基于BIM技術(shù)在低碳建筑中的節(jié)能應(yīng)用與優(yōu)化

王興

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

1 引言

我國(guó)城鎮(zhèn)化率由2017年60.24%增長(zhǎng)為2021年64.72%，增長(zhǎng)趨勢(shì)穩(wěn)步提升，但較國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家普遍80%以上水平仍有較大空間。2021年全國(guó)建筑業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)增加值比上年分別增加2.1%、4.4%，盡管2020 至2021年受疫情影響較之前建筑業(yè)3%以上、房地產(chǎn)7%以上的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)有所下降，但其體量巨大，仍是國(guó)家生產(chǎn)總值重要組成。在其巨大體量發(fā)展背景下，較發(fā)展之初，建筑特征、類(lèi)型等各方面伴隨人類(lèi)生活需求、生活環(huán)境、社會(huì)科技進(jìn)步等諸多因素發(fā)生變化。其中氣候變化之一的溫室效應(yīng)成為目前自然生態(tài)環(huán)境棘手的問(wèn)題，環(huán)境惡化、能源緊缺逐步喚起人類(lèi)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)。占據(jù)二氧化碳排放量50%左右的建筑業(yè)近20年因此也逐步“升級(jí)更新”，“低碳建筑”被廣泛應(yīng)用，成為國(guó)際主流建筑發(fā)展趨勢(shì)。因社會(huì)生產(chǎn)需要而逐步發(fā)展起來(lái)的信息技術(shù)之一——BIM 技術(shù)，則成為“低碳建筑”高效應(yīng)用的助力器，優(yōu)化了建筑生產(chǎn)方式，并促使“低碳建筑”節(jié)能效應(yīng)形成。

2 低碳建筑基本概念

低碳節(jié)能理念逐步全球推行，“世界低碳環(huán)保聯(lián)合會(huì)”“國(guó)際碳行動(dòng)伙伴組織（ICAP）”“C40 大城市領(lǐng)導(dǎo)組織”“聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)”等多項(xiàng)低碳節(jié)能組織建立，同時(shí)歐盟建立了歐洲氣候交易所（ECX）、歐洲能源交易所（EEX）等多項(xiàng)碳排放交易機(jī)制，促進(jìn)全球低碳行動(dòng)。根據(jù)《bp 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》的全球能源需求量與碳排放量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，20 世紀(jì)中葉以來(lái)，一次能源消費(fèi)及碳排放在近年來(lái)得到逐步穩(wěn)定。

建筑物碳排放量是由建筑物的各元素能耗及二氧化碳排放量總和組成，學(xué)術(shù)界對(duì)低碳建筑碳排放指標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)無(wú)明確界定。從分析低碳建筑理念發(fā)展歷程看，低碳建筑可被認(rèn)定為在建筑全生命周期內(nèi)，以低污染、低耗能、低二氧化碳排放的產(chǎn)業(yè)建設(shè)模式建設(shè)的建筑空間，具體方式如建筑材料生產(chǎn)使用過(guò)程中、建筑施工過(guò)程中具備節(jié)能減排行為則可以創(chuàng)造更合理舒適的建筑環(huán)境。廣泛被提出的綠色建筑、生態(tài)建筑、可持續(xù)建筑均屬于低碳建筑。

3 國(guó)內(nèi)外低碳建筑發(fā)展

建筑理念層面，從19 世紀(jì)末開(kāi)始萌芽“有機(jī)建筑論”以來(lái)，逐步出現(xiàn)了生態(tài)建筑學(xué)、綠色建筑、可持續(xù)建筑等發(fā)展理念，經(jīng)兩個(gè)世紀(jì)發(fā)展至今逐步形成低碳建筑發(fā)展理念（見(jiàn)圖1）。全球自然環(huán)境日益惡化背景下，低碳建筑已成為建筑發(fā)展主趨勢(shì)。

