BIM在可持續(xù)建筑設(shè)計中的應(yīng)用

1前言

隨著建筑行業(yè)對資源效率與環(huán)境影響的關(guān)注度提升，可持續(xù)建筑設(shè)計逐漸成為工程實踐的核心議題。BIM技術(shù)憑借其數(shù)據(jù)集成與多維度分析能力，為綠色建筑目標(biāo)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。BIM技術(shù)通過三維數(shù)字化模型整合設(shè)計、施工與運維信息，其可視化、協(xié)調(diào)性及模擬性特征能夠有效優(yōu)化建筑性能，減少資源浪費[-2]。

在可持續(xù)設(shè)計領(lǐng)域，BIM的應(yīng)用主要體現(xiàn)在能耗模擬、材料優(yōu)化與空間效率提升等方面。借助建筑熱平衡方程等經(jīng)典方法，設(shè)計團隊可量化分析建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，從而制定節(jié)能策略；通過LCA與材料數(shù)據(jù)庫的聯(lián)動，BIM模型支持低碳材料選型與循環(huán)利用率優(yōu)化；此外，基于采光因子（DF）的模擬工具可動態(tài)調(diào)整建筑形態(tài)與窗墻比例，平衡自然采光與熱工需求。

本文以青島某商業(yè)綜合體項目為研究對象，聚焦BIM技術(shù)在可持續(xù)建筑設(shè)計中的實施路徑與效果驗證。通過梳理BIM在能耗模擬、材料優(yōu)化及多專業(yè)協(xié)同中的具體應(yīng)用，探討其對綠色建筑評價指標(biāo)的支撐作用，旨在為同類項目提供可復(fù)用的技術(shù)參考。

2案例背景與可持續(xù)設(shè)計目標(biāo)

2.1項目概況

青島某商業(yè)綜合體項目位于青島市核心商圈，2021年啟動設(shè)計，2023年竣工并投入運營。項目總建筑面積

5.8萬 m² ，涵蓋辦公、商業(yè)及公共空間等多種功能。作為區(qū)域綠色建筑示范工程，項目以LEED金級認證為目標(biāo)，旨在通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)環(huán)境效益與使用功能的平衡。設(shè)計階段采用BIM技術(shù)，貫穿方案設(shè)計、性能模擬及施工協(xié)調(diào)全流程，為可持續(xù)目標(biāo)的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

2.2可持續(xù)設(shè)計需求

項目團隊基于GB/T50378-2019《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》提出三項核心指標(biāo)：建筑運行能耗較基準(zhǔn)值降低20% ;可循環(huán)材料利用率在 30% 以上；主要功能區(qū)域自然采光達標(biāo)率不低于 80% 。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需在設(shè)計階段量化分析建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、材料碳足跡及空間采光效率。BIM技術(shù)的參數(shù)化建模與多專業(yè)協(xié)同特性，為復(fù)雜性能模擬提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。例如：通過調(diào)整外窗布局與遮陽構(gòu)件角度，可動態(tài)優(yōu)化建筑采光與熱工性能的平衡；借助材料數(shù)據(jù)庫與LCA工具，能夠快速篩選低碳建材并評估其環(huán)境影響。

2.3BIM應(yīng)用范圍

BIM技術(shù)在本項目中主要應(yīng)用于三個方向：能耗模擬、材料優(yōu)化與管線綜合。能耗模擬基于AutodeskInsight平臺，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的熱工參數(shù)，構(gòu)建建筑全年動態(tài)能耗模型。材料優(yōu)化通過BIM模型關(guān)聯(lián)材料屬性數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)碳排放量與循環(huán)利用率的實時計算。管線綜合則利用三維模型的碰撞檢測功能，在施工前解決機電系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間沖突問題。上述應(yīng)用均以BIM技術(shù)的可視化與數(shù)據(jù)集成能力為核心，確保設(shè)計決策的科學(xué)性與可實施性。

如表1所示，BIM技術(shù)的應(yīng)用緊密圍繞項目可持續(xù)設(shè)計目標(biāo)展開，其技術(shù)路徑覆蓋建筑性能分析與建造過程管理兩大維度。通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口與多專業(yè)協(xié)同流程，BIM模型成為連接設(shè)計意圖與工程實踐的核心載體。

3BIM技術(shù)在可持續(xù)設(shè)計中的實施路徑

3.1能耗模擬與優(yōu)化

建筑能耗模擬是BIM技術(shù)在可持續(xù)設(shè)計中的核心應(yīng)用之一。通過集成建筑幾何參數(shù)、材料熱工性能及環(huán)境邊界條件，BIM模型可生成動態(tài)能耗分析結(jié)果，為節(jié)能策略提供量化依據(jù)。本項目采用AutodeskInsight工具，基于ISO13790標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建建筑熱平衡模型，計算建筑全年逐時熱負荷。建筑熱平衡方程如下表示：

ΔQ_total=Q_conduction+Q_ventilation+Q_intemal-Q_solar

式中， Q_total 為建筑總熱負荷， Q_corduction 為圍護結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱損失， Q_ventiation 為通風(fēng)熱損失， Q_intemal 為內(nèi)部熱源得熱，Q_solar 為太陽能得熱。通過調(diào)整外墻傳熱系數(shù)（U值）與窗墻比，模型預(yù)測建筑全年能耗較基準(zhǔn)方案降低 19.2% 。設(shè)計團隊進一步優(yōu)化外窗遮陽構(gòu)件角度，在保證采光需求的前提下，夏季太陽輻射得熱減少 14% ，顯著降低空調(diào)負荷。

