基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)材料選擇與可持續(xù)性評(píng)估

【摘要】為探討建筑信息模型（BIM）技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的材料選擇與可持續(xù)性評(píng)估方面的應(yīng)用，文中通過(guò)分析BIM技術(shù)的特點(diǎn)及其在材料選擇和可持續(xù)性評(píng)估中的優(yōu)勢(shì)，闡明BIM技術(shù)在推動(dòng)綠色建筑設(shè)計(jì)中的重要作用。文中系統(tǒng)地介紹了基于BIM的材料選擇方法和可持續(xù)性評(píng)估體系，并通過(guò)案例分析驗(yàn)證BIM技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，BIM技術(shù)能夠有效支持綠色建筑設(shè)計(jì)中的材料選擇與可持續(xù)性評(píng)估，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】BIM ；綠色建筑設(shè)計(jì)；材料選擇；可持續(xù)性評(píng)估

【中圖分類號(hào)】TU201.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0013-03

0 引言

隨著全球可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深入，綠色建筑設(shè)計(jì)受到諸多關(guān)注。如何在建筑設(shè)計(jì)中選擇合適的材料，并評(píng)估建筑的可持續(xù)性，成為當(dāng)前建筑行業(yè)面臨的重要課題。BIM技術(shù)作為一種新興的建筑信息集成與管理工具，為解決這一問(wèn)題提供了新的思路和方法。本文將深入探討B(tài)IM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的材料選擇與可持續(xù)性評(píng)估方面的應(yīng)用，為推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 BIM技術(shù)概述

1.1 BIM在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。越來(lái)越多的設(shè)計(jì)院和建筑企業(yè)開(kāi)始意識(shí)到BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并積極探索將其應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中。BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)階段都發(fā)揮著重要作用，從方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)到施工圖設(shè)計(jì)，BIM為設(shè)計(jì)提供了直觀、準(zhǔn)確的三維可視化環(huán)境，有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。BIM技術(shù)還為跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供了便捷的平臺(tái)，通過(guò)在同一模型中整合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等不同專業(yè)的設(shè)計(jì)信息，可以及早發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中的沖突和問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)變更和返工。目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多成功應(yīng)用BIM技術(shù)的建筑工程案例，BIM技術(shù)正在成為建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 BIM與綠色建筑設(shè)計(jì)的關(guān)系

BIM技術(shù)與綠色建筑設(shè)計(jì)有著天然的聯(lián)系。綠色建筑設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)建筑物在全生命周期內(nèi)的能源效率、資源節(jié)約和環(huán)境友好，這與BIM技術(shù)的理念不謀而合。利用BIM技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化建筑模型，可為綠色建筑設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的分析和優(yōu)化工具。通過(guò)BIM平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員能夠方便地進(jìn)行建筑性能模擬，如日照分析、能耗分析、通風(fēng)模擬等，評(píng)估建筑方案的可持續(xù)性，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)以達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)；BIM技術(shù)還能夠與綠色建筑評(píng)估體系相結(jié)合，在設(shè)計(jì)階段就對(duì)建筑的可持續(xù)性能進(jìn)行量化評(píng)估，指導(dǎo)設(shè)計(jì)決策[1]。BIM技術(shù)已成為推動(dòng)綠色建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的重要手段，二者的結(jié)合將有助于實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

2 基于BIM的材料選擇方法

2.1 BIM在建筑材料信息管理中的優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)為建筑材料信息的管理提供了全新的思路和方法。傳統(tǒng)的材料管理方式往往依賴于紙質(zhì)文檔和電子表格，信息散亂、難以共享，查詢和更新也較為繁瑣。而B(niǎo)IM可以將建筑材料的各種屬性信息與三維幾何模型無(wú)縫集成，形成一個(gè)完整、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)人員可以直觀地在模型中查看和編輯材料信息，并能夠自動(dòng)生成材料清單和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。BIM技術(shù)還支持不同材料信息的關(guān)聯(lián)和參數(shù)化，當(dāng)材料的某個(gè)屬性發(fā)生變化時(shí)，與之相關(guān)的其他信息也會(huì)同步更新。BIM平臺(tái)還方便了材料信息在不同專業(yè)和項(xiàng)目參與方之間的共享和協(xié)作，減少了信息傳遞的誤差和延遲?；贐IM技術(shù)的材料信息管理能夠顯著提高工作效率，確保材料信息的準(zhǔn)確性和一致性。

