氣流速度以及平均輻射溫度都應(yīng)該在規(guī)定范圍內(nèi)。利用 Ecotect的熱工分析功能進(jìn)行Thermal Analysis的計算，并統(tǒng)計所有房間在最舒適18℃~26℃的百分比，縱軸為百分比，橫軸為時間，畫出折線圖（見圖 5），計算得出平均舒適溫度百分比為35.2%。

圖5 建筑各房間舒適溫度百分比

3.3.5 可循環(huán)材料使用

綠色建筑是建筑業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的形式之一。可循環(huán)建筑材料的使用是綠色建筑發(fā)展、節(jié)約資源的核心體現(xiàn)。中德節(jié)能示范中心使用了大量可循環(huán)材料，部分地方采用鋼結(jié)構(gòu)，是綠色建筑的良好示范基地。對中德節(jié)能示范中心的材料使用情況進(jìn)行統(tǒng)計（見表 3），經(jīng)計算可循環(huán)材料的使用占總比重的17.48%。

表3 項目可循環(huán)材料使用計算書

3.4 項目環(huán)境性能評價等級確定

3.4.1 基于專家評語集的判斷矩陣

通過對中德節(jié)能示范中心相關(guān)資料進(jìn)行分析，邀請專業(yè)人士和不同層次的專家對指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行打分，并利用Yaahp v10.5軟件進(jìn)行計算，結(jié)果如表4~表8所示。

表4 綠色建筑環(huán)境性能評價體系判斷矩陣

表5 資源消耗判斷矩陣

表6 能源利用判斷矩陣

表7 生態(tài)環(huán)境判斷矩陣

表8 室內(nèi)環(huán)境判斷矩陣

3.4.2 隸屬度矩陣構(gòu)建

根據(jù)表2給出的標(biāo)準(zhǔn)所示，可以根據(jù)模型提取并用于量化指標(biāo)評價分析值的內(nèi)容如表9所示。

表9 矩陣數(shù)值來源表

然后邀請 10位專家對不能量化的指標(biāo)進(jìn)行打分，綜合上述分析結(jié)果，得出模糊關(guān)系矩陣如下：

3.4.3 模糊綜合評估

首先進(jìn)行單因素評估：

式中，B1，B2，B3，B4分別表示4個一級指標(biāo)的模糊評估矩陣；R表示整個綠色建筑環(huán)境性能評價的模糊關(guān)系矩陣。然后進(jìn)行綜合評估：

通過上述計算分析得出該項目環(huán)境性能評價得分為80.1，介于深綠和綠之間，說明該綠色建筑總體環(huán)境性能良好，但尚有很大的提升空間。

4 結(jié)語

本文在借鑒我國現(xiàn)有相關(guān)綠色建筑環(huán)境性能評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立了相對完善的適宜我國北方地區(qū)的評價指標(biāo)體系對綠色建筑環(huán)境性能進(jìn)行評價分析，并以沈陽建筑大學(xué)中德節(jié)能示范中心為例進(jìn)行結(jié)果檢驗。結(jié)果表明，中德節(jié)能示范中心的綠色等級介于深綠和綠之間，總體而言說明環(huán)境性能良好，與現(xiàn)實中行業(yè)的基本認(rèn)知一致，驗證了本評價方法的可行性。當(dāng)然，該方法仍需要在以后的實踐中不斷修正，需要更多的項目案例進(jìn)行測試。同時，雖然引入BIM技術(shù)使得大部分指標(biāo)可以直接進(jìn)行量化評價，但仍有部分指標(biāo)帶有主觀性，因此在以后的研究中可以嘗試引入更多可量化因素進(jìn)行評價，使結(jié)果更客觀準(zhǔn)確。同時，還可將BIM技術(shù)更廣泛地應(yīng)用到綠色建筑的全壽命周期中，積極探究綠色建筑中BIM技術(shù)應(yīng)用價值的定量化研究，促進(jìn)BIM技術(shù)與綠色建筑的深度融合，推進(jìn)綠色建筑的健康發(fā)展。