BIM 在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段中的效益分析

朱海明ZHU Hai-ming；劉長(zhǎng)華LIU Chang-hua；邊金B(yǎng)IAN Jin

（廣東海洋大學(xué)海洋工程與能源學(xué)院，湛江 524005）

0 引言

近年來，由于全球范圍內(nèi)的CO2排放問題，氣候變化問題一直是人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。過度消耗能量，直接導(dǎo)致了二氧化碳的大量產(chǎn)生[1]。在許多西方發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑業(yè)幾乎占全球能源消耗的50%。研究表明，房屋施工在整個(gè)生命周期能耗中所占比例已經(jīng)達(dá)到46.5%，并且這個(gè)比例還在逐年上升，這意味著中國(guó)的建筑業(yè)所導(dǎo)致的碳排放問題越來越嚴(yán)峻。只有必須強(qiáng)化對(duì)建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的管理，才能實(shí)現(xiàn)中國(guó)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。綠色建筑的概念是以降低資源消耗、保護(hù)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的新型建筑。建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念及BIM 在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段的效益分析對(duì)于推動(dòng)建筑可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用至關(guān)重要。將BIM 集成到綠色建筑運(yùn)營(yíng)中，既可以提高管理效率，又能減少能源浪費(fèi)，增強(qiáng)可持續(xù)性，從而帶來環(huán)境和經(jīng)濟(jì)上的益處。因此開展關(guān)于我國(guó)綠色建筑與BIM 技術(shù)結(jié)合的研究工作顯得尤為重要。

1 BIM 技術(shù)

1.1 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

BIM 技術(shù)以3D 數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將技術(shù)數(shù)據(jù)模型與一系列相關(guān)信息相結(jié)合，提供協(xié)調(diào)一致、內(nèi)部一致且可操作的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)信息。BIM 并不是單一模型概念，而是從項(xiàng)目的全生命周期角度出發(fā)的若干模型的綜合。[3]其中BIM 技術(shù)特點(diǎn)如圖1 所示。

①模擬性。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件只能提供有限的建筑模擬，無(wú)法全面考慮現(xiàn)實(shí)世界中的各種復(fù)雜因素。相比之下，BIM 技術(shù)可以更加全面地模擬和分析建筑項(xiàng)目，綜合考慮諸如能源、環(huán)境、材料等因素。這種技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師更好地預(yù)測(cè)建筑的性能和效果，并提高整個(gè)設(shè)計(jì)過程的效率和質(zhì)量。[4]

②可視性。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方式只能使用簡(jiǎn)單的線條來描繪建筑工程構(gòu)造，無(wú)法提供詳盡的信息。相比之下，BIM 技術(shù)可以創(chuàng)建建筑項(xiàng)目模型，并提供包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、暖通空調(diào)和排水系統(tǒng)、電氣設(shè)計(jì)在內(nèi)的大量信息。這種技術(shù)可以促進(jìn)不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員之間的溝通和交流，使設(shè)計(jì)方案更加合理，提高建筑設(shè)計(jì)的效率，從而實(shí)現(xiàn)更好的可視性。[4]

1.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用的阻礙

①BIM 標(biāo)準(zhǔn)的多樣化一直是阻礙BIM 發(fā)展的主要因素。鑒于我國(guó)獨(dú)特的背景，國(guó)家主導(dǎo)的推廣政策是BIM 能否得到普遍的應(yīng)用的前提條件。政府及相關(guān)部門應(yīng)該與眾多利益相關(guān)者接觸，認(rèn)真聆聽他們的意見，共同制定一套統(tǒng)一、完整的BIM 標(biāo)準(zhǔn)，從而有利于建筑業(yè)各生命周期的工作人員之間的溝通交流。要實(shí)現(xiàn)BIM 在建筑行業(yè)的徹底革新，政府還需要發(fā)布更多的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、文件交付標(biāo)準(zhǔn)等。

②建筑行業(yè)中不同軟件之間的互操作性仍需改善，而中國(guó)建筑業(yè)中由于多種BIM 軟件的存在，信息孤島問題更加嚴(yán)重。因此應(yīng)制定數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)并加以管理，以實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的信息交流。同時(shí)，企業(yè)也應(yīng)意識(shí)到BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和好處，以促進(jìn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

③從BIM 培訓(xùn)方面來看，企業(yè)對(duì)員工智慧建筑信息軟件技術(shù)培訓(xùn)的投入率不足一半，其中BIM 軟件操作技術(shù)的培訓(xùn)率最低?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素可能是激勵(lì)企業(yè)積極使用BIM 的最大動(dòng)力，因此，政府應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上支持應(yīng)用BIM的企業(yè)，減輕企業(yè)的前期投入，定期邀請(qǐng)BIM 專家對(duì)其進(jìn)行培訓(xùn)和輔導(dǎo)，邀請(qǐng)專家進(jìn)行專題講座，開展經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)等方式，以加強(qiáng)對(duì)BIM 的普及和推廣。

