基于BIM技术的绿色建筑预评估系统研究

张 雷 姜 立 叶敏青 于贵有

(中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013)

基于BIM技术的绿色建筑预评估系统研究

张 雷 姜 立 叶敏青 于贵有

(中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，北京 100013)

21世纪人类共同的主题是可持续发展，对于城市建筑来说亦必须由传统高消耗型发展模式转向高效绿色型发展模式，绿色建筑正是实施这一转变的必由之路，是当今世界建筑发展的必然趋势。本文参照绿色建筑设计相关规范要求，提出利用计算机技术建立BIM建筑信息模型，对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑材料以及设备等各专业相关数据信息进行数据集成与一体化管理，为绿色建筑设计相关计算与评估提供必要的分析依据;利用三维数据信息可视化技术实现了以《绿色建筑评价标准》为基础的绿色建筑评价功能，为设计师提供了一个得力的软件工具。

绿色建筑;BIM;数据信息可视化;技术指标评估

1 前言

我国目前正处于工业化和城市化快速发展阶段，在未来20年具有保持GDP快速增长的潜力，但也面临着能源和资源供应紧缺的压力。我国政府已确立了以节能和提高能源和资源利用率为核心的发展战略。在建设领域，推进建筑节能，发展绿色建筑是实施我国能源和资源发展战略的重要手段。我国与发达国家相比，人均占有能源量远不及世界平均水平，单位面积能耗和人均能源消费的总量是发达国家的3倍，能源消费总量已居世界第二，而且33%的资源利用效率仅相当于发达国家水平的50～60%，比发达国家落后20多年。据不完全统计，我国现阶段建筑耗能量已占社会总耗能的30%，建筑业基本上还是一个高能耗、高物耗、高污染的产业，影响着中国城市的可持续发展，进而影响经济的可持续发展。建筑节能刻不容缓，应置于社会发展的重要地位。

绿色建筑是世界建筑业由黑色产业转向绿色可持续发展产业的重要途径。通过对研究绿色建筑理论和技术的研究与实施，推动绿色建筑在中国的发展，促进中国建筑业的绿色可持续发展。本文参照绿色建筑设计相关规范要求，提出利用计算机技术建立BIM建筑信息模型，对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑材料以及设备等各专业相关数据信息进行数据集成与一体化管理，为绿色建筑设计相关计算与评估提供必要的分析依据;利用三维数据信息可视化技术，在规划方案分析与优化、节能数据分析、建筑遮阳与太阳能利用、采光与照明、室内自然通风、绿化环境、声环境、雨水采集与利用等方面建立多角度的生态技术指标评估与辅助决策机制，实现合理利用土地、材料等有限资源，降低能源消耗，解决建筑对城市与自然环境及气候的影响，降低声、光、风等各类污染，同时通过对生态环境指标的分析与评估，提出降低能耗与合理有效利用自然能源的解决方案。

2 绿色建筑评估

国外绿色建筑是从建筑节能起步的。在建筑节能取得进展的同时，伴随着可持续发展理念的产生和健康住宅概念的提出，发达国家又把视野扩展到建筑全过程的资源节约、改善室内空气质量、提高居住舒适性、安全性等更广的领域。绿色建筑在发达国家的发展轨迹到了今天，已建立了绿色建筑评估系统。90年代以来，世界各国都发展了各种不同类型的绿色建筑评估系统，为绿色建筑的实践和推广做出了重大的贡献。目前国际上发展较成熟的绿色建筑系统有英国BREEAM(Building Research Establishment Environmental Assessment Method)、美国LEEDTM(Leadershipin Energyand Environmental Design)、多国 GBC(Green Building Challenge)等，这些体系的架构和应用，成为其他各国建立新型绿色建筑评估体系的重要参考。

BIM代表建筑信息模型(Building Information Modeling)，BIM技术是继CAD(计算机辅助设计)技术后出现的建设领域的又一重要的计算机应用技术。BIM的最重要意义，在于它重新整合了建筑设计的流程，其所涉及的建筑生命周期管理 (BLM)，又恰好是绿色建筑设计的关注和影响对象。

可以说，当我们拥有一个信息含量足够丰富的建筑信息模型的时候，我们就可以利于它作任何我们需要的分析。一个信息完整的BIM模型中就包含了绝大部分建筑性能分析所需的数据。

真实的BIM数据和丰富的构件信息给各种绿色建筑分析软件以强大的数据支持，确保了结果的准确性。目前包括Revit在内的绝大多数BIM相关软件都具备将其模型数据导出为各种分析软件专用的GBXML格式。绿色建筑设计是一个跨学科，跨阶段的综合性设计过程，而BIM模型则正好顺应此需求，实现了单一数据平台上各个工种的协调设计和数据集中，使跨阶段的管理和设计完全参与到信息模型中来。BIM的实施，能将建筑各项物理信息分析从设计后期显著提前，有助于建筑师在方案、甚至概念设计阶段进行绿色建筑相关的决策。