2.2 材料屬性與性能的參數(shù)化表達(dá)

BIM中的建筑材料的屬性與性能可通過(guò)參數(shù)化方式表達(dá)和管理。參數(shù)化將材料特性抽象為一組參數(shù)，建立參數(shù)間的邏輯關(guān)系和約束條件。例如，混凝土的強(qiáng)度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等可用相應(yīng)參數(shù)描述，見(jiàn)表1。這些參數(shù)間存在函數(shù)關(guān)系，通過(guò)參數(shù)化表達(dá)，材料屬性與性能可用數(shù)學(xué)語(yǔ)言精確定義，便于在BIM平臺(tái)中計(jì)算和分析。參數(shù)化還賦予材料屬性靈活性和可變性，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)調(diào)整參數(shù)優(yōu)化材料選擇和性能。材料屬性與性能的參數(shù)化表達(dá)是BIM技術(shù)在材料管理中的關(guān)鍵能力，為材料選擇和優(yōu)化提供有力工具。

2.3 綠色建筑設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)在BIM建模中材料選擇的區(qū)別

綠色建筑設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的主要差異在于前者更加注重環(huán)境友好性、資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展，而后者主要關(guān)注功能、美觀和經(jīng)濟(jì)性。這種理念上的差異直接影響了兩者在BIM建模中的材料選擇方法。

在BIM建模過(guò)程中，綠色建筑設(shè)計(jì)要求材料數(shù)據(jù)庫(kù)包含更多環(huán)境參數(shù)，如碳足跡和可回收率等，并進(jìn)行全面的性能模擬。運(yùn)用復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化算法，同時(shí)考慮環(huán)境影響、成本和性能，注重材料的全生命周期分析。相比之下，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)主要關(guān)注材料成本和基本物理性能[2]?？傮w而言，綠色建筑設(shè)計(jì)在BIM技術(shù)中的材料選擇更全面、復(fù)雜和環(huán)境導(dǎo)向。綠色建筑設(shè)計(jì)利用BIM技術(shù)進(jìn)行能耗分析、日照模擬和通風(fēng)優(yōu)化等，以提高建筑的整體環(huán)境性能；BIM技術(shù)還支持綠色建材信息的實(shí)時(shí)更新和共享，促進(jìn)可持續(xù)設(shè)計(jì)的實(shí)施和創(chuàng)新。

3 基于BIM的可持續(xù)性評(píng)估體系

3.1 可持續(xù)性評(píng)估體系的作用和意義

可持續(xù)性評(píng)估體系在綠色建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。LEED評(píng)估體系涵蓋場(chǎng)地可持續(xù)性、水資源利用、能源與大氣、材料與資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等類別。該體系通過(guò)量化指標(biāo)如年度能耗強(qiáng)度（kWh/m2．年）、水資源利用效率（L/人．天）為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供明確目標(biāo)。在能源方面，LEED要求建筑能耗比基準(zhǔn)值降低10%～50%，指導(dǎo)設(shè)計(jì)師優(yōu)化外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、選擇高效設(shè)備系統(tǒng)。評(píng)估體系還促進(jìn)創(chuàng)新，鼓勵(lì)使用可再生能源，采用雨水收集系統(tǒng)。項(xiàng)目通過(guò)評(píng)估獲得認(rèn)證，不僅提升建筑價(jià)值，還能享受多種優(yōu)惠?？沙掷m(xù)性評(píng)估體系通過(guò)明確指標(biāo)和激勵(lì)措施，推動(dòng)建筑行業(yè)向可持續(xù)方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

