BIM技術(shù)在綠色建筑中的實(shí)踐研究

朱 妍

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232000)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù),又稱(chēng)建筑信息模型,通過(guò)將建筑設(shè)計(jì)信息傳輸至模型中,實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、水電、消防、園林等專(zhuān)業(yè)的信息整合,為工程的高效管理、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、信息共享等提供了水平先進(jìn)的數(shù)字建造平臺(tái),以BIM技術(shù)助力綠色建筑。 BIM的3D可視化、能效分析、仿真維護(hù)和改造過(guò)程可以對(duì)建筑環(huán)境、資源能耗進(jìn)行分析和模擬,優(yōu)化方案,為綠色建筑提供科學(xué)的決策依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)BIM在綠色建筑中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的討論。Yu Cao等[1]對(duì)綠色建筑建造階段的BIM能力進(jìn)行了系統(tǒng)性檢視。結(jié)果表明,BIM在綠色建筑建造階段的項(xiàng)目質(zhì)量改進(jìn)、生命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、協(xié)作優(yōu)化、規(guī)劃和進(jìn)度管理優(yōu)化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。Tahmasebinia Faham等[2]利用回歸模型,對(duì)BIM工具開(kāi)發(fā)的綠色建筑進(jìn)行能源模擬,研究發(fā)現(xiàn),在相同的建筑條件下,菱形建筑的能耗最高,而三角形建筑通過(guò)基于Autodesk Kits、帶有Doe-2引擎的綠色建筑工作室(GBS)等七個(gè)基本原型建筑模型的能耗模擬,顯示了最高效的能源性能。趙欽等[3]總結(jié)了當(dāng)前BIM技術(shù)在綠色建筑應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題和不足,并提出進(jìn)一步應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠色化建設(shè)的建議。張智健等[4]以某住宅樓為例通過(guò)BIM技術(shù)及Ecotect軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析并優(yōu)化了其采光條件、熱環(huán)境條件及節(jié)能潛力。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,以松山湖臺(tái)灣園北部學(xué)校為研究對(duì)象,以資源消耗、能源利用、生態(tài)環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境作為評(píng)價(jià)核心,結(jié)合層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià),驗(yàn)證該方法的實(shí)用性,為后續(xù)研究提供參考[5]。

1 構(gòu)件評(píng)估框架

1.1 各國(guó)評(píng)價(jià)體系對(duì)比

田嬌等[6]對(duì)比了英國(guó)BREEAM、美國(guó)LEED和我國(guó)的ESGB后指出:BREEAM和LEED具有較強(qiáng)的可適用性,包含了整個(gè)建筑的生命周期,而我國(guó)ESGB僅停留在建筑的規(guī)劃與設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)階段,缺少在材料與構(gòu)件生產(chǎn)、拆除與處理方面的評(píng)價(jià),使得評(píng)價(jià)體系的完整性下降。雖然都是綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但是由于各國(guó)的綠色建筑評(píng)價(jià)體系的背景和出發(fā)點(diǎn)不同,考慮的相關(guān)指標(biāo)也不相同,在評(píng)價(jià)方法和內(nèi)容上都有較大的差別,不能直接用于本研究,只能作為參考。同時(shí),未來(lái)的評(píng)估過(guò)程應(yīng)考慮到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估框架。研究者們[7-11]已經(jīng)對(duì)評(píng)估框架進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1.2 建立評(píng)價(jià)體系

1.2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱(chēng)AHP)是指通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)、方案、準(zhǔn)則或指標(biāo)然后進(jìn)行相對(duì)重要性排序、構(gòu)造判斷矩陣、一致性檢驗(yàn)、計(jì)算相對(duì)權(quán)重的方法。主要有兩種類(lèi)型,基于專(zhuān)家判斷矩陣的層次分析法和基于多準(zhǔn)則決策圖的層次分析法,在實(shí)際工作中,兩種方法通常結(jié)合使用。

1.2.2 構(gòu)建綠色建筑性能評(píng)價(jià)體系

建立模糊綜合評(píng)價(jià)體系:以實(shí)際情況并結(jié)合其他研究者的研究成果建立合適的評(píng)價(jià)框架,本研究將采用的評(píng)價(jià)體系如表1所示。

表1 綠色建筑環(huán)境性能評(píng)價(jià)體系

1.2.3 指標(biāo)體系建立原則

本研究通過(guò)BIM模型、CAD圖紙進(jìn)行打分,具備以下五方面的原則:

1)科學(xué)性原則;2)完備性原則;3)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)原則;4)獨(dú)立性原則;5)可操作性原則。

2 綠色建筑環(huán)境性能評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 Matlab計(jì)算權(quán)重

Matlab(矩陣實(shí)驗(yàn)室)是美國(guó)MathWorks公司出品的基礎(chǔ)型數(shù)學(xué)軟件系統(tǒng),是數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域領(lǐng)先的數(shù)學(xué)技術(shù)應(yīng)用之一,主要用于行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣,比其他語(yǔ)言更容易解決問(wèn)題,所以本研究采用Matlab進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和計(jì)算權(quán)重。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法的概念