圖1 低碳建筑發(fā)展理念

國(guó)外低碳建筑發(fā)展主要為歐洲國(guó)家。英國(guó)最早于2003年提出“低碳經(jīng)濟(jì)”發(fā)展理念，并逐步被全球所接受，回溯其低碳建筑發(fā)展源頭為生態(tài)可持續(xù)性建筑，即追溯崇尚自然生態(tài)的綠色精神，后續(xù)逐步演變形成技術(shù)綠色建筑、生態(tài)建筑、零能耗建筑、零碳社區(qū)等理念，具體表現(xiàn)為強(qiáng)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)自保溫效果、利用風(fēng)能的地域性?xún)?yōu)勢(shì)、利用太陽(yáng)能可持續(xù)能源等方面。2021年世界十大建筑排名英國(guó)占據(jù)3 項(xiàng)，作為標(biāo)桿之一的英國(guó)貝丁頓零化石能源發(fā)展社區(qū)（BedZED）更是提出以社區(qū)低碳規(guī)劃建設(shè)為理念，建設(shè)延長(zhǎng)建筑壽命至120年的“永續(xù)建筑”，其所需的電能、采暖等基礎(chǔ)能源均為綠色能源，雨水、生態(tài)水可循環(huán)，不僅建筑物本體可低碳，更將低碳凝聚于生活方式與社區(qū)，達(dá)到低碳交通、家居節(jié)能精細(xì)至每戶(hù)的效果。德國(guó)被動(dòng)式新型房屋，如德國(guó)“漢堡之家”，基本屬于模塊化預(yù)制，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以上基本可直接組裝完成，其材料運(yùn)用基本為節(jié)能材料，建設(shè)時(shí)間較短且節(jié)約能源，以自然條件為基礎(chǔ)獲取建筑能耗最小，節(jié)能減排成效顯著。

改革開(kāi)放以來(lái)，高耗能、高排放基礎(chǔ)上我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，持續(xù)增加的能源需求、碳排放量一定程度上制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)度，我國(guó)每年向大氣中排放二氧化碳超60 億噸，居世界各國(guó)之首，其次為美國(guó)、俄羅斯，2020年我國(guó)碳排放增加0.6%，在全球碳排放總量份額增加至31%，控制溫室氣體排放面臨較大壓力。我國(guó)低碳建筑應(yīng)用主要指建筑節(jié)能，發(fā)展始于20 世紀(jì)80年代，初期在北京、哈爾濱等地小型試點(diǎn)，到90年代初期以北京為代表多個(gè)城市推行，制定建筑節(jié)能率30%標(biāo)準(zhǔn)，21 世紀(jì)初全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)始逐步施行節(jié)能建筑，以節(jié)能50%為標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)逐步發(fā)展至65%節(jié)能率，目前部分國(guó)家甚至建設(shè)形成“零碳建筑”，我國(guó)仍需不斷提高完善節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，大力推行建筑節(jié)能發(fā)展。

4 BIM 技術(shù)基本概念

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、建筑業(yè)，是目前建筑行業(yè)較常見(jiàn)的應(yīng)用技術(shù)，可逐步解決建筑生產(chǎn)效率較低的問(wèn)題。BIM 概念最早由20 世紀(jì)80年代美國(guó)的Chuck Eastman 提出，21 世紀(jì)初期BIM 技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用于工業(yè)，我國(guó)最早于2006年香港地區(qū)推行BIM 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，在2011年制定頒布BIM 技術(shù)應(yīng)用大綱，2014年逐步印發(fā)各項(xiàng)BIM 指導(dǎo)意見(jiàn)，BIM 市場(chǎng)規(guī)模從2014年4.1 億元增長(zhǎng)至2020年12.5 億元，目前國(guó)內(nèi)已形成了良好的BIM 應(yīng)用市場(chǎng)環(huán)境，BIM 技術(shù)應(yīng)用得到重視，了解、使用并促使其發(fā)展是我國(guó)建筑行業(yè)信息化轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)。

BIM 技術(shù)是由信息化數(shù)據(jù)庫(kù)、全生命周期、多維模型多項(xiàng)特征概念組成的龐大的集合，具備信息完備性、對(duì)象參數(shù)化、可視化3D 模型、導(dǎo)出成果多元化四大特點(diǎn)。實(shí)施過(guò)程中通過(guò)數(shù)字化表達(dá)建設(shè)項(xiàng)目全部信息、建立建筑3D 模型虛擬表現(xiàn)建筑物、協(xié)同共享信息分析模型、提供數(shù)據(jù)支撐參與建筑項(xiàng)目全過(guò)程。

