BIM技術(shù)在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

繆國(guó)棟 江蘇省如東中等專業(yè)學(xué)校高級(jí)工程師，教師

在全球各國(guó)對(duì)綠色建筑關(guān)注度日益提升的背景下，普通公共建筑能耗大、保溫性能差、光污染、通風(fēng)不良等問(wèn)題日益凸顯，因此，必須對(duì)公共建筑進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)。而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是一種可應(yīng)用于建筑全周期的成熟技術(shù)，可以打破各專業(yè)間信息交互壁壘，使數(shù)據(jù)在建筑工程設(shè)計(jì)不同階段準(zhǔn)確、高速流轉(zhuǎn)，助力綠色公共建筑概念設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)順利進(jìn)行。

1 BIM技術(shù)在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 快速繪制三維模型

雖然二維計(jì)算機(jī)繪圖較之手工繪圖在設(shè)計(jì)質(zhì)量、速度方面均出現(xiàn)了較大的提升，但是仍然存在圖紙繁多、錯(cuò)誤率高、協(xié)作溝通難度大等情況。加之由于建筑是由人設(shè)計(jì)、規(guī)劃的，人為錯(cuò)誤在所難免。而利用BIM技術(shù)，可以基于3D平臺(tái)進(jìn)行三維立體模型的快速繪制。并根據(jù)需要進(jìn)行三維模型剖切實(shí)現(xiàn)平面圖的快速、準(zhǔn)確切割[1]。以Revit平臺(tái)為例，其專門面向建筑，可以設(shè)計(jì)人員期望的形式運(yùn)作。較之計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）制圖、建模方式而言，通過(guò)嫻熟掌握并應(yīng)用Revit Architecture這樣的軟件解決方案，模型制作速度更快、準(zhǔn)確率更高。

1.2 重整低效工作流

工作流涵蓋了設(shè)計(jì)工作在單位完成進(jìn)程、進(jìn)程完成速度兩方面內(nèi)容，BIM技術(shù)是對(duì)工作流產(chǎn)生直接影響的技術(shù)。通過(guò)在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可以中斷并重整效率低下的工作流，改善高效的工作流。利如，利用Revit技術(shù)，可以改善建筑設(shè)計(jì)流程，提升生產(chǎn)力50%以上。

1.3 多專業(yè)協(xié)作

在以往的綠色公共建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，各專業(yè)間溝通壁壘較大且極易出現(xiàn)沖突。通過(guò)將BIM技術(shù)引入綠色公共建筑設(shè)計(jì)中，可以以同一個(gè)模型為基礎(chǔ)，組織各專業(yè)協(xié)作設(shè)計(jì)。通過(guò)多專業(yè)系統(tǒng)方案之間的空間協(xié)調(diào)運(yùn)作，可減少傳統(tǒng)繪圖與協(xié)調(diào)方法中的重復(fù)勞動(dòng)，有效縮短綠色公共建筑設(shè)計(jì)耗時(shí)，保證設(shè)計(jì)時(shí)效，并使設(shè)計(jì)師更加專注高價(jià)值設(shè)計(jì)，為建設(shè)方提供最大價(jià)值。

2 BIM技術(shù)在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法

2.1 軟件選擇

軟件選擇是綠色公共建筑特定設(shè)計(jì)任務(wù)完成的關(guān)鍵，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)綠色公共建筑設(shè)計(jì)需要，恰當(dāng)選擇軟件。一般綠色公共建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用的BIM軟件需要滿足不同軟件之間的信息交換、構(gòu)建多專業(yè)模型（電氣、建筑、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等）、輸入?yún)?shù)、輸出多格式數(shù)據(jù)（TXT、RVA、IFC等）的需要，設(shè)計(jì)人員可以選擇Revit或者魯班系列軟件、廣聯(lián)達(dá)系產(chǎn)品。其中，Autodesk軟件公司開(kāi)發(fā)的Revit產(chǎn)品在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為普遍，其是一個(gè)集成機(jī)械、架構(gòu)、電氣工程、結(jié)構(gòu)的工具，可以自動(dòng)生成數(shù)量、圖形、表格的賬單，滿足綠色公共建筑設(shè)計(jì)要求[2]。

