現(xiàn)有建筑物與BIM技術(shù)之間的聯(lián)系及應(yīng)用

楊威 胡晚亭 謝汪陽(yáng)

中國(guó)建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000

建筑信息模型（BIM）是以智能三維模型的形式將建筑物的物理和功能屬性表示出來。BIM提供了一個(gè)平臺(tái)，使得參與建筑項(xiàng)目的不同專業(yè)人員之間能夠共享有關(guān)項(xiàng)目的資源知識(shí)，從而幫助他們?cè)诠ぷ髦凶鞒鲇行У慕涣骷皼Q策。3D模型的開發(fā)始于1970年代，基于早期的管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），但建筑行業(yè)在使用3D模型方面比較滯后，因?yàn)樗麄內(nèi)匀桓矚g使用2D模型，并且因?yàn)楫?dāng)時(shí)的設(shè)備成本過高原因，從而3D模型技術(shù)無法在發(fā)展中國(guó)家萌芽。在 2000年代初期，建筑業(yè)引入了BIM模型，建筑師和工程師把BIM技術(shù)也應(yīng)用到了一些試點(diǎn)項(xiàng)目?，F(xiàn)階段，建筑行業(yè)的專業(yè)人士和學(xué)術(shù)界對(duì)BIM模型非常感興趣，因?yàn)锽IM在有效節(jié)省建筑資源方面具有許多優(yōu)勢(shì)。

1 BIM技術(shù)可優(yōu)化信息的內(nèi)容及綠色評(píng)級(jí)系統(tǒng)

1.1 需要考慮使用BIM技術(shù)來進(jìn)行優(yōu)化的信息

使用BIM開發(fā)的能源模擬模型應(yīng)盡可能減少建筑物中有害氣體的數(shù)量和排放到大氣中的有害氣體。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是另一個(gè)必須考慮的重要要求，用于翻新建筑物的材料不應(yīng)成為對(duì)環(huán)境造成污染的原因。

通過對(duì)以往的研究進(jìn)行討論，得出的結(jié)論是，在翻新、改造和生命周期管理中使用BIM對(duì)可持續(xù)性的影響首先取決于要為建筑物設(shè)計(jì)一個(gè)匹配的3D模型，然后不同的專家會(huì)在需要時(shí)使用模型中的信息提出解決方案。根據(jù)所進(jìn)行的案例研究，采用BIM進(jìn)行施工后管理已被證明可以節(jié)省資源和時(shí)間。它還提高了改造后建筑物的質(zhì)量[1]。BIM在已經(jīng)完成的項(xiàng)目的改造過程中的使用，效果十分出色。

1.2 綠色建筑評(píng)級(jí)系統(tǒng)

自從全世界開始倡導(dǎo)建設(shè)綠色建筑以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性以來，綠色建筑評(píng)級(jí)系統(tǒng)也隨之誕生。這些評(píng)級(jí)系統(tǒng)可以確定建筑物的可持續(xù)性或綠色程度的等級(jí)。綠色建筑評(píng)級(jí)起源于英國(guó)，基于最初的評(píng)級(jí)系統(tǒng)，世界上的其他國(guó)家也根據(jù)本國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)制定了適合自己國(guó)家的評(píng)級(jí)系統(tǒng)。盡管綠色建筑評(píng)級(jí)系統(tǒng)已經(jīng)使用了大約三十年，但是直到近年來建筑業(yè)才對(duì)環(huán)境和可持續(xù)性的綠色建筑加以關(guān)注。

值得注意的是，部分評(píng)級(jí)不能適用于所有類型的建筑物，因?yàn)槠渲胁糠衷u(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅與特定類型的建筑物相關(guān)聯(lián)，這意味著許多國(guó)家有多個(gè)評(píng)級(jí)系統(tǒng)正在使用，這給利益相關(guān)者帶來了對(duì)綠色建筑評(píng)估及其評(píng)級(jí)的困惑，對(duì)綠色建筑的發(fā)展造成了不小的阻礙。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2006年，世界市場(chǎng)上大約有34種環(huán)境評(píng)估工具或綠色評(píng)級(jí)系統(tǒng)。中國(guó)目前使用的綠色建筑評(píng)級(jí)系統(tǒng)（GBAS）已經(jīng)存在了較長(zhǎng)的時(shí)間，屬于在世界范圍內(nèi)比較成熟的評(píng)估系統(tǒng)。

