數(shù)字孿生與BIM協(xié)同的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)－施工一體化研究

1前言

現(xiàn)階段，綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)已成為重要發(fā)展方向，數(shù)字孿生技術(shù)與BIM的協(xié)同應(yīng)用能夠提升建筑能效，優(yōu)化資源配置，加強(qiáng)項(xiàng)自管理的有效性。數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建物理建筑的虛擬副本，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑全生命周期的模擬分析，其與BIM技術(shù)的融合能夠提升建筑設(shè)計(jì)精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，在強(qiáng)化成本控制的同時(shí)提升施工速度，符合綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展要求。

2數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生技術(shù)可以創(chuàng)建物理資產(chǎn)的高精度虛擬模型，實(shí)現(xiàn)建筑生命周期中各階段的信息整合。數(shù)字孿生屬于三維建模技術(shù)，管理從設(shè)計(jì)到拆除全生命周期數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋預(yù)測(cè)建筑性能，優(yōu)化能源使用并減少環(huán)境影響，能夠幫助設(shè)計(jì)師在早期階段識(shí)別潛在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，并利用模擬分析優(yōu)化建筑方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的能效改進(jìn)。在施工階段，數(shù)字孿生框架利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捕捉技術(shù)監(jiān)控建筑結(jié)構(gòu)，確保施工質(zhì)量與設(shè)計(jì)預(yù)期一致，同時(shí)也能夠?qū)崟r(shí)分析能耗模式，動(dòng)態(tài)調(diào)整建筑運(yùn)作策略，以適應(yīng)不斷變化的使用需求，提升能源利用效率。數(shù)字孿生技術(shù)可以與現(xiàn)場(chǎng)施工管理系統(tǒng)無(wú)縫連接，依靠持續(xù)的數(shù)據(jù)流促進(jìn)施工過(guò)程的精細(xì)化管理，提高施工效率。

3BIM概述

BIM技術(shù)具備高度集成的信息處理能力，創(chuàng)建詳細(xì)的數(shù)字信息模型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑全生命周期的高效管理。該模型支持多學(xué)科協(xié)同工作，能夠提高決策準(zhǔn)確性，減少設(shè)計(jì)與施工階段的錯(cuò)誤，從而有效控制項(xiàng)目成本，優(yōu)化建筑的能源效率。BIM的應(yīng)用使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目早期階段進(jìn)行碰撞檢測(cè)，識(shí)別設(shè)計(jì)沖突以提前進(jìn)行調(diào)整，避免施工中的返工問(wèn)題。還可以結(jié)合模擬分析評(píng)估建筑設(shè)計(jì)對(duì)能效的影響，輔助設(shè)計(jì)人員選擇更合適的施工材料，從而提升建筑整體能效。在運(yùn)維階段，BIM模型可以監(jiān)控建筑實(shí)時(shí)能耗，實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)，在降低運(yùn)行成本的同時(shí)延長(zhǎng)建筑使用壽命。

4數(shù)字孿生與BIM協(xié)同的必要性

4.1有助于提升建筑項(xiàng)目精準(zhǔn)度

在綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)捕捉建筑物的性能數(shù)據(jù)，與BIM系統(tǒng)中的詳細(xì)建筑設(shè)計(jì)信息相結(jié)合，可以形成動(dòng)態(tài)更新且高度精確的數(shù)據(jù)模型，從而反映建筑物理特性。數(shù)字孿生與BIM協(xié)同能夠在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行更為精確的能耗模擬分析，確保所選用的材料達(dá)到預(yù)期節(jié)能效果，二者結(jié)合還能增強(qiáng)設(shè)計(jì)階段的決策支持，提供更為精確的數(shù)據(jù)支持來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)建筑在實(shí)際使用中的表現(xiàn)，以此優(yōu)化能源系統(tǒng)配置，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。在施工階段，數(shù)字孿生與BIM的協(xié)同運(yùn)用可以有效避免施工過(guò)程中的錯(cuò)誤，BIM提供的精確三維模型與數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)調(diào)整施工方案，減少因施工誤差導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，從而提升施工精準(zhǔn)度，加速問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與解決，保證施工質(zhì)量與設(shè)計(jì)高度一致性。

