節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺構建與流程方案

洪田芬，王 儉

（浙江東南建筑設計有限公司，浙江 杭州310012）

目前，在建筑設計中較為前沿且已開展較大范圍應用的智慧化處理技術包括環(huán)境模擬技術、參數(shù)化設計技術與BIM技術等，相關的軟件功能和插件開發(fā)基本實現(xiàn)對綠色建筑和節(jié)能社區(qū)設計、建設、測評的智慧化支持，但均以點式應用為主，三者之間的應用鏈接較為缺乏，尚未構建一體化的智能評估平臺。本文研究的重點是如何在取三類軟件之長的基礎上構建軟件掛接的智慧評估平臺，形成高技術、全控制、快修正、易測評、可推廣的綠色建筑與節(jié)能社區(qū)建設智慧化設計流程鏈。

1 節(jié)能社區(qū)設計相關智慧化處理技術選擇

1.1 環(huán)境模擬技術

環(huán)境模擬技術已廣泛應用于綠色建筑的測評中，國際上主流的熱環(huán)境模擬軟件包括Rayman1.2，ENVI-met3.1和SOLWEIG 2.2等，但這些應用廣泛的軟件主要用作方案完成后測評，在對方案前期指導和中間修改階段的應用中存在問題：一是運算速度和精確性難以兼得；二是難以即時展現(xiàn)方案調整的影響。設計師在方案初步成型后再為了滿足綠建評估標準而與專業(yè)建筑節(jié)能評估公司合作，評估公司應用軟件測評來出具節(jié)能評估報告；而在節(jié)能的設計階段，設計師大多只能應用較為原始的公式測算方式，設計效率不高。因此，本次智慧評估平臺構建選擇由香港大學黃健翔教授等自主開發(fā)的利用反向光線追蹤原理來測算城適微氣候和行人熱舒適度的新模型——“城適”（“Citycomfort+”）［1］。該工具可在參數(shù)化設計平臺“犀?！保≧hino）加載，實現(xiàn)節(jié)能評估和方案修改的即時鏈接。

1.2 參數(shù)化設計

參數(shù)化設計即通過控制個別參數(shù)來自動調整建筑的整體模型，可根據(jù)建筑師對建筑的空間定義，以參數(shù)修改快速提供量化、直觀的設計成果。“犀?！保≧hino）與Grasshopper等參數(shù)化設計軟件已在建筑設計界廣泛運用，尤其是應用在高復雜建筑設計中。國外的研究者結合開發(fā)了一系列犀牛環(huán)境設計模擬插件，如“蜜蜂”（honeybee）、“瓢蟲”（Ladybug）等，其應用效果在不同案例中已深化實踐測評，并可直接鏈接到國際各大氣候數(shù)據(jù)平臺。

1.3 BIM技術

BIM的全稱是建筑信息模型（Building Information Modeling），BIM設計軟件有Revit、Solidwork、Archi CAD、Micro Station、Vectorwork等，其中Revit是我國建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。BIM技術在工程領域的應用已經(jīng)十分成熟，但在設計方案階段仍是實踐不足：一是BIM針對綠色建筑這一特殊建筑類型缺乏較為精確和可靠的應用方案；二是其應用范圍以建筑本體為主，對節(jié)能社區(qū)整體建設流程控制尚有不足［2］；三是評價、監(jiān)控、展示等功能相對成熟，而與之相匹配的方案設計、優(yōu)化與修正技術需進一步在應用中得以深化。

2 節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺構建的技術方案

2.1 設定智慧評估平臺的流程技術環(huán)節(jié)

從社區(qū)設計的全過程“規(guī)劃—設計—施工”與設計的三個空間層級“社區(qū)庭院—建筑單體—住宅室內”出發(fā)，確定社區(qū)規(guī)劃設計、建筑設計初步、施工圖與室內設計三個階段流程，確定在每一個階段均嵌入相應的節(jié)能評估環(huán)節(jié)的技術標準，確保實現(xiàn)全流程、全空間的節(jié)能設計。見圖1。

2.2 智慧化節(jié)能評估技術的單流程嵌入

根據(jù)每個階段流程所需的工作精度，嵌入相匹配且效率、準確性都較高的參數(shù)化節(jié)能評估技術：在社區(qū)規(guī)劃設計環(huán)節(jié)應用環(huán)境模擬技術插件Citycomfort+；在建筑設計初步環(huán)節(jié)應用Ladybug；在施工圖與室內設計環(huán)節(jié)應用Honeybee，并依托Honeybee鏈接到國際綠色建筑評估標準平臺gbXML，以確保該建筑工程滿足國際對節(jié)能社區(qū)和綠色建筑的要求。三個環(huán)境模擬技術插件的鏈接能夠實現(xiàn)節(jié)能設計和評估的一體化，即可以在設計過程中即時改進，大大改善了國內普遍采用的設計與評估相分離的節(jié)能設計模式可能造成的流程拖沓、低效返工現(xiàn)象。