3.2 BIM在可持續(xù)性評(píng)估中的作用

BIM技術(shù)為可持續(xù)性評(píng)估提供多方面支持。BIM包含精確的建筑信息，如幾何尺寸、材料屬性等，直接用于計(jì)算評(píng)估指標(biāo)。評(píng)估建筑節(jié)能性能時(shí)，BIM中的墻體構(gòu)造、窗墻比等信息可導(dǎo)入能耗模擬軟件，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和效率。Autodesk Revit集成的Insight插件可進(jìn)行全年能耗、自然采光等分析，為L(zhǎng)EED評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)便于方案比較和優(yōu)化，設(shè)計(jì)師可在模型中調(diào)整參數(shù)，如改變外墻保溫厚度、調(diào)整遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，通過(guò)重復(fù)模擬分析找出最優(yōu)方案[3]。BIM技術(shù)支持材料統(tǒng)計(jì)和碳排放計(jì)算，有助于評(píng)估材料環(huán)境影響。利用BIM可計(jì)算項(xiàng)目混凝土用量，結(jié)合碳排放因子估算施工階段碳足跡。BIM技術(shù)為可持續(xù)性評(píng)估提供全面、精確、高效的技術(shù)支持，推動(dòng)綠色建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展。

3.3 基于BIM的可持續(xù)性評(píng)估方法

基于BIM技術(shù)的可持續(xù)性評(píng)估方法包括以下步驟 ：在Revit等BIM軟件中建立詳細(xì)建筑模型，包括準(zhǔn)確幾何信息、材料屬性和設(shè)備參數(shù)。根據(jù)LEED認(rèn)證等需求確定評(píng)估指標(biāo)。利用BIM軟件內(nèi)置功能或第三方插件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和性能模擬。Revit的Materials Takeoff功能可統(tǒng)計(jì)材料用量，計(jì)算可回收材料比例。Ecotect或IES-VE軟件用于能耗、日照、自然通風(fēng)等模擬分析。將模擬結(jié)果與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，計(jì)算得分。能源方面，比較模擬得到的年度能耗與ASHRAE 90.1標(biāo)準(zhǔn)值，確定節(jié)能百分比和對(duì)應(yīng)得分?；谠u(píng)估結(jié)果在BIM中優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整窗墻比、增加遮陽(yáng)設(shè)施等，重復(fù)上述過(guò)程至達(dá)預(yù)期目標(biāo)[4]。BIM作為信息中心，確保數(shù)據(jù)一致性和可追溯性，提高評(píng)估準(zhǔn)確性和效率。

4 基于BIM的可持續(xù)性評(píng)估案例分析

4.1 工程概況

某大型公共建筑項(xiàng)目位于華東地區(qū)，總建筑面積52 000 ㎡，包括一棟20層辦公塔樓、4層商業(yè)裙樓和2層地下車(chē)庫(kù)。項(xiàng)目采用LEED v4.1版本進(jìn)行綠色建筑認(rèn)證，目標(biāo)為金級(jí)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用Autodesk Revit 2023建立BIM，結(jié)合Autodesk Insight、IES-VE和Ecotect等軟件進(jìn)行性能分析。項(xiàng)目的主要綠色設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括雙層呼吸式幕墻系統(tǒng)、屋頂光伏發(fā)電、雨水收集系統(tǒng)、地源熱泵和智能樓宇管理系統(tǒng)。BIM涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、MEP等專業(yè)，LOD達(dá)到350級(jí)別，包含詳細(xì)的幾何信息、材料屬性和設(shè)備參數(shù)，為可持續(xù)性評(píng)估提供了全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在方案設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行可持續(xù)性分析，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程。

4.2 基于BIM的LEED評(píng)估過(guò)程

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先在Revit中構(gòu)建高精度BIM，涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)和MEP系統(tǒng)。模型包含精確的幾何尺寸、材料熱工性能和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。例如，外墻系統(tǒng)模型化至構(gòu)造層級(jí)，包括飾面、保溫、防水等各層材料屬性；機(jī)電設(shè)備模型包含能效等級(jí)、運(yùn)行曲線等參數(shù)。團(tuán)隊(duì)依據(jù)LEED v4.1標(biāo)準(zhǔn)，確定能源與大氣、材料與資源、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)。