4.2有助于優(yōu)化資源分配

數(shù)字孿生與BIM整合使得從項(xiàng)目策劃到運(yùn)營(yíng)維護(hù)的每個(gè)階段都能精確調(diào)配資源，確保能源與材料充分利用，降低整體環(huán)境影響。設(shè)計(jì)人員利用BIM技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確計(jì)算出所需材料的數(shù)量，避免資源浪費(fèi)。BIM模型中的詳細(xì)信息有助于施工人員理解每一個(gè)建筑組件的具體需求，進(jìn)而優(yōu)化材料存儲(chǔ)，減少因材料不當(dāng)處理導(dǎo)致的損失。數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施可以持續(xù)收集運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)控建筑能源消耗情況，從而優(yōu)化能源使用，實(shí)現(xiàn)高效的資源管理。對(duì)比實(shí)際能耗與預(yù)測(cè)模型，管理人員可以及時(shí)調(diào)整能源系統(tǒng)配置，確保系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，提升能源利用效率。數(shù)字孿生與BIM的協(xié)同能夠強(qiáng)化建筑項(xiàng)自管理的透明度，使項(xiàng)自管理人員實(shí)時(shí)了解項(xiàng)目進(jìn)展與資源消耗情況，快速做出調(diào)整以應(yīng)對(duì)計(jì)劃外的變化，確保資源分配得到持續(xù)優(yōu)化。

4.3有助于強(qiáng)化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理

數(shù)字孿生與BIM協(xié)同可以幫助施工人員在項(xiàng)目早期階段識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而在問(wèn)題成本升高之前進(jìn)行干預(yù)。BIM可以提供動(dòng)態(tài)更新的視圖，其中包含所有建筑組件的詳細(xì)信息，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更為全面準(zhǔn)確。數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)捕捉功能能夠增強(qiáng)對(duì)建筑性能的持續(xù)監(jiān)控能力，項(xiàng)目管理人員可以即時(shí)識(shí)別偏離預(yù)期性能的情況，及時(shí)調(diào)整管理方案，從而有效避免潛在風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字孿生與BIM協(xié)同使項(xiàng)自管理人員在施工階段有效溝通協(xié)調(diào)，并共享實(shí)時(shí)更新的模型讓各方利益相關(guān)者迅速獲知項(xiàng)目狀態(tài)，減少信息不對(duì)稱帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4有助于促進(jìn)持續(xù)性能監(jiān)測(cè)

在綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中，數(shù)字孿生與BIM的協(xié)同提供實(shí)時(shí)更新的平臺(tái)，持續(xù)監(jiān)控建筑從設(shè)計(jì)階段到運(yùn)營(yíng)階段的性能，確保建筑的長(zhǎng)期運(yùn)行效率，并以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析監(jiān)控建筑能耗。數(shù)字孿生與BIM的結(jié)合為建筑提供完整的生命周期管理視圖，從建筑設(shè)計(jì)早期階段就開(kāi)始關(guān)注性能指標(biāo)，這些指標(biāo)隨后可以在建筑施工期間持續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而預(yù)防性管理維護(hù)工作，提前識(shí)別潛在系統(tǒng)故障，減少突發(fā)性維修成本。持續(xù)性能監(jiān)測(cè)可以幫助項(xiàng)目管理人員對(duì)建筑進(jìn)行適應(yīng)性管理，根據(jù)使用模式的改變調(diào)整建筑運(yùn)作策略，并利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)建筑性能預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)。與此同時(shí)，數(shù)字孿生與BIM協(xié)同也能夠提高建筑能效，增強(qiáng)建筑對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)能力，從而確保資源得到最優(yōu)利用。