模糊綜合評(píng)價(jià)法是指利用隸屬函數(shù)將各評(píng)價(jià)因素的重要程度進(jìn)行綜合量化,并用隸屬度來(lái)表示的一種定性方法。它是綜合分析復(fù)雜的系統(tǒng),從系統(tǒng)整體出發(fā),以較少的主觀因素為依據(jù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià),避免了專(zhuān)家主觀的局限性。這種方法在很大程度上彌補(bǔ)了專(zhuān)家在評(píng)價(jià)過(guò)程中信息不足、知識(shí)匱乏等缺點(diǎn),能較好的解決模糊和難以量化的問(wèn)題,適用于各非確定性問(wèn)題的解決。由于模糊評(píng)價(jià)是建立在模糊數(shù)學(xué)理論上的,其運(yùn)算步驟具有一定程度的模糊性。

2.2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法的步驟

1)構(gòu)建判斷矩陣:構(gòu)建評(píng)語(yǔ)集:V=(v1,v2,…,vn),其中,vj為第j種評(píng)價(jià)結(jié)果可根據(jù)不同的等級(jí)、評(píng)語(yǔ)或數(shù)字表示,這里V=(v1,v2,v3,v4,v5)=(90,80,70,60,0)=(深綠,綠,淺綠,合格,不合格),各因素的權(quán)重集合的模糊集用W表示:W=(w1,w2,…,wm)。

2)構(gòu)建隸屬矩陣:通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分法獲得評(píng)價(jià)矩陣,若因素集U中第i個(gè)元素對(duì)評(píng)價(jià)集V中第i個(gè)元素的隸屬度為ri1,則對(duì)第i個(gè)元素單因素的評(píng)價(jià)的結(jié)果用模糊集合表示為:Ri=(ri1,ri2,…,rin),以m個(gè)單因素評(píng)價(jià)集R1,R2,…,Rm為行組成矩陣Rm×n稱(chēng)為模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

3)合成隸屬矩陣和權(quán)重:B=W1m×Rmn=(b1,b2,…,bn)。

4)確定系統(tǒng)總得分:綜合評(píng)價(jià)模型確定后,確定系統(tǒng)得分,D=B1×n×K1×n。其中,D為總得分;K為V中相應(yīng)因素的級(jí)分。

3 實(shí)際項(xiàng)目分析

3.1 項(xiàng)目概況

松山湖臺(tái)灣園北部學(xué)校項(xiàng)目位于北緯廣東省東莞市23.02°,東經(jīng)113.45°,氣候分區(qū)為夏熱冬暖南區(qū),建筑主要功能為教室、辦公、宿舍、餐廳等,地下為停車(chē)庫(kù)、設(shè)備用房、餐廳等,項(xiàng)目用地面積為33 586 m2,建筑高度為46.15 m,項(xiàng)目建筑面積為72 402.43 m2,其中地上面積為50 559.12 m2,地下面積為21 843.31 m2。 建筑節(jié)能計(jì)算體積為36 053.24 m3,外表面積為13 726.86 m2。外墻太陽(yáng)輻射系數(shù)為0.75,屋頂太陽(yáng)輻射系數(shù)為0.75。本項(xiàng)目綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)為二星級(jí),根據(jù)ESGB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià),得分為72.2(見(jiàn)表2)。

3.2 信息提取

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙以及計(jì)算書(shū)提取相應(yīng)數(shù)據(jù),無(wú)法量化的指標(biāo)采用專(zhuān)家評(píng)分法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1)室內(nèi)自然采光:本項(xiàng)目為學(xué)校建筑,室內(nèi)隔斷較少,整體有利于室內(nèi)自然采光,有利于改善室內(nèi)的自然采光均勻度,降低室內(nèi)眩光。項(xiàng)目天花板和內(nèi)墻面均采用淺色材料飾面,增加了其可見(jiàn)光反射比,有利于增加室內(nèi)墻體的背景亮度,縮減室內(nèi)和外窗的背景亮度差,從而緩解室內(nèi)眩光。主要功能房間動(dòng)態(tài)采光滿(mǎn)足要求。所有區(qū)域照明功率密度均滿(mǎn)足目標(biāo)值要求;人員長(zhǎng)期停留區(qū)域采用無(wú)危險(xiǎn)類(lèi)照明產(chǎn)品;LED照明燈具的光輸出波形的波動(dòng)深度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)室內(nèi)聲環(huán)境:外墻采用水泥砂漿200 mm+擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(帶表皮)20 mm+水泥砂漿20 mm+加氣混凝土、泡沫混凝土(ρ=700)200 mm+石灰砂漿20 mm,空氣隔聲量為46 dB;內(nèi)墻采用水泥砂漿15 mm+蒸壓加氣混凝土砌塊200 mm,空氣隔聲量為47 dB,樓板采用水泥砂漿20 mm+隔音膠凝20 mm+鋼筋混凝土120 mm,空氣隔聲量為47 dB,撞擊聲聲壓級(jí)為63 dB;外窗采用斷熱鋁合金窗+透明玻璃(5 mm～6 mm),空氣隔聲量為27 dB,構(gòu)件均滿(mǎn)足要求;室內(nèi)最不利房間的室內(nèi)噪聲級(jí)達(dá)到低標(biāo)準(zhǔn)限值和高要求標(biāo)準(zhǔn)限值的平均值,場(chǎng)地噪聲介于2類(lèi)與3類(lèi)聲環(huán)境之間。