2 BIM技術(shù)于改造項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)及困難

在對(duì)如何實(shí)現(xiàn)綠色建筑問題和可持續(xù)性以及如何使用BIM對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以使建筑實(shí)現(xiàn)更具有環(huán)保性的研究之后，可以發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)有建筑物翻新為更具有可持續(xù)性能的綠色建筑。眾所周知，施工過程對(duì)環(huán)境有廣泛的影響，例如二氧化碳排放，噪音污染、材料及資源消耗等。BIM軟件提供了各種解決方案，這些解決方案可以有效地減輕翻新和施工過程中的這些環(huán)境影響（埃爾根，阿金奇和加內(nèi)特 2016）。目前，可以測(cè)量房屋碳足跡的BIM模型已經(jīng)被開發(fā)使用，這類模型的使用可以使得工程師和設(shè)計(jì)師能夠就如何對(duì)建筑物進(jìn)行建模以向大氣中釋放較低水平的碳和其他氣體提供參考?；贐IM的軟件還能夠?qū)υ谑┕て陂g由于各分部分項(xiàng)之間缺乏協(xié)調(diào)，返工和因?yàn)椴煌到y(tǒng)集成不良而產(chǎn)生的建筑廢物進(jìn)行監(jiān)控并作出提醒。

現(xiàn)有的研究表明，BIM技術(shù)有助于減少翻新項(xiàng)目中的廢物產(chǎn)生，這是可持續(xù)建筑的一個(gè)突出方面體現(xiàn)。例如上海中心大廈，已經(jīng)表現(xiàn)出使用基于BIM的生命周期管理方法的許多好處，其能夠?qū)崿F(xiàn)低于8%的材料浪費(fèi)率，目前世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的平均材料浪費(fèi)率為10%。

在建筑物的運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)建筑物的綠色環(huán)保性能進(jìn)行監(jiān)控非常重要，這有助于建筑設(shè)計(jì)師，業(yè)主和承包商做出環(huán)保決策（沃爾克，施騰格爾和舒特曼 2014）。BIM軟件（如建筑物的能耗評(píng)估）提供了能源績(jī)效指數(shù)的圖形可視化參數(shù)。

BIM技術(shù)給參與項(xiàng)目維護(hù)和施工的不同利益相關(guān)者之間提供了一個(gè)共同的集成平臺(tái)，因此加強(qiáng)了他們之間的溝通和協(xié)作。社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展可以通過這種方式加強(qiáng)，因?yàn)楣餐脚_(tái)為不同的利益相關(guān)者提供了一個(gè)加強(qiáng)聯(lián)系的機(jī)會(huì)。然而，由于利益相關(guān)者缺乏對(duì)與之相關(guān)的好處的認(rèn)識(shí)，缺乏對(duì)運(yùn)營(yíng)和管理的信息交換的正確定義，并且沒有充分的定義符合建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和從業(yè)人員指南，因此BIM在項(xiàng)目管理中的使用仍然有限[2]。

3 BIM功能可針對(duì)的主要環(huán)保問題

3.1 水資源的使用問題

根據(jù)現(xiàn)有研究的數(shù)據(jù)，BIM技術(shù)可以根據(jù)建筑物中的居住人數(shù)以及建筑物的目的或類型來估算現(xiàn)有建筑物的用水量。BIM相關(guān)的工具除了能夠?qū)⒛M估算結(jié)果轉(zhuǎn)換為水成本報(bào)告并幫助房屋給排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之外，還有助于建筑物的建設(shè)方對(duì)給排水系統(tǒng)的未來翻新工程做出決策。然而，BIM工具對(duì)用水量的估計(jì)并不是十分精準(zhǔn)，因?yàn)閷?shí)際中還會(huì)有一些客觀因素因素存在，如項(xiàng)目的地理位置和居住者的使用行為變化等。

3.2 自然通風(fēng)系統(tǒng)

在世界范圍內(nèi)，建筑工程消耗的資源占資源使用的最大百分比。BIM應(yīng)用可以用于評(píng)估和優(yōu)化現(xiàn)有建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，改良能源消耗方式，并提高建筑物的熱舒適度（巴爾察維亞斯 1999）。BIM技術(shù)也能夠模擬計(jì)算自然通風(fēng)對(duì)建筑物的供暖和制冷系統(tǒng)的影響。

BIM技術(shù)可以應(yīng)用在通風(fēng)系統(tǒng)中的另一個(gè)方面是它可以幫助建設(shè)單位或者設(shè)計(jì)單位通過BIM模擬出來的結(jié)論選擇使用混合或自然模式的通風(fēng)方式，例如交叉通風(fēng)，單側(cè)通風(fēng)，開放式通風(fēng)等（德尼茲，埃辛 2015），有助于各方為現(xiàn)有建筑物選擇最有效和最可靠的機(jī)械通風(fēng)方法。因此，BIM模型的使用可以減少通風(fēng)產(chǎn)生的能源浪費(fèi)，這對(duì)推行可持續(xù)發(fā)展理念也有著重大的意義。