BIM 技術(shù)應(yīng)用具體形式主要是BIM 軟件，常見(jiàn)的主要有Sketchup、Revit、CATIA 等，區(qū)別于建筑初期使用較多的CAD軟件，在點(diǎn)、線(xiàn)、面的二維構(gòu)件基礎(chǔ)上升級(jí)為柱、梁、墻、板等基礎(chǔ)建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通過(guò)編程構(gòu)建建筑數(shù)字化，模擬建筑物理、功能特征，將具體的建筑或結(jié)構(gòu)構(gòu)件用一系列參數(shù)屬性來(lái)表示，具體的BIM 軟件可通過(guò)建筑設(shè)計(jì)、可持續(xù)分析、造價(jià)管理、模型檢查管理、維護(hù)管理、可視化分析等環(huán)節(jié)達(dá)到對(duì)建設(shè)全過(guò)程的優(yōu)化控制。

5 BIM 技術(shù)在低碳建筑中的應(yīng)用

經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，建筑行業(yè)生產(chǎn)耗能占全行業(yè)能耗約40%，排放的溫室氣體量占全行業(yè)約30%，建筑行業(yè)的低碳節(jié)能行動(dòng)迫在眉睫。

5.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑

BIM 技術(shù)應(yīng)用廣泛，應(yīng)用層面主要有節(jié)能分析、建材分析、環(huán)境分析，具體如園林綠化設(shè)計(jì)、綠色建筑評(píng)價(jià)、綠色材料施工監(jiān)測(cè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、可持續(xù)運(yùn)維等，涉及建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電多專(zhuān)業(yè)。本文對(duì)綠色建筑的BIM 應(yīng)用主要從綠色建筑設(shè)計(jì)、綠色建筑評(píng)價(jià)、綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段3 方面進(jìn)行分析。

5.1.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑設(shè)計(jì)

綠色建筑設(shè)計(jì)主要指綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，從環(huán)節(jié)上分為設(shè)計(jì)前期、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、深度設(shè)計(jì)（施工圖）、運(yùn)營(yíng)維護(hù)5 個(gè)階段，通過(guò)BIM 技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段，合理有效確定建材用量，分析建筑室內(nèi)外環(huán)境設(shè)計(jì)，資源合理優(yōu)化配置。

設(shè)計(jì)前期為節(jié)能需求及節(jié)能目標(biāo)確定階段，如室內(nèi)溫度、空氣、聲音、照明等生活需求，采暖制冷、通風(fēng)、采光等節(jié)能目標(biāo)。概念設(shè)計(jì)即對(duì)設(shè)計(jì)前期內(nèi)容確定初步概念性方案并評(píng)估，此階段開(kāi)始使用軟件模型模擬建筑結(jié)構(gòu)形式、平面布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等因素，整合專(zhuān)業(yè)信息，考慮室內(nèi)外環(huán)境平衡優(yōu)化等因素，對(duì)初步建筑圍護(hù)、采光通風(fēng)、建材、被動(dòng)措施等方面提出初步設(shè)想。初步設(shè)計(jì)階段即在概念基礎(chǔ)上落實(shí)明確，從主要建筑能耗影響因素，如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑材料設(shè)備及人為因素等方面著手，通過(guò)軟件測(cè)算模型計(jì)算，敲定落實(shí)具體設(shè)計(jì)方案，此環(huán)節(jié)和概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)。深度設(shè)計(jì)最終呈現(xiàn)具體的施工圖方案報(bào)告，并對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)節(jié)上的優(yōu)化，形成最終建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成果。最后運(yùn)營(yíng)維護(hù)即為建筑使用過(guò)程中的維護(hù)，對(duì)后期相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試等工作。

5.1.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑評(píng)價(jià)

