BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

楊楷豐（太原市熱力設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030001）

BIM技術(shù)的出現(xiàn)把建筑設(shè)計(jì)帶入了三維時(shí)代，因?yàn)槠淇梢哉故矩S富的信息，從而在建筑設(shè)計(jì)、施工過程以及施工管理方面都可以得到優(yōu)化[1]，進(jìn)而確保設(shè)計(jì)、建造、經(jīng)營(yíng)管理等多個(gè)環(huán)節(jié)均保持一致。目前隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提升，綠色建筑理念也在悄然興起，其主張?jiān)诮ㄖO(shè)計(jì)中充分利用自然資源，如陽光、風(fēng)力等，同時(shí)也重視建筑內(nèi)部和建筑外部的連通[2]。如今BIM技術(shù)和綠色建筑的設(shè)計(jì)都處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，因而將此二者加以結(jié)合有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 綠色建筑概念

“綠色建筑”這一概念最早出現(xiàn)是在2006年所發(fā)布的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，其給出的定義是：在建筑生命周期之內(nèi)，最大程度上實(shí)現(xiàn)資源和能源的節(jié)約，從而對(duì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)保護(hù)[3]，與此同時(shí)也要確保使用空間的健康、適用以及高效性，屬于環(huán)境友好型建筑工程。目前該理念已經(jīng)得到了政府、公眾各個(gè)層面的普遍認(rèn)可。人們對(duì)于綠色建筑的普遍認(rèn)同是，其并不是建筑藝術(shù)流派，而是建筑工程相關(guān)主體在社會(huì)、文化和經(jīng)濟(jì)等背景下，以實(shí)現(xiàn)自然和社會(huì)的和諧發(fā)展為目標(biāo)的建筑理念。

2 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 BIM技術(shù)覆蓋綠色建筑全生命周期

BIM 技術(shù)和綠色建筑都對(duì)建筑工程的全生命周期予以關(guān)注。由于BIM 技術(shù)有著較為廣泛的覆蓋范圍，除了建筑工程的最終拆除之外都有涉及。但結(jié)合目前建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，BIM技術(shù)在未來也將會(huì)考慮建筑拆除的相關(guān)問題，從而使其與綠色建筑一樣覆蓋全生命周期[4]。綠色建筑和BIM技術(shù)結(jié)合起來之后，就可以在同一平臺(tái)數(shù)據(jù)上使不同專業(yè)技術(shù)人員共同完成設(shè)計(jì)，并且做好數(shù)據(jù)整合。在通常情況下，BIM 模型建立后也可以在施工階段得到應(yīng)用，從而給工程量的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算提供便利。與此同時(shí)，也可以模擬施工過程，對(duì)施工方案進(jìn)行組織管理。

同時(shí)BIM 模型也可在建筑運(yùn)營(yíng)管理中得到應(yīng)用，這樣管理人員就可以對(duì)于自身所維護(hù)的建筑有著更為直觀且全面的了解，并且信息也不容易在傳遞過程中丟失[5]。除此之外，由于BIM將建筑的全部信息涵蓋進(jìn)去，BIM 技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)性能分析、綠色分析以及空間論證等多方面功能。

2.2 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中具有模擬性

在綠色建筑工程的設(shè)計(jì)過程中，BIM技術(shù)可以仿真和模擬綠色建筑設(shè)計(jì)階段的各個(gè)板塊參數(shù)，這樣就可以從整體上優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還能夠?qū)⒎桨冈O(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和不足都體現(xiàn)出來。除此之外，BIM技術(shù)也可以計(jì)算綠色建筑工程的結(jié)構(gòu)和材料，在獲取這些信息之后，就可以得到一份直觀且信息較為完善的圖紙。尤其是在采光和通風(fēng)參數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。如果是在建筑工程設(shè)計(jì)之初就將這些內(nèi)容都計(jì)劃完畢，那么在后續(xù)施工過程中也將節(jié)約很多流程，對(duì)成本控制和工期的保證而言都是非常有利的，從而使綠色建筑的智能性、環(huán)保性優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。

2.3 BIM技術(shù)使綠色建筑設(shè)計(jì)具有可優(yōu)化型

BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程中，可以經(jīng)由對(duì)模型的利用使設(shè)計(jì)、參數(shù)、規(guī)則以及建筑信息等多方面的信息匯集起來，對(duì)項(xiàng)目方案進(jìn)行整體性評(píng)價(jià)，同時(shí)也具有制定特殊項(xiàng)目方案的能力。舉例來說，屋頂、裙樓、幕墻的設(shè)計(jì)優(yōu)化，異形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化等。因而在BIM 技術(shù)體系當(dāng)中，其優(yōu)勢(shì)并不僅僅體現(xiàn)在3D 建模方面，還體現(xiàn)在可以直接對(duì)照時(shí)間、成本。這樣一來，BIM技術(shù)可以在完成施工模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)模型生成過程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，并且做好材料選擇、方案計(jì)劃，為施工可行性提供翔實(shí)的報(bào)告。