3.3 太陽(yáng)輻射和照明情況分析

BIM軟件可以對(duì)建筑物的內(nèi)部和外部照明情況進(jìn)行分析，它可以顯示一天中不同時(shí)間段太陽(yáng)相對(duì)于建筑物的位置，通過對(duì)太陽(yáng)位置的分析，設(shè)計(jì)單位可以優(yōu)化窗戶的位置及其尺寸，從而優(yōu)化建筑的照明情況（帕姆，愛德華2016）。BIM中的軟件還可以評(píng)估太陽(yáng)的熱量增益和損失以及建筑物表面上輻射熱的交換，工程師和設(shè)計(jì)師可以根據(jù)BIM軟件計(jì)算出的數(shù)據(jù)選擇最佳材料。建筑物的內(nèi)部和外部遮陽(yáng)方式可以使用BIM軟件來確定。BIM軟件用于通過采用詳細(xì)的照明條件分析來提高日光和視覺舒適度的利用率（庫(kù)斯 2015）。BIM還能夠概述照明條件的性能，以便工程師和設(shè)計(jì)師能夠在翻新和改造之前評(píng)估其性能。

盡管有上述所有好處，但發(fā)現(xiàn)BIM與照明和太陽(yáng)輻射模擬的集成有一個(gè)主要問題被不同的利益相關(guān)者提出，那就是模擬信息不足。大多數(shù)研究認(rèn)為，BIM軟件中的信息是創(chuàng)建用于照明模擬工具（如DAYSIM和Radiance）的文件所必需的。

3.4 熱舒適性

建筑物的舒適性應(yīng)由居住者的居住舒適性來判定。許多現(xiàn)有建筑的設(shè)計(jì)在沒有考慮熱舒適能力。決定熱舒適水平的主要因素包括氣溫、代謝率、穿著、風(fēng)速和濕度。BIM應(yīng)用程序通過模擬上述因素來評(píng)估熱舒適度。

在Revit中生成的模型（如IES-VE）可以模擬居住者在不同因素影響下對(duì)建筑熱舒適度進(jìn)行的評(píng)價(jià)，可以得出對(duì)建筑物熱舒適性不滿意程度的百分比，通過模擬得出的評(píng)價(jià)及不滿意度就可以作為評(píng)價(jià)建筑物熱舒適性的參考。

4 BIM技術(shù)在能源效率方面的應(yīng)用

4.1 能源模擬和優(yōu)化

基于BIM模型，可以使用能源分析軟件（如EnergyPlus、eQuest、DesignBuilder 等）對(duì)建筑物的能源消耗進(jìn)行模擬。這些軟件利用建筑物模型的信息，結(jié)合氣候數(shù)據(jù)和能源系統(tǒng)參數(shù)，模擬建筑物在不同條件下的能源消耗情況。能源模擬可以評(píng)估建筑物的整體能耗水平，包括供暖、制冷、通風(fēng)、照明等方面。能源模擬可以提供關(guān)于建筑物能源性能的詳細(xì)信息，如能源消耗量、能源成本、CO2排放量等。通過對(duì)不同設(shè)計(jì)方案和策略進(jìn)行模擬，可以比較它們的能源效益，從而選擇最佳的設(shè)計(jì)方案或改進(jìn)措施。能源模擬還可以用于預(yù)測(cè)建筑物的能源消耗趨勢(shì)，評(píng)估節(jié)能措施的有效性，并為能源管理和決策提供依據(jù)[3]。

在能源優(yōu)化過程中，BIM模型可以與優(yōu)化算法和工具集成，以尋找最佳的能源設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)建筑物模型進(jìn)行參數(shù)化和參數(shù)優(yōu)化，可以探索不同的設(shè)計(jì)變量和策略，以找到最佳的能源性能方案。

例如，可以通過調(diào)整建筑物的外墻保溫材料、窗戶類型和尺寸、建筑方向等參數(shù)來優(yōu)化建筑物的能源消耗。通過與BIM模型的集成，優(yōu)化算法可以自動(dòng)調(diào)整這些參數(shù)，并評(píng)估每個(gè)設(shè)計(jì)方案的能源性能。優(yōu)化過程可以迭代多次，直到找到最佳的能源優(yōu)化方案。能源優(yōu)化還可以結(jié)合其他建筑系統(tǒng)的優(yōu)化，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、太陽(yáng)能系統(tǒng)等。通過綜合考慮不同系統(tǒng)的優(yōu)化需求，可以實(shí)現(xiàn)整體能源效益的最大化。