綠色建筑評(píng)價(jià)是基于綠色建筑全生命周期運(yùn)作特點(diǎn)、針對(duì)工程項(xiàng)目全要素范圍提出的系統(tǒng)模型評(píng)價(jià)方法，通過(guò)定性、定量分析方法，明確所需評(píng)價(jià)維度，確立評(píng)估指標(biāo)及相關(guān)權(quán)重的評(píng)價(jià)體系，如分析建筑綠色采光、能效利用、可持續(xù)材料使用等綜合指標(biāo)體系，不斷探索綠色建筑方向，滲透建設(shè)全過(guò)程。針對(duì)評(píng)估體系標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外主要有英國(guó)BREEAM、美國(guó)LEED、加拿大Green Building Tool 等，我國(guó)主要是《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)估體系》等，各具特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用具備一定參考性。

5.1.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用于綠色建筑運(yùn)營(yíng)

運(yùn)營(yíng)階段占比建筑全生命周期時(shí)間最長(zhǎng)，綠色建筑運(yùn)維區(qū)別于傳統(tǒng)建筑運(yùn)維的項(xiàng)目竣工開(kāi)始，其滲透于建筑全生命階段，前期目標(biāo)制定設(shè)計(jì)、日常運(yùn)維均需可持續(xù)發(fā)展理念滲透。BIM 技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)階段，其信息化、精確化、可視化多項(xiàng)特點(diǎn)對(duì)綠色建筑特別是綠色公共建筑運(yùn)維節(jié)能管理提供技術(shù)支持，如BIM 控制平臺(tái)可統(tǒng)一調(diào)控空調(diào)、新風(fēng)、照明、電梯等電力設(shè)備，通過(guò)相關(guān)控制可實(shí)現(xiàn)水資源精確轉(zhuǎn)化，同時(shí)可監(jiān)控物業(yè)管理信息數(shù)據(jù)，合理調(diào)配利用資源減少浪費(fèi)。

5.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑材料低碳減排

廣義上講，建筑碳排量分為建造碳排量、使用碳排量和拆除碳排量3 部分。建筑全生命周期階段大致包括設(shè)計(jì)階段、建造階段、運(yùn)維階段、拆除階段、廢物處置階段，均與碳排放密切聯(lián)系。設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)低碳實(shí)施，其碳排放占比較低；建造階段則主要是建筑材料準(zhǔn)備及其施工過(guò)程產(chǎn)生碳排放；運(yùn)維則主要是空調(diào)、采暖、采光等各項(xiàng)設(shè)備碳排放；拆除及廢物處置則產(chǎn)生于具體動(dòng)作實(shí)行過(guò)程中。除設(shè)計(jì)階段、運(yùn)維階段外，各階段碳排放均與建筑材料有關(guān)，區(qū)別僅在于建筑材料種類(lèi)、數(shù)量、范圍差異，因此研究建筑材料低碳有其必然意義。

我國(guó)水泥、鋼鐵等高能耗高碳材料年產(chǎn)量曾多次位居世界第一，近年萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放下降率也越來(lái)越少（見(jiàn)圖2），而每年建筑行業(yè)則有大量碳排放，作為建筑碳排放重點(diǎn)之一，建材低碳效果則需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖2 2017-2020年全國(guó)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放下降情況（%）

建筑行業(yè)主要建材消耗有水泥、鋼鐵、混凝土、磚、玻璃等幾大類(lèi)，各類(lèi)建材在不同階段碳排放不同（見(jiàn)表1）。從建材使用全過(guò)程看，建材碳排放追蹤不僅要跟蹤生產(chǎn)過(guò)程，還要追蹤前期選擇及后續(xù)施工過(guò)程，這期間往往環(huán)節(jié)、流程繁復(fù)，種類(lèi)數(shù)據(jù)量龐大。