綜上所述從綠色建筑設(shè)計(jì)方面來看，BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，例如在施工過程中，可以細(xì)致分析建筑工程的采光數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合建筑工程環(huán)保材料和綠色能源的使用進(jìn)一步計(jì)算出建筑工程的采光以及節(jié)能效果。除此之外BIM 技術(shù)還可以模擬通風(fēng)環(huán)境，將建筑工程和當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境進(jìn)行融合分析，從而判斷人們對(duì)建筑工程的心理預(yù)期。這樣看來，BIM技術(shù)可以兼顧時(shí)間、空間的結(jié)構(gòu)，也可樣讓使用者的安全性和舒適性得到保障，從而在設(shè)計(jì)階段得以規(guī)避很多使用當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)的問題。除此之外，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)過程中，不僅可以提供大量的信息數(shù)據(jù)，也可以實(shí)現(xiàn)模擬分析，在此基礎(chǔ)上可以直接預(yù)覽設(shè)計(jì)效果，并且對(duì)施工行為提供準(zhǔn)確的支持，所以BIM 技術(shù)在綠色工程設(shè)計(jì)中的作用是極為明顯的。

3 BIM在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框架

在BIM技術(shù)下的綠色建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要運(yùn)用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，解決綠色建筑設(shè)計(jì)中的困難環(huán)節(jié)，從BIM技術(shù)的角度提出解決方案。綠色建筑的生命周期分為四個(gè)部分，分別是決策、設(shè)計(jì)、施工和后續(xù)運(yùn)營(yíng)階段。BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)過程中，需要體現(xiàn)的是在建筑工程前期分析階段和設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用BIM 模型完成模型搭建，并且對(duì)建筑性能進(jìn)行模擬分析。

綠色建筑項(xiàng)目的流程和BIM技術(shù)實(shí)施的流程整合過程中，需要對(duì)不同階段的BIM 功能進(jìn)行分類，目前BIM技術(shù)的功能主要包括有前期分析、模型生成以及虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)方面，而綠色建筑設(shè)計(jì)又包括概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)以及施工圖設(shè)計(jì)這四個(gè)階段。如圖1所示，為BIM功能在不同階段的整合情況。

圖1 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框架

4 BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

本文以某綠色建筑項(xiàng)目為例，從采光和通風(fēng)兩個(gè)方面闡述BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

4.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目的構(gòu)成主要有辦公、接待、研發(fā)和會(huì)議等用房，建筑總面積為31600m2，共有兩棟樓，其中場(chǎng)地南側(cè)的為科研樓，呈L形；B座辦公樓拆除后重建停車樓，呈一字型，建設(shè)于場(chǎng)地北側(cè)?？蒲芯C合樓的結(jié)構(gòu)為地上10層，地下1層，樓體高度為45m，結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目預(yù)期建設(shè)一個(gè)舒適、低碳的綠色辦公建筑，從而提高室內(nèi)舒適度，且對(duì)當(dāng)前雜亂無章的停車情況進(jìn)行改善，擴(kuò)大停車容量。在設(shè)計(jì)過程中需要貫穿綠色建筑設(shè)計(jì)理念，從而實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約。建筑造型設(shè)計(jì)也需要和周圍環(huán)境保持和諧，外觀簡(jiǎn)約樸素，在工程設(shè)計(jì)過程中融合可持續(xù)發(fā)展觀念，從而實(shí)現(xiàn)使用功能和建筑美感的統(tǒng)一。

4.2 采光分析

建筑物室內(nèi)采光主要是在最大程度上利用自然采光，輔以人工照明，達(dá)到建筑物在采光方面的需要。建筑室內(nèi)自然采光主要是通過建筑外窗完成的，而隨著光照進(jìn)深的增加，光照也在不斷減弱，并且照度分布不均勻。為了解決室內(nèi)深處自然采光無法觸及的問題，就需要增加窗戶的高度和寬度，但是這又會(huì)受到建筑層高的影響；在建筑室內(nèi)的光照度無法達(dá)到建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，就需要開啟人工照明來補(bǔ)充照度，一般情況下，燈具數(shù)量是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)總功率計(jì)算而得出的。但是照明燈具不僅僅會(huì)通過數(shù)量影響室內(nèi)照度，同時(shí)還有燈具布設(shè)方式也會(huì)影響室內(nèi)光照度，因而進(jìn)一步復(fù)雜了室內(nèi)光照度的計(jì)算。