5基于數(shù)字孿生與BIM協(xié)同的綠色建筑節(jié)能施工一體化策略

5.1建立技術(shù)融合制度

為建立技術(shù)融合制度，需定義一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，確保所有項(xiàng)目相關(guān)方在整個(gè)建筑生命周期內(nèi)無(wú)縫交換數(shù)據(jù)。施工單位應(yīng)實(shí)施技術(shù)需求評(píng)估，明確項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維各階段對(duì)數(shù)字孿生和BIM技術(shù)的具體需求，并借此制定詳細(xì)的實(shí)施計(jì)劃，確保所選技術(shù)滿足綠色建筑節(jié)能的特定自標(biāo)。同時(shí)，開(kāi)展專業(yè)培訓(xùn)活動(dòng)，提升團(tuán)隊(duì)成員的技術(shù)熟練度，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)融合。施工單位應(yīng)建立中央數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來(lái)作為項(xiàng)目信息的分發(fā)中心，需保證數(shù)據(jù)安全性，具備高效的數(shù)據(jù)處理能力，以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，從而確保項(xiàng)目各方在任何時(shí)點(diǎn)都能訪問(wèn)最新的施工信息，提高決策效率。確立持續(xù)評(píng)估機(jī)制對(duì)技術(shù)融合效果進(jìn)行定期檢查，收集用戶反饋并評(píng)估技術(shù)應(yīng)用對(duì)項(xiàng)目節(jié)能效果的實(shí)際影響，以此來(lái)解決實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，持續(xù)改進(jìn)技術(shù)融合制度，提升綠色建筑項(xiàng)目性能。

5.2綠色建筑采光設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生與BIM協(xié)同可以優(yōu)化綠色建筑的采光設(shè)計(jì)，需利用BIM技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的日照分析，精確模擬不同季節(jié)的日光照射情況，幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就確定建筑物方位和窗戶尺寸，科學(xué)配置遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化自然光引入，減少對(duì)人工照明的依賴。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以細(xì)化采光設(shè)計(jì)，構(gòu)建建筑的虛擬模型并與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量，評(píng)估自然光利用效果，從而識(shí)別光線過(guò)強(qiáng)或不足的區(qū)域，預(yù)測(cè)未來(lái)性能變化，為調(diào)整設(shè)計(jì)提供依據(jù)。采光設(shè)計(jì)還需考慮節(jié)能與環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)，BIM與數(shù)字孿生技術(shù)融合可以集成動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)系統(tǒng)和光感應(yīng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)時(shí)光照條件自動(dòng)調(diào)整，減少能源消耗。動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)系統(tǒng)可以在日照強(qiáng)烈時(shí)自動(dòng)調(diào)整角度以減少過(guò)量的熱能積累，光感應(yīng)系統(tǒng)則根據(jù)室內(nèi)光線強(qiáng)度調(diào)整照明設(shè)備亮度。在采光設(shè)計(jì)時(shí)，還需利用數(shù)字孿生與BIM技術(shù)進(jìn)行持續(xù)的性能評(píng)估，收集用戶對(duì)光環(huán)境的反饋，定期評(píng)估建筑能耗，從而逐步完善采光設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)綠色建筑的長(zhǎng)期節(jié)能目標(biāo)3]。

5.3建設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控

數(shù)字孿生與BIM技術(shù)整合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保施工活動(dòng)與設(shè)計(jì)模型保持一致，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決施工中存在的問(wèn)題，從而提高建筑質(zhì)量。施工單位應(yīng)利用BIM模型作為施工過(guò)程的基礎(chǔ)，詳細(xì)規(guī)劃施工階段各個(gè)步驟，并與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合。該計(jì)劃可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)更新，其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備即時(shí)上傳到數(shù)字孿生平臺(tái)，并與BIM模型進(jìn)行對(duì)比分析監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)度與預(yù)定計(jì)劃的偏差。施工單位需在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)收集關(guān)于溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，確保施工活動(dòng)不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成負(fù)面影響，安全監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)視頻監(jiān)控來(lái)跟蹤施工人員活動(dòng)，預(yù)防安全事故發(fā)生。為有效實(shí)施建設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，需建立一套完善的數(shù)據(jù)管理流程，選擇合適的監(jiān)控設(shè)備確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，建立數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)保證數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，并開(kāi)發(fā)集成分析平臺(tái)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，輸出實(shí)用的監(jiān)控報(bào)告，進(jìn)而優(yōu)化資源利用，減少浪費(fèi)，達(dá)成施工質(zhì)量與工程進(jìn)度的雙重目標(biāo)，降低建設(shè)過(guò)程中的環(huán)境影響。