④初始投資高、經(jīng)濟(jì)回報(bào)不可控，是企業(yè)應(yīng)用BIM 技術(shù)時(shí)面臨的普遍問題。雖然BIM 技術(shù)應(yīng)用有助于提高建筑效率和質(zhì)量，但其需要大量的初步投資，使得建筑企業(yè)很難控制成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要制定合理的投資計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)控制策略，以確保綠色建筑BIM 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)能夠達(dá)到預(yù)期效果。[5]

1.3 BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于BIM 技術(shù)可以為建筑項(xiàng)目帶來巨大的效益，BIM技術(shù)近幾年在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可。目前BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于前期設(shè)計(jì)階段，運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)用尚少，其可以大大優(yōu)化施工各環(huán)節(jié)開發(fā)完成度，并可以有效預(yù)測(cè)投資風(fēng)險(xiǎn)對(duì)施工過程產(chǎn)生重大影響。此外，BIM 技術(shù)還可以為綠色建筑的發(fā)展創(chuàng)造有利的環(huán)境，包括提高施工標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)防施工事故、降低投資成本等優(yōu)勢(shì)[5]。又因?yàn)閲?guó)家近幾年大力推進(jìn)建筑信息軟件的應(yīng)用，因此BIM 技術(shù)被越來越多的企業(yè)了解和使用，應(yīng)用情況如圖2 所示。

圖2 BIM 技術(shù)應(yīng)用情況

1.4 BIM 技術(shù)在綠色建筑運(yùn)營(yíng)管理的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的建筑運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理只在項(xiàng)目完全驗(yàn)收后才開始，而“綠色建筑”要求運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理者從規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段就確定建筑運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理目標(biāo)和策略，并隨著項(xiàng)目進(jìn)展不斷完善，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的概念。

在綠色建筑的運(yùn)營(yíng)管理中，綠色住宅和綠色公共建筑的專注點(diǎn)存在差異，如圖3 所示。綠色住宅建筑的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)管理的重點(diǎn)是社區(qū)綠化、信息管理和能源控制，而綠色公共建筑的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理側(cè)重于設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行從而降低物業(yè)管理的運(yùn)營(yíng)成本。BIM 技術(shù)在綠色住宅運(yùn)營(yíng)階段的主要價(jià)值體現(xiàn)在對(duì)建筑的空間、資產(chǎn)、設(shè)備、能耗和公共安全等方面的管理。通過BIM 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑空間的精準(zhǔn)管理，對(duì)資產(chǎn)和設(shè)備的全生命周期管理，對(duì)能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)控，以及對(duì)公共安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警。這些管理手段可以幫助業(yè)主和物業(yè)管理公司實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、智能的運(yùn)營(yíng)管理，提升建筑的品質(zhì)和價(jià)值。[6]在綠色公共建筑的運(yùn)營(yíng)階段，運(yùn)營(yíng)目標(biāo)既體現(xiàn)在“環(huán)?！鄙?，也體現(xiàn)在物業(yè)管理的實(shí)施控制上。BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)綠色公共建筑的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。它可以通過對(duì)噴水灌溉系統(tǒng)的控制，節(jié)約水資源，從而降低能源消耗，減少大氣污染；通過操作和維護(hù)平臺(tái)，統(tǒng)一操作建筑物中的空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)、照明設(shè)備、控制電梯系統(tǒng)和其他電氣燃?xì)庠O(shè)備，從而有效減少能源浪費(fèi)，并簡(jiǎn)化物業(yè)管理流程，消除潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低物業(yè)管理的運(yùn)營(yíng)成本。

圖3 BIM 技術(shù)在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段的效用

2 BIM 技術(shù)在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段中的效益分析

2.1 效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立原則

利用BIM 技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商可以更好地控制綠色建筑的運(yùn)營(yíng)，而評(píng)價(jià)指標(biāo)則是衡量綜合效益的基礎(chǔ)。雖然不同地區(qū)的綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各不相同，但是建立指標(biāo)體系時(shí)需要注意，指標(biāo)體系的建立會(huì)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和科學(xué)性。因此，在效益評(píng)價(jià)過程中，需要特別注重指標(biāo)體系的合理性。指標(biāo)體系建立原則有科學(xué)性、完整性、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)性、獨(dú)立性，可行性等，如圖4 所示。

