BIM技術(shù)在綠色建筑及裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

摘要：隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，綠色建筑和裝配式建筑成為建筑行業(yè)的新趨勢(shì)。建筑信息模型（BIM）技術(shù)，作為一種集成化的設(shè)計(jì)和管理工具，其在這一領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。本文研究了BIM技術(shù)在綠色建筑和裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，分析了其如何通過高效的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理，促進(jìn)建筑項(xiàng)目的可持續(xù)性。BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行能效分析，優(yōu)化材料選擇，減少建筑廢料；在施工階段，通過精確的構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工模擬，提高施工效率，降低成本；在運(yùn)營(yíng)階段，為設(shè)施管理和維護(hù)提供了詳細(xì)的信息支持。本文通過案例分析，展示了BIM技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用效果，指出了其在推動(dòng)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要作用。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；綠色建筑；裝配式建筑；可持續(xù)發(fā)展；設(shè)計(jì)優(yōu)化

DOI：10.12433/zgkjtz.20242235

一、BIM技術(shù)概述

建筑信息模型技術(shù)（Building Information Modeling，BIM）的誕生，是建筑行業(yè)中信息技術(shù)的一次重大飛躍，這一技術(shù)的原理是創(chuàng)建一個(gè)全面的數(shù)字模型，即建筑物的數(shù)字雙胞胎，來精確地模擬建筑物的各種物理和功能特性，該模型包含了建筑的幾何形狀以及時(shí)間維度、成本信息、建筑組件的屬性、維護(hù)運(yùn)營(yíng)信息等多方面數(shù)據(jù)。它的核心優(yōu)勢(shì)在于促進(jìn)了多學(xué)科團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同工作，設(shè)計(jì)師、工程師、施工人員乃至項(xiàng)目管理者都能在這個(gè)共享的虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)即時(shí)的交流和協(xié)作，它具有良好的協(xié)作性以及準(zhǔn)確性，使整個(gè)決策過程得到了有效優(yōu)化，在BIM的應(yīng)用下，整個(gè)建筑項(xiàng)目從概念設(shè)計(jì)到施工再到后期維護(hù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都變得更加高效。BIM技術(shù)能夠預(yù)先在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，以減少實(shí)際施工中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及浪費(fèi)，大大節(jié)約了工程成本，縮短了項(xiàng)目周期，同時(shí)還為可持續(xù)建筑實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。由此可見，BIM不僅作為一種軟件工具發(fā)揮作用，而且它代表著工作方法的全面創(chuàng)新，它的應(yīng)用使得傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和施工流程發(fā)生顛覆性變化，引領(lǐng)著建筑行業(yè)走向更高效、更前沿的未來。

二、BIM技術(shù)在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）能效分析與優(yōu)化

在綠色建筑設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為推動(dòng)建筑項(xiàng)目向著更加可持續(xù)發(fā)展方向邁進(jìn)的關(guān)鍵力量。通過利用BIM模型進(jìn)行能效分析與優(yōu)化，設(shè)計(jì)師能夠在項(xiàng)目的早期階段就對(duì)建筑物的能源消耗進(jìn)行精確的模擬。這種模擬不僅包括了建筑物的熱能需求、冷暖氣負(fù)荷，以及光照和通風(fēng)效果，還能夠預(yù)測(cè)未來的能源使用情況和成本。設(shè)計(jì)師可以利用這些數(shù)據(jù)來比較不同的設(shè)計(jì)方案，評(píng)估它們?cè)谀茉葱?、成本效益以及環(huán)境影響等方面的表現(xiàn)。這樣的分析使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠作出更加明智的決策，選擇那些既能滿足建筑功能需求，又能最大限度減少能源消耗和環(huán)境影響的方案。

（二）材料選擇與循環(huán)利用

在材料選擇與循環(huán)利用方面，BIM技術(shù)同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。它提供了一個(gè)多維度的平臺(tái)，設(shè)計(jì)師可以在其中評(píng)估和選擇各種建筑材料和產(chǎn)品。BIM數(shù)據(jù)庫中包含了豐富的材料庫，這些材料的環(huán)境屬性如碳足跡、生命周期成本和回收潛力都得到了詳細(xì)的記錄。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)這些信息來選擇那些環(huán)境影響最小的材料，同時(shí)考慮到建筑物在使用壽命結(jié)束后的拆解和材料回收。