2.3 智慧化節(jié)能評估技術的多環(huán)節(jié)嫁接

智慧化節(jié)能評估技術的嫁接包含普通建筑建模軟件與參數(shù)化軟件的嫁接、不同參數(shù)化節(jié)能評估插件之間的嫁接及參數(shù)化軟件與BIM軟件的嫁接。目前建模軟件SU、參數(shù)化軟件犀牛及BIM軟件Revit之間已經(jīng)可以實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的交互轉換，關鍵在于合理的流程運用，以同時保證效率和精確性：在建筑普通建模環(huán)節(jié)應用最便捷通用的SU，導入犀牛模型利用插件進入環(huán)境模擬分析階段，完成定型之后導入BIM以指導后續(xù)工程實施。

2.4 智慧化節(jié)能評估技術的全周期應用

以BIM技術覆蓋設計全過程及指導。在建筑模型階段，在Rhino精細建模導入完善族庫的基礎上，形成建筑常用族、結構通用族、機電等相關專業(yè)通用族三大類內部專用族庫方便后期調取，提升設計工作效率。推動異形構件砌筑的設計、“BIM+VR”的展示等重要環(huán)節(jié)優(yōu)化，加強后期三維模型展示瀏覽功能，更好地指導、控制工程實施。

3 節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺應用的流程方案

在節(jié)能社區(qū)設計的社區(qū)規(guī)劃設計、建筑設計初步、施工圖與室內設計三個設計階段中，均嵌入?yún)?shù)化設計與節(jié)能評估、BIM設計應用、設計深化調整三個流程工作，建立節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺應用的系統(tǒng)流程工作方案。

3.1 社區(qū)規(guī)劃設計階段

流程1 根據(jù)指標與經(jīng)驗試排，形成包含多幢建筑排布與庭院設計的社區(qū)初步設計方案。

流程2 將該方案建模導入Rhino并加載Citycomfort+插件，輸入前期收集的城市三維地量數(shù)據(jù)、表面材料屬性、地形與氣象數(shù)據(jù)等，輸出熱輻射能量強度、平均輻射溫度、附近空氣溫度及人體熱舒適評價等熱舒適性評價結論。

流程3：方案調整，直至通過社區(qū)微環(huán)境塑造標準。全階段可導入Revit應用優(yōu)化BIM建筑通用族族庫。

3.2 建筑設計初步階段

流程1 開展建筑單體設計深化，Rhino與Revit模型數(shù)據(jù)可即時嫁接，應用優(yōu)化BIM結構通用族族庫。

流程2 將深化方案在Rhino平臺上并加載Ladybug插件，輸出熱舒適性復核、建筑節(jié)能、自然采光、人工采光等建筑節(jié)能評價。

流程3 方案調整，直至通過節(jié)能評估要求。全階段可導入Revit應用優(yōu)化BIM結構通用族族庫。

圖1 節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺構建技術路線圖

3.3 施工圖與室內設計階段

流程1 開展施工圖設計與建筑室內設計，應用優(yōu)化BIM給排水、電氣、暖通專業(yè)通用族族庫。

流程2 將深化方案在Rhino平臺上并加載Honeybee插件，進行建筑節(jié)能評估復核，并通過Honeybee鏈接到gbXML綠建評估平臺，確認滿足節(jié)能社區(qū)和綠色建筑設計國際標準。

流程3 在施工圖設計過程與項目甲方對接中應用BIM展示與瀏覽以展現(xiàn)設計細節(jié)，并在項目設計完成后以BIM實現(xiàn)施工過程控制［3］。

4 節(jié)能社區(qū)設計中智慧評估平臺的內部系統(tǒng)優(yōu)化和外部鏈接構建

4.1 BIM內部系統(tǒng)優(yōu)化

節(jié)能社區(qū)設計評估階段之后，必將帶動設計方案的調整優(yōu)化，繼而帶動后續(xù)工程設計階段BIM模型的調整。而目前BIM技術還不足以應付設計階段繁復的調整變化，因此需對設計流程中專用BIM大數(shù)據(jù)圖庫、文件存儲、調用及挖掘等內部系統(tǒng)進行優(yōu)化再開發(fā)，提升智慧化處理技術的應用效率。