基于BIM 的自然采光模擬分析，首先需要對(duì)現(xiàn)有的自然采光效果進(jìn)行評(píng)估，評(píng)價(jià)目前室內(nèi)的空間采光是否能夠達(dá)到使用要求，并且針對(duì)目前采光中存在的不足，提供可行的優(yōu)化方案，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性，并且適應(yīng)工作的要求。本項(xiàng)目按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行模擬，按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)化和建模，并且按照可行性報(bào)告當(dāng)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬和分析，確定其是否達(dá)到我國(guó)的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。軟件工具采用Ecotexrt2010，該軟件可以實(shí)現(xiàn)交互式分析，分析光照的技術(shù)性能。本項(xiàng)目通過該軟件內(nèi)置的光環(huán)境分析模塊，按照?qǐng)D紙進(jìn)行全尺寸建模，之后在模擬采光系數(shù)的過程中，盡量對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)于采光影響程度較低的參數(shù)，如窗框、墻壁厚度均應(yīng)考慮。

結(jié)合設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選擇如下條件：全陰天模型、無太陽支設(shè)、采光指數(shù)最為不利，時(shí)間為冬至日中午12點(diǎn)。首先對(duì)于建筑物主要使用空間的采光效果進(jìn)行分析，確定其中滿足我國(guó)建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的面積情況，以3層作為例子，對(duì)采光模擬分析過程進(jìn)行總結(jié)。本建筑工程當(dāng)中，3 層主要功能區(qū)域包括有辦公室、會(huì)議室等，3層的具體模擬分析如圖2和圖3所示。

圖2 三層平面圖

圖3 采光模擬分析圖

對(duì)于研發(fā)樓各個(gè)功能區(qū)域自然采光效果進(jìn)行模擬之后得到下列結(jié)果：本建筑的外窗布置、樓層平面分布均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，辦公區(qū)域自然采光面積和公寓區(qū)采光達(dá)標(biāo)面積也符合設(shè)計(jì)需要。

4.3 自然通風(fēng)模擬

本項(xiàng)目的自然通風(fēng)模擬是采用CFD來完成的，本分析軟件是應(yīng)用Phoenics2013工具，對(duì)通風(fēng)情況進(jìn)行計(jì)算。

本項(xiàng)目處于所在城市的西側(cè)，該地區(qū)位于季風(fēng)氣候區(qū)，夏季為東南風(fēng)向，由于夏季溫度較高，因而自然通風(fēng)需要對(duì)于夏季情況進(jìn)行分析。在確定了本工程夏季迎風(fēng)面、背風(fēng)面的風(fēng)壓分布情況之后，就不難發(fā)現(xiàn)，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差并不大，大約為3Pa，因而滿足自然通風(fēng)的需求。之后導(dǎo)入人員活動(dòng)主要高度位置的空氣齡分布圖、風(fēng)速分布圖，經(jīng)過計(jì)算后結(jié)果證實(shí)，該層主要功能空間外窗可以起到良好的通風(fēng)效果，室內(nèi)空氣流動(dòng)情況較好，大多數(shù)區(qū)域空氣齡均不高于30min，可確定大約每小時(shí)換氣2次，僅僅在建筑西側(cè)個(gè)別區(qū)域存在流通死角，其與部分自然通風(fēng)情況較好，可適應(yīng)綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。本建筑內(nèi)空氣流通速度均不高于1m/s，可以適應(yīng)人員對(duì)舒適度的要求，不會(huì)對(duì)活動(dòng)造成負(fù)面影響。

較好的室內(nèi)通風(fēng)情況可以提高室內(nèi)舒適度，尤其是在夏季，室內(nèi)人員對(duì)于熱舒適度的要求更高，在通風(fēng)良好的情況下可以保證室內(nèi)熱量的有效擴(kuò)散。由于冬季不存在建筑自然通風(fēng)和利用的問題，因而無須考慮冬季的通風(fēng)情況。為了進(jìn)一步提高建筑室內(nèi)的通風(fēng)效果，可以適當(dāng)對(duì)建筑角度進(jìn)行調(diào)整，使用其與夏季主導(dǎo)風(fēng)向之間形成一定的角度，這樣就可以在熱壓、風(fēng)壓的共同作用下完成通風(fēng)。本項(xiàng)目自然通風(fēng)分析如圖4 所示，結(jié)果證實(shí)，室內(nèi)空氣齡均不大于30min，具有良好的自然通風(fēng)能力。

圖4 結(jié)合BIM 技術(shù)的場(chǎng)地風(fēng)環(huán)境模擬

5 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類和自然的關(guān)系日益緊張，全球變暖、能源危機(jī)問題不斷暴露，因而綠色建筑就成了建筑行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。綠色建筑設(shè)計(jì)理念當(dāng)中就體現(xiàn)出了環(huán)保性、節(jié)能性和可持續(xù)性，優(yōu)勢(shì)較為明顯，其與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展道路之間有著高度的同一性。BIM 技術(shù)的應(yīng)用則可以進(jìn)一步提高建筑工程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，目前BIM 技術(shù)已經(jīng)較多地應(yīng)用于建筑工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，而在綠色建筑設(shè)計(jì)方面則還需要進(jìn)一步探索，完善技術(shù)，積累經(jīng)驗(yàn)，才能為綠色建筑的設(shè)計(jì)起到更大的作用。