然而，我国的绿色建筑才刚刚起步，还存在许多问题，对绿色建筑的发展仍然存在许多制约因素。主要是:缺乏绿色建筑的意识和知识、缺乏强有力的激励政策和法律法规、缺乏系统的标准规范体系、缺乏严密的行政监管体系、缺乏合理的城市能源结构等，尤为关键的是，缺乏有效的新技术推广交流平台，各类绿色建筑相关规范分散于各个专业设计过程中，无总体规划控制手段和具体实施方法，很难在规划设计整个过程中对建筑“四节”的影响、建筑与周围环境的相互作用以及可再生能源利用等方面进行量化分析与评估。目前仍没有一个完善的辅助设计系统，在规划、设计、施工、运行各阶段对建筑进行定性和定量评估，对绿色建筑的设计与推广缺乏有效的工具和技术手段。

3 体系的建立

3.1 预评估体系的必要性

当前所应用的评估体系，大多数以后评估为主，一般在建筑投入使用一年后进行。但影响绿色建筑各要素的关键往往在于规划、设计以及施工阶段，设计前期的规划选址、建筑选型、材料选择、设备选型、技术应用等对绿色建筑的最终结果均起着重要作用，而后评估方式仅对设计结果进行定性和定量评估，无法对前期的设计缺陷进行弥补。预评估体系的建立，一方面可以前瞻性地考虑各设计阶段的影响因素，避免设计问题造成的缺陷，另一方面也可以作为一个有效的技术推广平台，将绿色建筑设计理念、技术手段、设计方法、新型材料及设备应用融入其中，使设计人员直观地体验到绿色设计方式对建筑产品的影响。

3.2 预评估体系建立的难点

预评估体系主要针对设计阶段，其评估依据为设计过程中的定量数据。由于各阶段所涉及的相关专业、外部条件、设计理念、工作方式等诸多因素的不同，每一个环节对于绿色建筑均产生特定影响。各类绿色建筑相关规范关联多个专业设计过程，缺乏集成数据体系的规划控制手段和具体实施方法，很难在整个设计过程中对建筑相关影响数据进行量化分析与评估。

3.3 预评估体系的要素

在绿色建筑设计中需要考虑的典型问题包括:(1)减少不可再生资源耗费和节约资源;(2)提高能源利用效率，使用可再生能源;(3)减少环境污染，保护自然生态;(4)室内环境质量保障;(5)良好的社区环境。针对以上主要问题，绿色建筑预评估系统应建立涵盖完整设计流程的设计与评估数据一体化建筑数据模型体系，以此为依据在规划设计阶段为各个专业提供相应的设计处理与分析计算工具，并参照相应规范进行检查与评估，以保证预评估系统在设计过程中对绿色建筑各要素的控制。

3.4 预评估体系结构

实现可进行量化数据分析的预评估系统的前提条件，是涵盖建筑设计各个阶段及各个专业的BIM集成数据体系，其中包括建筑构件、建筑材料等几何信息及专业设计信息，以及各构件与各专业之间的逻辑数据关系。该体系包括:

(1)建筑设计三维信息BIM模型。针对绿色建筑的设计理念，以BIM建筑信息模型为数据载体，对建筑在规划设计、材料使用、能源消耗等方面的数据进行存储、提取、管理与分析。根据计算分析结果，对建筑规划、设计以及施工方案进行优化与指导，以达到高效地利用能源和资源(节能、节地、节水、节材)，而且最低限度地影响环境的目的。BIM建筑信息模型建立。在绿色建筑设计过程中，对建筑空间几何信息、建筑空间功能信息、建筑材料以及设备等各专业相关数据信息进行数据集成与一体化管理，作为绿色建筑各项指标分析的基本依据。

(2)建筑数据信息分析及处理。基于三维图形平台，对建筑在方案设计、结构体系、材料使用、能源消耗等方面的数据进行提取、计算与分析。依据建立的三维建筑信息模型，并在其中集成各专业相关数据，研究数据交互、处理与分析方法;研究对建筑总体布局、规划方案、设计方案、结构体系、建筑材料、供热制冷、温室效应、人工照明、室内通风、建筑声环境及日照质量等因素进行数据统计与分析。依据分析结果对绿色建筑设计方案进行量化分析，并根据绿色建筑设计要求对相应各专业设计进行优化调整。

(3)绿色节能建筑分析数据信息可视化表达。基于三维图形平台，建立三维可视化建筑模型，并在三维模型中集成相关分析数据;对绿色建筑各项分析数据结果的可视化表达，将分析结果以图像、图表、三维状态模拟等方式进行表述。

4 体系的应用领域

(1)规划设计方案分析与优化:根据建筑规划布局、场地分布、建筑单体数据、道路设计、环境设计等信息进行规划方案的各项经济技术指标分析，对日照、土地资源利用、绿化方案、区域环境影响等指标进行控制，并根据绿色建筑评价标准等相应规范要求进行方案优化。

(2)节能设计与数据分析:结合国内各种标准规范，基于BIM技术建立建筑能耗分析的三维可视化模型，完成建筑能耗分析模型分析数据生成、建筑能耗分析结果数据的处理与直观可视化模拟，实现在设计过程中的节能标准预期控制。