表1 不同建筑材料碳排放量

建筑信息化技術(shù)即BIM 技術(shù)，是在早期由美國(guó)提出的BEES 軟件的延伸，通過(guò)建立3D 模型、4D 甚至ND 模型發(fā)揮模型信息關(guān)聯(lián)、信息數(shù)字化、信息完備特點(diǎn)，可跟蹤從建筑材料產(chǎn)品最初的生產(chǎn)制成運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)施工、使用及報(bào)廢全過(guò)程碳排放。BIM 技術(shù)應(yīng)用于建材低碳還具有經(jīng)濟(jì)性，其數(shù)據(jù)集成特點(diǎn)可幫助企業(yè)形成信息數(shù)據(jù)綜合平臺(tái)，數(shù)據(jù)共享，可省去調(diào)取查閱數(shù)據(jù)工作量，并且可監(jiān)測(cè)跟蹤建材節(jié)能指標(biāo)，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)施工及機(jī)械設(shè)備，滿(mǎn)足降低工程成本的經(jīng)濟(jì)效益。

建筑使用功能角度分析，建筑裝飾與人類(lèi)居住生活的直觀感受聯(lián)系緊密，建筑裝飾材料按照使用部位可分為墻體、地面、頂部、裝飾線(xiàn)、頂部材料、緊固件、連接件和膠粘劑等幾大類(lèi)。建筑裝飾材料較主要建材使用量雖占比不高，但在建筑使用部位、施工環(huán)節(jié)、材料類(lèi)型等方面有著突出的復(fù)雜性，且涉及下游行業(yè)分散，涉及專(zhuān)業(yè)較多，并且有的建筑在裝飾材料生產(chǎn)、施工至使用過(guò)程都會(huì)對(duì)環(huán)境不利，影響低碳減排。BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑裝飾材料低碳主要側(cè)重于建筑裝飾設(shè)計(jì)，結(jié)合建筑裝飾工程特征，設(shè)計(jì)匹配的信息數(shù)據(jù)并明確構(gòu)架，構(gòu)造形成建筑裝飾材料使用階段各類(lèi)模型，以模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析各項(xiàng)節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合綠色低碳節(jié)能需求目標(biāo)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類(lèi)整理優(yōu)化，建設(shè)綠色低碳的建筑裝飾。

6 BIM 技術(shù)應(yīng)用于低碳建筑的相關(guān)建議

目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)建筑的BIM 技術(shù)應(yīng)用范圍逐步廣闊、應(yīng)用程度逐步深入，對(duì)于比傳統(tǒng)建筑各項(xiàng)節(jié)能指標(biāo)要求更高的低碳建筑則更需要BIM 技術(shù)的深入應(yīng)用。通過(guò)外在層面的行業(yè)規(guī)范及政策監(jiān)督、內(nèi)在層面企業(yè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中綠色低碳可持續(xù)理念持續(xù)滲透的內(nèi)外作用下，確保BIM 技術(shù)和低碳建筑建設(shè)相輔相成。一方面，BIM 技術(shù)便于建筑低碳化建設(shè)；另一方面，建設(shè)低碳建筑的技術(shù)需要側(cè)面帶動(dòng)BIM 技術(shù)多向發(fā)展，形成行業(yè)良好生態(tài)發(fā)展循環(huán)，同時(shí)促進(jìn)自然環(huán)境良好呼吸。

7 結(jié)語(yǔ)

低碳建筑不是憑空出現(xiàn)的概念，是建筑行業(yè)自身特點(diǎn)順應(yīng)低碳能源可持續(xù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。在國(guó)外倡導(dǎo)建設(shè)“零碳建筑”“零碳社區(qū)”背景下，我國(guó)建筑行業(yè)低碳化勢(shì)在必行。在已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)建筑建設(shè)的BIM 技術(shù)加持下，建筑低碳化將會(huì)有顯著成效。在BIM 技術(shù)具體應(yīng)用層面，本文強(qiáng)調(diào)在軟件使用基礎(chǔ)上充分發(fā)揮BIM 技術(shù)全面數(shù)據(jù)集成能力、持續(xù)數(shù)據(jù)更新能力、靈活數(shù)據(jù)處理能力、可視化數(shù)據(jù)管理能力，將綠色建筑應(yīng)用、建筑材料碳排放監(jiān)測(cè)作為重點(diǎn)，關(guān)注碳排放重點(diǎn)環(huán)節(jié)，從各維度上節(jié)能減排、減碳降耗，以實(shí)現(xiàn)從節(jié)能減排的技術(shù)創(chuàng)新形成建筑低碳產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)新。