（三）施工過程管理

至于施工過程管理，BIM技術(shù)提供一個(gè)精確的施工規(guī)劃工具，使得施工團(tuán)隊(duì)能夠在施工前就進(jìn)行詳細(xì)的材料和資源規(guī)劃。通過BIM模型，施工團(tuán)隊(duì)可以清晰地了解到每個(gè)階段所需材料的具體數(shù)量和規(guī)格，這有助于減少現(xiàn)場(chǎng)的材料浪費(fèi)和過度采購(gòu)。此外，BIM技術(shù)還能夠模擬施工過程，幫助團(tuán)隊(duì)優(yōu)化施工順序和邏輯，減少施工過程中的沖突和返工。這種高效的施工管理不僅提高了施工速度和質(zhì)量，也降低了建筑項(xiàng)目的整體環(huán)境影響。

三、BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）精確構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造

在裝配式建筑設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)的應(yīng)用為整個(gè)建筑過程帶來了革命性的改變，尤其體現(xiàn)在構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造的精確性方面，BIM技術(shù)能夠創(chuàng)建詳盡的數(shù)字化構(gòu)件庫，使每個(gè)構(gòu)件都帶有精確的尺寸、材料屬性和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這種精確的數(shù)字模擬確保了構(gòu)件在生產(chǎn)過程中可以達(dá)到高度的標(biāo)準(zhǔn)化和定制化，極大地減少了因尺寸不準(zhǔn)確或設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。在裝配式建筑中的核心理念為構(gòu)件的預(yù)制化，BIM技術(shù)借助自身高度精確的模擬確保了預(yù)制構(gòu)件能夠在到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)前預(yù)先完成大部分的質(zhì)量和功能檢驗(yàn)，大大地提升建筑質(zhì)量，并減少材料浪費(fèi)和制造成本，BIM技術(shù)的應(yīng)用也可以在生產(chǎn)階段前預(yù)見并解決潛在的問題，從而避免成本高昂的現(xiàn)場(chǎng)修正和返工。

（二）施工模擬與優(yōu)化

BIM技術(shù)在施工過程中同樣發(fā)揮著重要作用，在對(duì)整個(gè)建筑過程進(jìn)行模擬的過程中，該技術(shù)幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)和解決了施工過程中可能遇到的各種問題，確保了施工流程的全面優(yōu)化，這種模擬涵蓋了從地基工程到結(jié)構(gòu)組裝的每一個(gè)步驟，使施工團(tuán)隊(duì)可以在實(shí)際動(dòng)工前預(yù)先對(duì)施工計(jì)劃進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃和調(diào)整，從而顯著縮短工期，避免現(xiàn)場(chǎng)的延誤和停工。此外，BIM技術(shù)還能夠幫助施工團(tuán)隊(duì)優(yōu)化物流和材料配送，減少現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)需求，進(jìn)一步降低了施工成本和時(shí)間。

（三）設(shè)施管理與維護(hù)

在裝配式建筑的設(shè)施管理與維護(hù)階段，BIM模型的價(jià)值更是顯而易見。由于BIM模型中存儲(chǔ)了建筑物的詳細(xì)信息，包括構(gòu)件的位置、材料的種類，以及維護(hù)信息等，設(shè)施管理者可以利用這些信息進(jìn)行高效的建筑維護(hù)和管理。例如，如果需要更換某個(gè)部件，管理者可以直接在BIM模型中找到該部件的具體位置和規(guī)格，快速地進(jìn)行更換或修理。這種信息的透明度和可訪問性大大提高了維護(hù)工作的效率，降低了長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本。此外，BIM模型還可以用于監(jiān)測(cè)建筑物的性能，如能源消耗和室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，幫助管理者優(yōu)化建筑的運(yùn)營(yíng)性能和用戶舒適度。