(3)建筑遮阳与太阳能利用:根据BIM建筑信息模型数据，结合各地日照数据与标准规范，以数据仿真手段计算真实日照情况及周边环境，对建筑遮阳板形状进行方案优化设计;根据建筑物任意表面的全年动态日照情况，结合各地环境数据，计算可进行利用的太阳辐射能量，用于各类太阳能采集、发电与集热等设备的方案设计与优化设置，实现可再生能源的最大化合理利用。

(4)建筑采光与照明分析:基于BIM建筑信息模型数据，进行周边环境影响下的建筑室内采光计算分析;根据分析结果周边环境影响下的室内采光设计优化;根据不同照明设备的参数数据，进行任意形状的房间三维照度计算和仿真模拟，并依据照明部分相关规范以及实施不同照明方案的能耗计算结果进行方案优化。

(5)建筑室内自然通风分析:结合BIM建筑信息模型数据，建立多区域网络分析模型。参照国际上通用的热舒适性评价方法，建立自然通风状况的评价标准。结合各地区外在、内在因素的影响，进行分析模型建立、模型转换和模型提取与分析，将分析结果以可视化方式进行动态模拟表达。

(6)建筑室外绿化环境分析:根据植物绿化设计对生态环境的各项影响因素，如调节温度和空气湿度、防风固沙、防止水土流失、吸收二氧化碳放出氧气、吸收有毒气体、吸滞尘埃、杀菌抑菌、衰减噪声等，结合三维建筑信息模型数据，列出各项的影响参数，最后纳入生态园林的评价标准。

图1 建筑信息模型

(7)建筑声环境分析:基于BIM建筑信息模型数据建立模拟声环境。包括声场边界条件的界定、声源的确定。以一种合理方式建立声线数量和声音强度之间的数量关系，根据确定的声线数量计算声音的强度对建筑环境的影响，将分析计算结果以可视化方式进行模拟。

(8)建筑小区雨水采集与利用:结合各地的暴雨强度系数以及当地的暴雨强度计算公式，建立一个完整的数据库，作为雨水采集计算的重要依据。根据各种雨水采集方式中不同地貌和不同材质对确定径流系数的影响关系以及建筑，道路以及绿地等面积来计算集雨量进行适时调整。

图11 绿色建筑预评估系统

5 结论

目前，国外CAD软件厂商所力推的面向对象CAD系统通过BIM建筑信息模型来更全面的反映建筑构信息，这些非几何信息对于建筑的生命周期是非常重要的。中国建筑科学研究院基于国家863课题成果(2007AA040403)开发的三维图形系统，已建立了完整的建筑信息模型数据体系，实现了各专业之间图形及专业数据的共享与交互，并可以包括如构件之间的拓扑连接关系，房屋空间的划分及其关系等二维CAD所无法表示的抽象概念，这些信息对于绿色建筑设计过程中的建筑方案、结构体系、建筑材料、建筑能耗、建筑环境等的计算与评估提供了必要的分析依据。利用三维数据信息可视化技术，建立多角度的生态技术指标评估与辅助决策机制，可有效实现合理利用土地、材料等有限资源，降低能源消耗，解决建筑对城市与自然环境及气候的影响，降低声、光、风等各类污染，同时通过对生态环境指标的分析与评估，提出降低能耗与合理有效利用自然能源的解决方案。采用一系列生态环境信息化技术建立绿色建筑预评估系统，可实现“节地、节能、节水、节材”的目的，为实现城市建设的可持续发展提供强有力的技术支撑。

［1］中华人民共和国建设部.绿色建筑评价标准.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［2］中华人民共和国建设部.住宅性能评定技术标准.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［3］美国绿色建筑委员会.绿色建筑评估体系.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［4］马智亮.BIM技术及其在我国的应用问题和对策.中国建设信息，2010.

［5］中华人民共和国建筑工业行业标准.建筑对象数字化定义.中华人民共和国建设部，2007.

Computer Realization of Pre-Evaluation System on Green Building

Zhang Lei，Jiang Li，Ye Minqing，Yu Guiyou
(Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

In the 2l century，sustainable development becomes the common theme.For urban construction，development pattern must also be run from the traditional high consumption to green-oriented.Green building is the only way to implement this change and it is also the inevitable trend for today＇s world.Referring to green building design specifications，this paper proposes the way of constructing 3d integrative BIM(building information modeling)by computer technology.It carry out an integrated management for geometric information of building space，functional information of building space，data integration on geometry information，functional information，building materials，equipments and other related professional data in construction.It provides the necessary basis for analysis for the calculation of green building design and evaluation.The green building evaluation based on the“green building rating standards”is realized by using of three-dimensional data visualization technology.It can provide architect with an effective tools for green building design.

Green Building;BIM;Data Visualization;Technical Indicators Evaluation

TU-023;TP391.41

A

1674－7461(2011)01－0031－06

“十一五”国家863课题(2007AA040403)

张雷(1968－)，男，高工。主要研究方向:建筑工程CAD。E-mail:zhanglei@cabrtech.com