利用Revit的Material Takeoff功能，團(tuán)隊(duì)提取詳細(xì)的材料清單，包括各類材料的體積、面積和重量。隨后使用定制的Dynamo腳本，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)EED所需的格式，如計(jì)算可回收材料比例、VOC含量等指標(biāo)。在能源性能模擬中，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用Insight插件進(jìn)行參數(shù)化分析，調(diào)整了外墻保溫厚度、窗墻比、遮陽(yáng)系統(tǒng)等50多個(gè)參數(shù)，最終確定使用150 mm真空絕熱板，U值0.15 W/（m2.K），作為外墻保溫方案。HVAC系統(tǒng)采用COP 5.2的高效VAV系統(tǒng)，并通過(guò)BIM優(yōu)化了管道布局，減少系統(tǒng)壓力損失。

室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估中，利用Insight進(jìn)行全年日光動(dòng)態(tài)模擬，分析辦公區(qū)域的有效日光照度。通過(guò)調(diào)整窗戶尺寸和布局，使95%的常用辦公空間達(dá)到300 lx以上的自然采光標(biāo)準(zhǔn)；利用IES-VE軟件進(jìn)行CFD分析，模擬建筑內(nèi)部氣流組織，優(yōu)化了自然通風(fēng)效果。通過(guò)增加中庭和可開(kāi)啟窗面積，實(shí)現(xiàn)了70%的辦公時(shí)間可采用自然通風(fēng)。

基于模擬結(jié)果，計(jì)算了LEED各項(xiàng)指標(biāo)得分。在能源與大氣（EA）類別，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)比ASHRAE 90.1—2010基準(zhǔn)降低35%的能耗，獲得16分。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)迅速評(píng)估了多個(gè)優(yōu)化方案，流程見(jiàn)圖1。例如，在南立面增加動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)系統(tǒng)，通過(guò)BIM分析遮陽(yáng)角度和控制策略，進(jìn)一步降低夏季冷負(fù)荷8%。最后利用Revit的Schedules功能，自動(dòng)生成包含能耗分析、材料用量、室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)等在內(nèi)的綜合評(píng)估報(bào)告和可視化圖表，為L(zhǎng)EED認(rèn)證申請(qǐng)?zhí)峁┝擞辛χС帧?/p>

4.3 評(píng)估結(jié)果與優(yōu)化

通過(guò)BIM技術(shù)輔助的LEED評(píng)估過(guò)程，項(xiàng)目最終獲得75分，達(dá)到金級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

基于評(píng)估結(jié)果，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。①在能源方面，增加了南立面電動(dòng)遮陽(yáng)板，降低夏季冷負(fù)荷8%。②在材料方面，將部分非承重墻改為輕質(zhì)隔墻，減少混凝土用量12%。③在室內(nèi)環(huán)境方面，頂層增設(shè)三個(gè)風(fēng)塔，提高自然通風(fēng)時(shí)間至80%。些優(yōu)化措施將LEED得分提高至77分，接近鉑金級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化后的方案年度節(jié)能增加到43%，相當(dāng)于減少CO2排放150 t[5]。本案例充分展示了BIM技術(shù)可持續(xù)性評(píng)估方法在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用。BIM技術(shù)貫穿整個(gè)評(píng)估過(guò)程，從數(shù)據(jù)提供、性能模擬到方案優(yōu)化，大大提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性和效率。這種方法，有助于獲得更高的綠色建筑認(rèn)證等級(jí)，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的節(jié)能減排，為類似項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)建筑材料的合理選擇和可持續(xù)性評(píng)估提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。通過(guò)BIM平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員能夠更加全面、準(zhǔn)確地掌握建筑材料的性能參數(shù)，并借助多目標(biāo)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)材料選擇的科學(xué)決策。BIM技術(shù)與建筑性能模擬的集成，使得建筑全生命周期的可持續(xù)性評(píng)估成為可能，為綠色建筑的設(shè)計(jì)提供了量化的依據(jù)。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展，BIN技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將更加深入和廣泛，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

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[作者簡(jiǎn)介]俞秀芳（1979—），女，江西德興人，本科，工程師，研究方向：冶金建筑。