圖4 效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立原則

2.2 層次分析法構(gòu)建效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

層次分析法是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再加權(quán)和的方法遞階歸并各備擇方案對(duì)總目標(biāo)的最終權(quán)重，此最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。層次分析法比較適合于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng)，而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題。[7]

①筆者邀請(qǐng)專家對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益進(jìn)行打分。本文利用層次分析法確定指標(biāo)之間的權(quán)重。指標(biāo)之間比較量化規(guī)定如表1 所示。

表1 指標(biāo)之間比較量化規(guī)定

表2 目標(biāo)層和指標(biāo)層判斷矩陣

表3 歸一化后各指標(biāo)的權(quán)重矩陣

②打分結(jié)果為：經(jīng)濟(jì)效益比社會(huì)效益稍微重要、經(jīng)濟(jì)效益比環(huán)境效益較強(qiáng)重要，社會(huì)效益比環(huán)境效益稍微重要。筆者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Z 的判斷矩陣。

③將其歸一化后得到權(quán)重ω。

通過權(quán)重可看出經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的權(quán)重大于社會(huì)效益和環(huán)境效益指標(biāo)，因此筆者在此著重分析經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)及其可能的二級(jí)指標(biāo)。通過大量的文獻(xiàn)收集工作以后筆者得出其二級(jí)指標(biāo)分別為：節(jié)水效益、節(jié)能效益、提高效率的效益和節(jié)約成本的效益。

經(jīng)濟(jì)效益客觀反映了在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段中使用BIM 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效果。其包括了在運(yùn)營(yíng)階段中在節(jié)約用水、節(jié)約能源、提高工作效率、節(jié)約成本等可能會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)收益。

①節(jié)約水資源的效益。

在運(yùn)營(yíng)階段中綠色建筑的用水情況比較多，包括生活用水、花園綠化用水等。運(yùn)用BIM 技術(shù)可以對(duì)綠色建筑進(jìn)行模擬和優(yōu)化，利用集成化的控制平臺(tái)精確控制各類型的用水。

②節(jié)約能耗的效益。

在建筑中耗能主要包括有照明用電、供水用電、電梯用電等情況。運(yùn)用BIM 技術(shù)可以通過能耗傳感器和數(shù)據(jù)對(duì)接口更好地檢測(cè)用能情況，通過BIM 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并加以管控，從而達(dá)到節(jié)約能源的效果。

③提高效率的效益。

以往建筑運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，通常都是安保人員于監(jiān)控室中發(fā)現(xiàn)異常情況，再電話通知維護(hù)人員，其到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)再對(duì)異常情況進(jìn)行確認(rèn)，最后再采取相應(yīng)措施。運(yùn)用BIM 技術(shù)后其會(huì)整合監(jiān)控、定位、報(bào)警系統(tǒng)，為維護(hù)人員提供高效的管理平臺(tái)，提高效率，從而取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

④節(jié)約成本的效益。

綠色建筑運(yùn)營(yíng)中物業(yè)公司難免會(huì)支出一些必要的日常運(yùn)行成本，如設(shè)備的更新、維護(hù)、日常運(yùn)行消耗、養(yǎng)護(hù)、清潔、處置垃圾、檢測(cè)等費(fèi)用。BIM 技術(shù)在設(shè)備日常運(yùn)行消耗費(fèi)用的節(jié)約上與傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)管理有相當(dāng)大的區(qū)別，BIM 的高效、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化性可以在運(yùn)營(yíng)階段中發(fā)揮作用，減少運(yùn)營(yíng)成本。

2.3 效益評(píng)價(jià)

BIM 技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師和建筑師更好地進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益的最大化。而效益分析則是一種重要的決策工具，可以幫助項(xiàng)目決策者在不同的設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)的方案，從而確保項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性。需要注意的是，在確定成本和效益措施時(shí)，必須應(yīng)用比較原則，以確定不完整的計(jì)劃和已實(shí)現(xiàn)的計(jì)劃之間的差異，并考慮計(jì)劃中對(duì)其他社會(huì)成員的經(jīng)濟(jì)水平及其直接和間接效益。在確定綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)用BIM 技術(shù)的成本效益指數(shù)時(shí)，需要考慮到可能存在支付轉(zhuǎn)移的條件。例如，城市內(nèi)外的環(huán)境效益無(wú)法貨幣化，因此需要采用間接計(jì)算的方法。為此，應(yīng)結(jié)合成本效益分析理論，提出一種具體方法來量化貨幣化指數(shù)，并計(jì)算BIM 技術(shù)的成本效益指數(shù)，以評(píng)估經(jīng)濟(jì)可行性。[3]