5.4建筑日照分析

數(shù)字孿生與BIM技術(shù)的協(xié)同可以精確實(shí)施日照分析，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)?？梢岳肂IM模型構(gòu)建建筑的三維幾何形狀，結(jié)合地理位置數(shù)據(jù)詳細(xì)模擬建筑在不同季節(jié)的日照情況，從而精確計(jì)算日照時(shí)間及日照對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的影響，從而為建筑窗戶設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，借助數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)時(shí)更新相關(guān)數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測(cè)并優(yōu)化建筑能源表現(xiàn)，調(diào)整建筑朝向、窗戶大小，并進(jìn)行合理的遮陽(yáng)設(shè)施設(shè)計(jì)，以充分利用自然光照減少人工照明需求，同時(shí)也能控制太陽(yáng)輻射引起的熱增負(fù)荷。日照分析還可以幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化建筑熱環(huán)境控制策略，通過(guò)自然通風(fēng)和被動(dòng)冷卻技術(shù)減少空調(diào)使用，從而節(jié)約能源并提高居住舒適度。施工單位可以在BIM模型中應(yīng)用熱環(huán)境分析程序，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行綜合性能評(píng)估，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。為實(shí)現(xiàn)精確的建筑日照分析，還需要定期更新模型以反映施工變更，并利用數(shù)字孿生技術(shù)收集的實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)對(duì)初期日照分析假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.5工程結(jié)構(gòu)圖紙繪制

工程結(jié)構(gòu)圖紙繪制的精確性直接影響整個(gè)建筑項(xiàng)目質(zhì)量，數(shù)字孿生與BIM技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用可以優(yōu)化該過(guò)程，確保圖紙繪制符合性能要求。使用BIM技術(shù)繪制的工程圖紙能夠提供三維視圖，其中涵蓋每個(gè)建筑組件的詳細(xì)信息，使從設(shè)計(jì)師到施工團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都能對(duì)建筑項(xiàng)目有全面深入地理解。利用BIM技術(shù)，工程圖紙能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)更新與共享，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)更改時(shí)圖紙會(huì)自動(dòng)更新以反映最新信息，從而保持項(xiàng)目進(jìn)度，確保所有項(xiàng)目參與者都基于最新的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行工作，減少因信息延遲導(dǎo)致的誤工。數(shù)字孿生技術(shù)在此過(guò)程中的應(yīng)用能夠強(qiáng)化其監(jiān)控功能，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，數(shù)字孿生模型可以實(shí)時(shí)模擬建筑結(jié)構(gòu)性能，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，保證結(jié)構(gòu)的安全性與功能性。在繪制工程圖紙過(guò)程中，還可以集成環(huán)境影響評(píng)估工具確保設(shè)計(jì)符合可持續(xù)建筑標(biāo)準(zhǔn)，需評(píng)估材料的環(huán)境足跡，分析建筑設(shè)計(jì)對(duì)能效的影響，了解施工過(guò)程中的資源消耗情況，使圖紙成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的重要工具。

6結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字孿生與BIM的整合應(yīng)用能夠優(yōu)化建筑熱能性能分析，精確模擬建筑物的能量消耗，為施工企業(yè)提供實(shí)施高效節(jié)能措施的依據(jù)。BIM模型整合建筑材料使用實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用效率，數(shù)字孿生技術(shù)在此基礎(chǔ)上提供動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制，實(shí)時(shí)更新材料使用情況，確保施工過(guò)程中資源的最優(yōu)分配。二者融合能夠?qū)崿F(xiàn)建筑項(xiàng)目環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三重底線的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，優(yōu)化建筑生命周期管理，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)建筑行業(yè)向更高效環(huán)保的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]周志宏.綠色建筑理念下的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)探析—以萬(wàn)博中央商務(wù)區(qū)數(shù)碼產(chǎn)業(yè)總部商業(yè)樓為例[J].低碳世界，2024，14（12）：52-54.

[2]劉英強(qiáng).綠色建筑中電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J]新城建科技，2024，33（11）：102-104.

[3]潘旭，楊濟(jì)舟，葛葳，等.基于BIM技術(shù)的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法研究[J].當(dāng)代建筑，2024（11）：132-134.

[4]萬(wàn)躍賀.建筑電氣節(jié)能設(shè)計(jì)與綠色建筑電氣技術(shù)探討[J].流體測(cè)量與控制，2024，5（05）：98-101.

[5]郭蓉蓉.綠色建筑理念下外墻保溫結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)研究[J].鞋類工藝與設(shè)計(jì)，2024，4（16）：123-125.