3.2材料循環(huán)利用分析

材料選型階段，BIM模型通過關(guān)聯(lián)材料數(shù)據(jù)庫與LCA工具，實現(xiàn)碳排放量的實時計算與優(yōu)化4。傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)方案與BIM優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)-混凝土混合結(jié)構(gòu)方案對比如表2所示。

BIM優(yōu)化方案采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)與再生骨料混凝土，使主體結(jié)構(gòu)碳排放降低 18% ，施工周期縮短 21% 。BIM模型通過參數(shù)化調(diào)整構(gòu)件截面尺寸，在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下，減少鋼材用量 12% 。

3.3自然采光與管線綜合

自然采光效率直接影響建筑照明能耗與室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。本項目采用CIBSELightingGuide1O推薦的DF公式進行模擬：

式中， E_in 為室內(nèi)工作面照度， E_out 為室外無遮擋水平面照度。通過BIM模型迭代優(yōu)化窗墻比與中庭布局，辦公區(qū)域平均DF值從初始方案的 6.2% 提升至 8.5% ，滿足LEED認證要求的 80% 區(qū)域達標(biāo)率。

管線綜合方面，BIM模型通過三維碰撞檢測功能，在施工圖階段識別并解決機電管線與結(jié)構(gòu)梁的沖突點137處。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計，現(xiàn)場施工返工率降低 90% ，有效減少材料浪費與工期延誤。設(shè)計團隊利用BIM模型的可視化特性，協(xié)調(diào)各專業(yè)管線排布邏輯，最終實現(xiàn)地下室綜合管線層凈高提升 200mm ，增加可使用空間約1200m³ 。

4效果驗證

4.1能耗驗證

項目竣工后，6個月的實際運行數(shù)據(jù)顯示，建筑全年單位面積能耗為 106kWh/m² ，較傳統(tǒng)設(shè)計方案的148kWh/m² 降低 28.4% 。通過對比BIM模擬值與實測數(shù)據(jù)，空調(diào)系統(tǒng)能耗偏差率為 7.2% ，照明系統(tǒng)偏差率為 5.8% ，驗證了模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。能耗差異主要源于實際使用中部分區(qū)域空調(diào)溫度設(shè)定值的調(diào)整，表明BIM模擬需進一步考慮用戶行為對能耗的影響邊界。

4.2材料節(jié)約驗證

施工階段材料用量統(tǒng)計表明，BIM優(yōu)化后的鋼結(jié)構(gòu)方案共減少鋼材消耗820噸，再生混凝土應(yīng)用比例達28% ，較傳統(tǒng)方案提升16個百分點。表3展示了主體結(jié)

構(gòu)材料的實際使用情況與設(shè)計目標(biāo)的對比。

數(shù)據(jù)表明，鋼材用量偏差源于施工深化階段對節(jié)點構(gòu)造的進一步優(yōu)化，而再生混凝土用量偏差主要是供應(yīng)商配額限制導(dǎo)致的。

4.3采光與空間效率驗證

運營階段的采光實測結(jié)果顯示，辦公區(qū)域平均DF為 8.3% 83% 的區(qū)域滿足LEED認證要求的 DF?5% 標(biāo)準(zhǔn)。中庭區(qū)域通過BIM優(yōu)化的天窗設(shè)計，室內(nèi)照度均勻度從0.45提升至 0.68 。管線綜合優(yōu)化釋放的地下室空間，實際增加停車位12個，相當(dāng)于提升空間利用率2.1% 。

通過對比設(shè)計階段BIM模型與竣工模型的差異，發(fā)現(xiàn)采光模擬未充分考慮室內(nèi)隔斷對光線的二次反射效應(yīng)，導(dǎo)致局部區(qū)域?qū)崪yDF值較模擬值低1.2個百分點。這一偏差為后續(xù)項目中BIM模型的精細化建模提供了改進方向。

5結(jié)論

本研究通過青島某商業(yè)綜合體項目實踐，驗證了BIM技術(shù)在可持續(xù)建筑設(shè)計中的系統(tǒng)性應(yīng)用價值。研究將BIM模型與LCA進行聯(lián)動分析，實現(xiàn)材料碳排放的實時計算與優(yōu)化。接著，基于參數(shù)化建模技術(shù)，動態(tài)調(diào)整建筑圍護結(jié)構(gòu)與窗墻比，在采光效率與熱工性能之間取得平衡，然后通過多專業(yè)協(xié)同平臺整合設(shè)計、施工與運維數(shù)據(jù)，減少信息斷層導(dǎo)致的資源浪費。

案例數(shù)據(jù)顯示，項目實際運行能耗較傳統(tǒng)設(shè)計降低28.4% ，鋼材用量減少 19.5% ，辦公區(qū)采光達標(biāo)率 83% ，驗證了BIM技術(shù)在量化分析與協(xié)同設(shè)計中的可靠性。研究同時發(fā)現(xiàn)，采光模擬需進一步考慮室內(nèi)隔斷的二次反射效應(yīng)，管線綜合優(yōu)化可釋放約 2.1% 的空間利用率，為后續(xù)項目精細化建模提供改進方向。實際應(yīng)用表明，BIM技術(shù)可為同類工程提供兼顧環(huán)境效益與經(jīng)濟性的技術(shù)路徑。

參考文獻

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