2.2 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是面向整個(gè)綠色公共建筑開(kāi)展架構(gòu)思索的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)可獲得多樣化設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)設(shè)計(jì)構(gòu)架確定提供依據(jù)。概念設(shè)計(jì)大體決定了整個(gè)綠色公共建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)備、空間功能分配、施工工法以及體量、位置、外觀。相較于以往完全依賴于建筑師知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式而言，基于BIM的綠色建筑概念設(shè)計(jì)可以利用軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，自動(dòng)對(duì)比需求、制圖標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行施工圖、詳圖的繪制。同時(shí)，利用BIM多專業(yè)協(xié)作優(yōu)勢(shì)，將設(shè)備工程師、外結(jié)構(gòu)工程師、運(yùn)營(yíng)方、施工方均納入一個(gè)體系，面向綠色公共建筑整個(gè)過(guò)程，圍繞一個(gè)共同的目標(biāo)————綠色設(shè)計(jì)，共同商討，分解任務(wù)。例如，針對(duì)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)要求的綠色公共建筑不應(yīng)對(duì)周邊建筑形成光污染等要求，可以制定具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)而以BIM三維模型為基礎(chǔ)，從不同專業(yè)視角出發(fā)詳盡描述建筑信息。最后，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)三維模型接口，將各專業(yè)描述信息導(dǎo)出節(jié)能分析軟件可識(shí)別的格式，盡快獲得分析結(jié)果，為后續(xù)材料熱阻值改進(jìn)、設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。通過(guò)幾輪專業(yè)信息反饋，可以獲得完備的概念方案。

2.3 深化設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)方案獲得之后，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合綠色評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)方案的深化設(shè)計(jì)，即利用跨專業(yè)整合的方式，分配特定屬性、關(guān)系，并編制包含抽象建筑幾何形狀在內(nèi)的分析數(shù)據(jù)模型。對(duì)照設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)行BIM分析模型的提取，進(jìn)而利用BIM參數(shù)化信息轉(zhuǎn)換功能，滿足照明模擬與結(jié)構(gòu)分析、能耗分析、聲學(xué)分析等綠色公共建筑設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入需要，最終獲得涵蓋豐富建筑信息的三維模型[3]。以裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的綠色公共建筑設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員可以首先利用Allplan Precast等軟件對(duì)單個(gè)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行建模，隨后在建筑平面圖內(nèi)拼裝構(gòu)件，進(jìn)而以“屬性”選項(xiàng)工程參數(shù)設(shè)定的形式，直接在模型上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)拆分，進(jìn)行構(gòu)件配筋、水電預(yù)留預(yù)埋、吊點(diǎn)等內(nèi)容的深化設(shè)計(jì)。

2.4 施工圖設(shè)計(jì)

施工圖特指指導(dǎo)施工的設(shè)計(jì)圖紙，與施工效率緊密相關(guān)。利用BIM技術(shù)自帶的施工圖繪制功能，可以直接將視圖界面點(diǎn)至所需平面圖的相關(guān)樓層，獲得對(duì)應(yīng)樓層的平面圖?；蛘咴谌S視圖下，進(jìn)行樓梯的剖切，獲得樓梯位置的詳細(xì)圖紙。整個(gè)過(guò)程不僅可以實(shí)現(xiàn)施工圖紙的快速、準(zhǔn)確繪制，而且可以清晰展示復(fù)雜結(jié)構(gòu)，便于綠色建筑施工作業(yè)順利。

3 BIM技術(shù)在綠色公共建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

C建筑為中學(xué)教學(xué)樓，為地上5層結(jié)構(gòu)+地下1層自行車停放處。局部區(qū)域?yàn)榈厣?層，地上建筑面積31456 m2，總建筑面積為32151 m2。該建筑擬采用BIM技術(shù)，圍繞綠色設(shè)計(jì)方針多專業(yè)協(xié)作，從新能源使用視角入手完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。而業(yè)主對(duì)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求為達(dá)成《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378——2014）中的2星級(jí)要求，即在節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與資源利用、節(jié)材與資源利用、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等方面評(píng)分中總得分達(dá)到60分[4]。例如，場(chǎng)地內(nèi)土壤中氡濃度小于2萬(wàn)Bq/m3等。

3.2 設(shè)計(jì)方案

在節(jié)地與室外環(huán)境方面，通過(guò)BIM自帶資源庫(kù)，C建筑選用了5 mm屋頂保護(hù)層+5 mm防水卷材+20mm水泥砂漿黏結(jié)層等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