3)室內(nèi)熱環(huán)境:本項(xiàng)目采用分體機(jī)、多聯(lián)機(jī),室內(nèi)主要空間空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)中溫度、濕度、新風(fēng)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,末端可獨(dú)立控制溫度,隔熱滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,能效值不低于2級(jí)能效,多聯(lián)機(jī)能效值比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求提高8%以上。室內(nèi)主要空間滿(mǎn)足Ⅱ級(jí)的面積比例為100%。

4)日照時(shí)間分析:本項(xiàng)目教室滿(mǎn)足冬至日不小于2 h的標(biāo)準(zhǔn),宿舍滿(mǎn)足日照要求。

5)可循環(huán)材料使用:本項(xiàng)目可再循環(huán)材料用量占比達(dá)到12.4%。

6)節(jié)地與地下空間利用:本項(xiàng)目地下室建筑面積與用地面積的比大于0.5。

7)采暖與空調(diào)能耗見(jiàn)表3。

表3 全年供暖和空調(diào)總耗電量 kW·h/m2

8)公共配套設(shè)施:本項(xiàng)目?jī)?nèi)部停車(chē)場(chǎng)、公共綠地對(duì)外開(kāi)放;教室、會(huì)議廳等在非上課時(shí)間對(duì)外開(kāi)放;充電樁停車(chē)位數(shù)量占比為29%;周邊500 m內(nèi)有停車(chē)場(chǎng)。本項(xiàng)目室外健身場(chǎng)地為環(huán)形田徑場(chǎng)、3棟專(zhuān)用教學(xué)樓屋頂網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)與1棟教學(xué)樓一層籃球場(chǎng)、屋頂游泳池,面積為5 005 m2,總用地面積為33 586 m2,則室外健身場(chǎng)地面積占總用地面積的14.9%;室內(nèi)健身場(chǎng)地設(shè)于體育館,地下室兒童保齡球室面積為2 780.8 m2,占地上建筑面積的比例為5%;各棟建筑均設(shè)有自然采光良好的樓梯間,距離建筑出入口為2 m。

9)自然資源直接利用:宿舍熱水均采用空氣源熱泵提供。

10)綠植覆蓋率:本項(xiàng)目為小學(xué),校區(qū)內(nèi)綠化對(duì)外開(kāi)放,場(chǎng)內(nèi)綠地種植鳳凰木、芒果、火焰木、大葉紫薇、小葉欖仁等,綠化方式采用復(fù)層綠化。

3.3 項(xiàng)目環(huán)境性能評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

3.3.1 基于專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)集的判斷矩陣

通過(guò)對(duì)臺(tái)灣園北部學(xué)校相關(guān)資料進(jìn)行分析,計(jì)算結(jié)果如表4—表8所示。

表4 綠色建筑環(huán)境性能評(píng)價(jià)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

3.3.2 隸屬度矩陣構(gòu)建

通過(guò)專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分,得出以下隸屬度矩陣:

3.3.3 模糊綜合評(píng)估

首先進(jìn)行單因素評(píng)估:

B1=WB1×RB1=(0.184 4 0.050 9 0.764 7 0 0)。

B1=WB1×RB1=

(0.130 2 0.783 9 0.052 0 0.015 9 0)。

B1=WB1×RB1=

(0.230 0 0.321 4 0.373 6 0.078 3 0.028 7)。

B1=WB1×RB1=(0.136 5 0.863 5 0 0 0)。

B=WA×R=(0.166 0 0.623 0 0.184 8 0.024 3 0.008 0)。

D=B×V=79.174。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以松山湖臺(tái)灣園北部學(xué)校為研究對(duì)象,結(jié)合層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,松山湖臺(tái)灣園北部學(xué)校的得分為79.174分,綠色等級(jí)介于綠和淺綠之間,環(huán)境性能良好,與ESGB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的預(yù)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)相差不大,證明了這種評(píng)估方法的可行性。不過(guò)這種方法仍然需要更多的項(xiàng)目案例進(jìn)行測(cè)試,需要研究人員對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)及優(yōu)化,降低各個(gè)指標(biāo)的主觀性,使結(jié)果更加客觀。