四、案例研究

接下來，我們將選擇阿姆斯特丹的The Edge作為案例來分析BIM技術(shù)在綠色建筑和裝配式建筑設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用，The Edge是一棟智能辦公樓，它位于阿姆斯特丹，享有全球最綠色智能建筑的美譽(yù)，該建筑由PLP建筑事務(wù)所開發(fā)，整個(gè)設(shè)計(jì)和建造階段中廣泛應(yīng)用了BIM技術(shù)。

（一）設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段

在設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段，BIM技術(shù)的應(yīng)用使得The Edge項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠在多個(gè)設(shè)計(jì)方案之間進(jìn)行詳細(xì)的比較和分析，以達(dá)到最優(yōu)的能源效率。通過對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的能源效率進(jìn)行比較，我們可以看到每個(gè)方案在自然光照利用率、人工照明需求降低、加熱需求降低以及冷卻需求降低方面的表現(xiàn)。

從不同的設(shè)計(jì)方案的能源效率比較表中可知：

方案A提供了40%的自然光照利用率，這意味著在白天，建筑能夠利用40%的自然光，從而減少對(duì)人工照明的依賴。同時(shí)，該方案預(yù)計(jì)能夠使人工照明需求降低30%，加熱需求降低20%，冷卻需求降低15%。

方案B的自然光照利用率略低于方案A，為35%，但加熱需求的降低幅度更大，達(dá)到25%，這可能是由于更高效的建筑絕緣或更先進(jìn)的加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

方案C則在自然光照利用率上表現(xiàn)最佳，達(dá)到45%，并且人工照明需求降低了35%，這可能是因?yàn)楦牡拇皯粼O(shè)計(jì)和建筑方位調(diào)整。然而，它在加熱需求降低上表現(xiàn)最差，僅為15%，但冷卻需求降低了20%，這表明其設(shè)計(jì)更適合溫暖氣候。

在深入分析后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇方案C，因?yàn)樗谡w能源效率上提供了最佳的平衡，這一點(diǎn)在最終選擇的設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)能源消耗參數(shù)表中得到了體現(xiàn)。表2為實(shí)際的年度能源消耗量，其中自然光照的利用率達(dá)到了理想狀態(tài)，減少了人工照明的需求至500千瓦時(shí)/年。加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的消耗分別為1500千瓦時(shí)/年和1000千瓦時(shí)/年，這些數(shù)據(jù)表明了設(shè)計(jì)方案在減少能源消耗方面的有效性。電子設(shè)備和其他類別的能源消耗相對(duì)較低，進(jìn)一步證明了整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的高效性。

通過這些數(shù)據(jù)的分析，我們可以看出，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)和規(guī)劃階段為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)強(qiáng)大的決策支持工具。它不僅幫助團(tuán)隊(duì)評(píng)估了不同設(shè)計(jì)方案的能源效率，而且還確保了最終選擇的設(shè)計(jì)方案能夠在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)預(yù)期的能源節(jié)約目標(biāo)。這種方法不僅提高了建筑的環(huán)境績(jī)效，而且還為未來的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)工作奠定了基礎(chǔ)。

圖1所示為The Edge建筑能源消耗的分解情況。從圖中可以看出，自然照明占相當(dāng)大的比例，這表明設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在減少人工照明需求方面取得了成功。而傳統(tǒng)的能源消耗領(lǐng)域，如加熱和冷卻，所占比例相對(duì)較小，這反映了建筑設(shè)計(jì)在提高能效方面的成效。

（二）建造階段

在建造階段采用BIM技術(shù)極大地提升了建筑組件預(yù)制的精確性和效率，基于前期精確的設(shè)計(jì)和建模，使每個(gè)組件都預(yù)先在離工地較遠(yuǎn)的地方被制造出來，這樣做能夠更進(jìn)一步確保組件質(zhì)量并大幅提高建造過程的效率，此外，這種方法還能夠有效減少現(xiàn)場(chǎng)材料的浪費(fèi)，所有的組件都是嚴(yán)格按照BIM模型提前進(jìn)行制作的。