在節(jié)水與資源利用方面，通過(guò)基于BIM的多專業(yè)協(xié)同，C建筑選用了供水壓力為0.30 MPa的城市自來(lái)水，并利用2根給水管配合2路供水，構(gòu)建了環(huán)狀供水管網(wǎng)，前4層由市政直接供給，四五層則選擇加壓給水。同時(shí)，整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了地埋式酸堿中和池及雨水收集裝置，可以收集較為潔凈的雨水用于景觀灌溉，減少了直接排放污水對(duì)環(huán)境造成的危害。

在節(jié)材與資源利用方面，通過(guò)基于BIM的三維模型構(gòu)建，C建筑選擇了國(guó)家大力推廣的高強(qiáng)度、可循環(huán)、高耐久的建筑材料，可避免建筑物有害物質(zhì)對(duì)使用者、運(yùn)行結(jié)構(gòu)的危害。例如，預(yù)拌砂漿、混凝土，減少了粉塵、噪聲污染。

3.3 BIM模擬分析

在室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量方面，需要綜合考慮日照、通風(fēng)、能耗等多種因素，進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計(jì)。首先，結(jié)合《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于建筑日照的規(guī)定，將Revit軟件中的RVT格式模型導(dǎo)出為DXF格式，進(jìn)而導(dǎo)入Ecotect中，形成ECO格式的日照分析模型。具體分析時(shí)，可以選擇大寒日08:00——16:00建筑遮擋日照最不利一處窗戶為目標(biāo)，分析當(dāng)日太陽(yáng)照射項(xiàng)目形成的陰影，滿足住宅建筑日照規(guī)定的方案，進(jìn)而經(jīng)軟件分析數(shù)據(jù)匯總，以日照分析圖+計(jì)算闡述文件的形式，為綠色公共建筑環(huán)境質(zhì)量設(shè)計(jì)提供支持。

其次，鑒于高大建筑物會(huì)通過(guò)改變區(qū)域近地面層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)而影響環(huán)境舒適性，甚至威脅公共建筑內(nèi)外安全性。因此，設(shè)計(jì)階段可以結(jié)合《綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于建筑周邊人行區(qū)風(fēng)速低于5 m/s的要求，在概念設(shè)計(jì)時(shí)貫徹避開(kāi)冬季主導(dǎo)風(fēng)向、便于夏季自然通風(fēng)的方針。即在Airpak軟件的支持下，利用基于BIM的CFD模擬方法，以周圍空氣齡、建筑表面風(fēng)壓、周圍風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速為指標(biāo)，建立C建筑室外風(fēng)環(huán)境的模擬模型，分析C建筑周邊風(fēng)場(chǎng)分布、室外風(fēng)環(huán)境對(duì)室內(nèi)不同季節(jié)防風(fēng)干擾[5]。模型中可設(shè)定夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟蠔|南，冬季、過(guò)渡季節(jié)主導(dǎo)風(fēng)向均為西南，基準(zhǔn)高度風(fēng)速分別為1.90、2.10、2.40 m/s。通過(guò)風(fēng)速矢量計(jì)算，判定風(fēng)速是否滿足要求。若因過(guò)渡季節(jié)、夏季前后壓差在1.50 Pa以下導(dǎo)致風(fēng)速與要求不符，則可以選擇引導(dǎo)通風(fēng)措施。例如，在C建筑西北側(cè)橫排栽植本地大冠幅喬木等。引導(dǎo)通風(fēng)措施實(shí)施之后，可以再次對(duì)各季節(jié)前后壓差進(jìn)行分析，確定自然通風(fēng)增強(qiáng)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然當(dāng)前建筑業(yè)特別是綠色公共建筑的設(shè)計(jì)面臨諸多難題，但是由于以BIM技術(shù)為代表的新工藝的不斷發(fā)展，使綠色公共建筑設(shè)計(jì)存在更大的發(fā)展機(jī)遇。因此，在綠色公共建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)人員可以恰當(dāng)利用BIM技術(shù)，面向綠色公共建筑概念設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)，最大限度地尋找節(jié)約材料、節(jié)約能源、節(jié)約水源、節(jié)約土地的方法，滿足綠色公共建筑與自然和諧共生的需求。