常用BIM建模軟件Revit所創(chuàng)建的三維模型由族組成，由于Revit軟件最早版本為國外研發(fā)，包含的族庫存在與國內的情況不同及無法直接調用的問題；軟件自帶的設備族模型只具備尺寸的大致位置，在項目過程中由于廠商的不同和型號的不同會影響后期的管線安裝高度及安裝完成后的視覺感官，自帶族庫無法滿足模型精度的要求；軟件自帶族庫的輪廓族均為長方形、圓形等常規(guī)形狀，無法滿足項目的使用要求等。

為適應國內的族使用情況，出現(xiàn)了一系列的針對Revit軟件的族庫插件，如型兔、紅瓦、品茗等，這些插件都是以Revit軟件為載體，安裝后可以調用里面固定族庫。但是國內族庫插件普遍存在以下問題：更新速度慢、族種類和類型有限、族水平參差不齊有些無法實現(xiàn)參數(shù)化、部分設備的尺寸與現(xiàn)實差異較大，無法實現(xiàn)通用等。

根據(jù)以上族庫的情況，需要在平臺內部建立統(tǒng)一的族庫。且族庫在建立時就考慮實用性，如機械設備此類的族庫都是根據(jù)各個廠商提供的樣本文件進行制作，同時在制作過程中對參數(shù)的命名進行統(tǒng)一規(guī)則的設置。在項目建模過程中將族的要求分為兩類：一類為需要對各個項目都統(tǒng)一的族，如機電各專業(yè)的管道連接件和管路附件等；另一類為針對單個項目的族，如精裝修類的族等。針對以上情況需要建立內部的通用族庫，其中包括的種類為：建筑通用族，結構通用族，機電給排水、電氣、暖通專業(yè)通用族。在內部族庫建立之后進行族的分類統(tǒng)計，形成統(tǒng)計圖表，進行統(tǒng)一編號，方便后期調取與查詢。見圖2。

圖2 BIM自帶族庫和優(yōu)化后內部族庫的對比

此外，還需通過參數(shù)調整建模、異形構件砌筑的設計、“BIM+VR”的展示等重要環(huán)節(jié)優(yōu)化，加快設計流程及后期三維模型展示瀏覽。

4.2 基于犀牛形成的外部鏈接

針對解決現(xiàn)有節(jié)能評估不同階段難以鏈接，以及內部評估和外部測評難以轉換的問題，本次智慧評估平臺選擇了基于犀牛（Rhino）的模型插件：城適軟件（“Citycomfort+”）與Ladybug、Honeybee，可基于犀牛模型實現(xiàn)無縫傳遞。其中，城適軟件應用于通風微環(huán)境的塑造，即在建筑排布、架空結構、水景植被（蒸發(fā)冷卻）等小區(qū)環(huán)境規(guī)劃層面評測調整完成后，再傳遞給以評測建筑單體節(jié)能設計為主的Ladybug插件；Ladybug插件通過官網(wǎng)上下載的全球各大城市的天氣數(shù)據(jù)對建筑設計模型進行各種環(huán)境分析，如風玫瑰圖、日照分析、建筑表面溫度與通風、濕度等，并且可視化的將這些分析圖體現(xiàn)在建筑模型上，設計師可以根據(jù)分析結果對初始設計進行調整優(yōu)化，再傳導給下一個層次即可以評測室內熱環(huán)境舒適度的Honeybee插件；Honeybee是一個專家級別的大型環(huán)境分析軟件，可以對精細模型進行分析，并且通過Honeybee這個插件可以鏈接到如Open-Studio、EnergyPlus、Radiance、gbXML等國際各大氣候數(shù)據(jù)平臺。其中gbXML是國際建筑綠色標準化的評估標準平臺，即采用該智能設計鏈進行輔助設計的建筑工程，滿足國際對節(jié)能社區(qū)和綠色建筑的要求。

5 結 語

本流程應用基于犀牛（Rhino）模型可實現(xiàn)無縫傳遞的Citycomfort+、Ladybug、Honeybee等三大插件的鏈接，形成“社區(qū)庭院—建筑單體—住宅室內”的分層設計應用與評估系統(tǒng)，最終由末梢環(huán)節(jié)Honeybee鏈接到國際建筑綠色標準化的評估標準平臺gbXML。這樣既兼顧了良好建模的能力和模型的完整性，且在設計每一階段均能完成對社區(qū)與建筑節(jié)能的評估，又在方案改進的同時進一步降低建筑能耗、提高舒適度，也省去了后期為了節(jié)能綠建重復計算及修改的環(huán)節(jié)。即構建了環(huán)境模擬技術、參數(shù)化設計技術與BIM技術三大智慧化處理技術協(xié)同工作的平臺，大大提高了節(jié)能社區(qū)設計的智慧化處理水平和評估效率。