BIM模型在建造過程中的另一個(gè)關(guān)鍵作用是施工模擬，在采用模擬的情況下，施工團(tuán)隊(duì)確保了每個(gè)組件的安裝都是嚴(yán)格按照順序和時(shí)間表進(jìn)行的，使施工流程得到了有效的執(zhí)行，縮短了項(xiàng)目的整體時(shí)間線。例如，在TheEdge項(xiàng)目中，團(tuán)隊(duì)采用了BIM技術(shù)來制定和優(yōu)化施工計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了精確的時(shí)間管理和資源分配，這些都是確保施工順利進(jìn)行的重要因素。

（三）設(shè)施管理和維護(hù)

The Edge的BIM模型轉(zhuǎn)化為設(shè)施管理的核心工具，這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著從建筑的實(shí)體形態(tài)到其運(yùn)營(yíng)生命周期的無縫過渡。BIM模型中包含了建筑的全面信息，如HVAC系統(tǒng)的布局、照明系統(tǒng)的配置，以及維護(hù)記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù)。這些信息的集成為設(shè)施管理團(tuán)隊(duì)提供了前所未有的透明度和控制能力。例如，HVAC系統(tǒng)的高效運(yùn)行對(duì)于保持室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和節(jié)約能源至關(guān)重要。BIM模型中的數(shù)據(jù)可以幫助管理人員監(jiān)控系統(tǒng)的效率，并在需要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。同樣，照明系統(tǒng)的智能控制可以根據(jù)室內(nèi)外光線條件自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步降低能源消耗。而對(duì)于維護(hù)工作，詳細(xì)的維護(hù)記錄確保了每項(xiàng)工作都能迅速而準(zhǔn)確地完成，減少了系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，提高了整體運(yùn)營(yíng)效率。

HVAC系統(tǒng)在與傳感器（SENSOR）連接后實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控和調(diào)節(jié)環(huán)境條件的功能，照明系統(tǒng)則與開關(guān)（SWITCH）相連，其中包含了智能開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并優(yōu)化能源使用。此外，維護(hù)記錄（RECORD）也為每次的維護(hù)活動(dòng)提供了詳細(xì)的歷史紀(jì)錄，追蹤設(shè)施維護(hù)歷史對(duì)于未來維護(hù)性計(jì)劃的制定提供了充分的參考信息。

這種詳細(xì)的實(shí)體關(guān)系圖為設(shè)施管理團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)清晰的視圖，幫助他們理解各個(gè)組件之間是如何產(chǎn)生相互作用并影響建筑整體性能的。例如，在分析HVAC系統(tǒng)的效率（efficiency）和布局（layout）后得出的結(jié)論，可以為系統(tǒng)性能優(yōu)化提供信息基礎(chǔ)，確保室內(nèi)環(huán)境的舒適并降低能源消耗，而照明系統(tǒng)的燈具數(shù)量（number Of fixtures）和位置（position）數(shù)據(jù)可以用來評(píng)估照明效率，在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整以減少能源浪費(fèi)。

五、結(jié)論

綜上所述，BIM技術(shù)在綠色建筑和裝配式建筑設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用充分展現(xiàn)了該技術(shù)在建筑行業(yè)可持續(xù)性方面的巨大促進(jìn)作用，BIM技術(shù)提升了設(shè)計(jì)的精確性，提高了施工效率以及運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)性，在優(yōu)化建筑項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)作出積極的貢獻(xiàn)。本次研究還存在一些挑戰(zhàn)和限制，如高成本投入和專業(yè)人才缺乏等，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，行業(yè)的認(rèn)知水平也會(huì)不斷提高，這些改變都會(huì)在不同程度上促使BIM技術(shù)的應(yīng)用變得更加廣泛和深入。展望未來，BIM技術(shù)有望成為推動(dòng)建筑行業(yè)向綠色、智能、高效轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。

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作者簡(jiǎn)介：王志皓（1981），男，河南省商水縣人，本科，講師，研究方向?yàn)榻ㄖこ碳夹g(shù)。