2.4 案例分析——綠色住宅建筑運(yùn)營(yíng)階段效益分析

據(jù)中國(guó)綠色建筑技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本效益分析研究報(bào)告[8]。截至2012 年8 月全國(guó)一至三星級(jí)綠色住宅面積分別為1499 萬(wàn)平方米、1576 萬(wàn)平方米和821 萬(wàn)平方米。圖5 為各星級(jí)綠色建筑在運(yùn)營(yíng)階段的節(jié)能節(jié)水?dāng)?shù)據(jù)，基于上文的經(jīng)濟(jì)分析指標(biāo)可以計(jì)算出直接效益：全國(guó)綠色住宅運(yùn)營(yíng)階段每年可以節(jié)水269.82-517.2（萬(wàn)噸）水、節(jié)能7420-11132（萬(wàn)）kWh，減排47968-50081（噸）二氧化碳。

圖5 數(shù)據(jù)來源：中國(guó)綠色建筑技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本效益分析

2.5 案例分析——公共建筑基于BIM 技術(shù)智慧運(yùn)營(yíng)節(jié)能改造案例

2.5.1 基本情況

某數(shù)據(jù)中心2006 年啟用，總面積達(dá)16000 多平方米，為華東地區(qū)大型專業(yè)數(shù)據(jù)中心之一。由于規(guī)模較大，用電量較高，改造前平均每天的設(shè)備用電為25.8 萬(wàn)度，平均每天的總用電為36.6 萬(wàn)度。目前，數(shù)據(jù)中心平均電價(jià)為0.6465 元/度，降低電費(fèi)成為數(shù)據(jù)中心的迫切需求。

2.5.2 改造情況

數(shù)據(jù)中心改造的對(duì)象是空調(diào)系統(tǒng)，運(yùn)用制冷系統(tǒng)智慧節(jié)能控制技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的信息技術(shù)及BIM 大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷源系統(tǒng)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)管和控制，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)制冷站系統(tǒng)的集中化、智能化、節(jié)能化管控，現(xiàn)場(chǎng)的智能管控設(shè)備通過遠(yuǎn)程通訊傳輸?shù)侥茉垂芾碓破脚_(tái)，可實(shí)現(xiàn)其對(duì)中央空調(diào)制冷站現(xiàn)場(chǎng)控制柜、本地控制中心、云平臺(tái)三位一體同步智能管控。

2.5.3 改造效果

如表4 所示，通過投入約728 萬(wàn)元進(jìn)行制冷系統(tǒng)智慧節(jié)能改造，數(shù)據(jù)中心在運(yùn)營(yíng)階段結(jié)合BIM 技術(shù)等智慧軟件年可實(shí)現(xiàn)節(jié)約電量560 萬(wàn)kWh，節(jié)約電費(fèi)超過364 萬(wàn)元，節(jié)能率達(dá)到15%。

表4 節(jié)能改造效益情況

3 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用，是一個(gè)重要的變革趨勢(shì)。雖然它已經(jīng)顯示出了自身的優(yōu)勢(shì)，但仍處在發(fā)展的起步階段，存在許多挑戰(zhàn)。本文研究探討了BIM 技術(shù)的特點(diǎn)，BIM 技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，BIM 在綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用特點(diǎn)，探討并利用層次分析法構(gòu)建效益分析體系以及對(duì)綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行效益分析，經(jīng)研究分析后筆者認(rèn)為BIM 技術(shù)如今在運(yùn)營(yíng)階段運(yùn)用尚不普遍的原因主要是前期企業(yè)投資過大、溝通成本高等。但這對(duì)中國(guó)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型具有重要意義，對(duì)世界可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的貢獻(xiàn)。在技術(shù)、管理、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境等方面，BIM 還存在著一些挑戰(zhàn)，包括缺乏統(tǒng)一的BIM 標(biāo)準(zhǔn)、BIM軟件之間的信息交流效果不佳、企業(yè)人員培訓(xùn)不足，政府和公司管理辦法不完善、初始投資高，經(jīng)濟(jì)回報(bào)不可控等。為了解決這些障礙，筆者提出了一些建議和措施，包括改變管理模式、對(duì)企業(yè)員工加強(qiáng)BIM 培訓(xùn)、政府加快財(cái)政支持、支持公司改善BIM 使用的激勵(lì)措施等。通過這些措施，可以更好地支持BIM 在運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段的使用，從而實(shí)現(xiàn)更好的效益和成果。同樣，本研究可以使其他國(guó)家更好地加速BIM 的發(fā)展，為全球建筑綠色化做出貢獻(xiàn)。