4.2 可再生能源的集成

可再生能源的集成是指將太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉聪到y(tǒng)整合到建筑物中，以減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。BIM技術(shù)在可再生能源集成方面發(fā)揮了重要作用。首先，BIM可以支持可再生能源系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)。通過BIM軟件，可以對(duì)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或地?zé)崮芟到y(tǒng)進(jìn)行建模，包括組件、設(shè)備和連接方式。這使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠更好地規(guī)劃和布局可再生能源系統(tǒng)，以最大程度地利用可再生能源資源。其次，BIM技術(shù)可以用于模擬和評(píng)估可再生能源系統(tǒng)的性能。通過能源模擬軟件的結(jié)合，可以對(duì)建筑物在不同條件下的能源消耗和可再生能源供應(yīng)進(jìn)行模擬分析。這有助于評(píng)估可再生能源系統(tǒng)的潛在貢獻(xiàn)，包括發(fā)電量、系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)?；谶@些模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，確保可再生能源系統(tǒng)的有效集成和最佳性能。

4.3 節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的優(yōu)化

節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的優(yōu)化是通過BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)能源消耗進(jìn)行分析和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)能源效率的提升和節(jié)能目標(biāo)的達(dá)成。首先，BIM可以在建筑設(shè)計(jì)階段支持節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的選擇和布局。通過BIM模型，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以模擬和評(píng)估不同節(jié)能設(shè)備的性能和影響，包括高效照明系統(tǒng)、智能空調(diào)系統(tǒng)、節(jié)能建筑外殼等。BIM可以提供對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的三維可視化，幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更好地理解和決策，以選擇最佳的節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)。其次，BIM技術(shù)結(jié)合能源模擬軟件可以對(duì)節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行性能模擬和優(yōu)化。通過能源模擬，可以評(píng)估不同設(shè)備和系統(tǒng)配置對(duì)能源消耗的影響，并進(jìn)行能源效益分析。這有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)調(diào)整設(shè)備參數(shù)、優(yōu)化控制策略，以最大程度地降低能源消耗并滿足節(jié)能目標(biāo)。BIM模型與能源模擬的結(jié)合還可以提供對(duì)建筑能源效率的可視化，幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和利益相關(guān)者更好地理解和評(píng)估節(jié)能措施的效果。第三，BIM技術(shù)可以支持節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)測(cè)和管理。通過將BIM模型與建筑物的自動(dòng)化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行集成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析節(jié)能設(shè)備的運(yùn)行情況和能源消耗數(shù)據(jù)。這有助于發(fā)現(xiàn)潛在的能源浪費(fèi)和性能問題，并及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。通過運(yùn)營(yíng)階段的數(shù)據(jù)反饋和分析，可以不斷改進(jìn)節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的性能，提高能源效率。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在建筑的運(yùn)行維護(hù)和設(shè)施管理方面具有很大的潛力。然而，BIM在運(yùn)營(yíng)和設(shè)施管理方面的效益還沒有完全實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)有建筑沒有BIM模型，為現(xiàn)有建筑創(chuàng)建BIM模型是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的過程。本文從現(xiàn)有建筑的設(shè)施管理和運(yùn)營(yíng)的角度分析了現(xiàn)有建筑的BIM的現(xiàn)狀，并對(duì)BIM技術(shù)在綠色建筑可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望?？梢钥吹?，BIM技術(shù)在建筑運(yùn)行階段可以在許多方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，例如，應(yīng)用BIM技術(shù)可以更好地進(jìn)行設(shè)施管理的生命周期分析，可以分析可持續(xù)和高效的能源使用情況，可以改善成本效益，加強(qiáng)安全運(yùn)營(yíng)和管理，減少維修工作。

通過本文中的分析可以發(fā)現(xiàn)，BIM為建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)一些目標(biāo)提供了很大的幫助。BIM為不同專業(yè)及職能的工作人員提供了一個(gè)及時(shí)有效溝通的良好平臺(tái)，不僅大大提高了他們的工作效率和質(zhì)量，還為當(dāng)事人節(jié)省了大量的成本。通過BIM對(duì)建筑物的生命周期進(jìn)行分析，當(dāng)一些建筑構(gòu)件達(dá)到使用壽命結(jié)束時(shí)，可以有選擇地回收，從而節(jié)省了未來建筑施工的成本，也對(duì)環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。