BIM技术在绿色建筑设计中的应用

■ 徐 莉 XU Li 朱少君 ZHU Shaojun

1 BIM技术及绿色建筑

1.1 BIM技术特点

BIM技术是以参数化三维模型为核心，将协调统一的信息运用到建设项目的规划、设计、施工及运行维护，它是在项目建造前以参数化方式推敲其重要物理和功能特性的全新过程[1]。相比较于传统技术，BIM技术具有以下显著优点。

1.1.1 建筑空间的可视化

建筑项目空间关系复杂，各专业间又相互关联，各种构件、设备交织在一起，通过完善直观的BIM模型，可以将各专业各部分关系清晰地表现出来。空间的可视化便于建筑师对建筑功能关系的理解，并在设计调整前后对效果进行判断和比较，也有利于建筑师直观地对外展示和介绍设计方案。利用BIM建模软件的实时更新功能，设计师可以直接从BIM模型中根据需要导出对应的平、立、剖面图和节点大样，大大方便了后期的变更且避免了重复工作，使深化设计得以快速高效实施[2]。

1.1.2 建设项目场地平整分析

“节地”是我国绿色建筑评价标准的重要指标，对于废旧建筑尽量做到二次利用、二次开发[3]。在场地设计阶段，要进行现场调查，因为原有建筑的形状、占地面积和环境因素，会对场地的二次开发有一定影响。在设计前期阶段，利用BIM建模软件的地形工具，建立地形并调整，预先了解项目的土方量，再对方案进行优化，根据最优原则确定场地平整方案。相对于整体平整地形，此方案可节省土方量，使设计更合理，场地环境更丰富，在节约成本的同时，体现了与传统规划设计方案不同的绿色设计现念。

1.1.3 基于目标模拟的生态分析

虽然没有BIM技术也能进行生态环境模拟，但与真实建筑物的变化发展是缺少关联的，实质上只能呈现一种可视化效果。只有按先设计、再研究、最后模拟的一整套程序进行，才能实时准确地判断建筑物的状态。针对变化后的设计进行不同专业的分析研究，同时需要快速模拟出分析结果，以供业主及时决策。采用基于BIM技术的设计流程和方法，把分析跟设计两个环节联系起来，真正落到实处。绿色建筑设计是一个循序渐进、步步深入和具体到细节的过程，也是一个设计师跟工程师相互沟通的过程。运用BIM技术，设计师会提前对建筑的后续功能进行研究，改变传统的设计顺序，预先考虑建筑性能的结果，既满足业主的使用需求，也可建设出符合标准的绿色建筑。

1.1.4 数据统计分析

在建筑信息模型中，存储着建筑行业各专业相关数据资料。这些数据资料成为后续进行绿色建筑建设的数据支撑，在建设绿色建筑的过程中，不管涉及到哪个部门和工序，需要时可立马从建筑信息模型存储的数据库中调取和使用数据。设计师在搭建信息模型的同时，也完善了模型数据库，通过数据库导出各类明细表，如门窗表、材料用量、房间报告和各功能分区的面积及百分比等，既快速又准确，可提前做出预算和控制成本。模型和数据存在关联，对模型进行修改的同时，明细表也会被及时更新，节省了重新计算时间。

1.1.5 避免错漏碰缺

在建筑的设计建造过程中，经常会遇到“错漏碰缺”和“设计变更”[4]。建筑设计反复修改是行业常见的现象，现阶段基于传统设计的平面图纸，所花精力虽不少，实际效果却不满意。问题也非出自一个专业，但出现问题最多的，主要还是设备管线综合和结构碰撞，这也是目前BIM处理得最多的问题。在绿色建筑设计过程中，利用BIM软件可以进行3D漫游技术，防止“错漏碰缺”的情况出现，有效避免了代价高昂的工程返工和资源浪费。

1.1.6 专业协同设计

建筑行业是一个复杂的多元化行业，它的实施需要建筑结构和机电设备等不同专业互相配合，每个专业的技术人员都只是建筑工程中的一个工序，缺一不可[5]。为提高设计效率，需要有一条“线”，这种组织穿线的工作就是“协同设计”。利用BIM的网络协同功能，各专业工程师在同一中心文件上工作，可分别拥有各自的副本文件，有利于各专业间在设计过程中的协同合作，极大地提高了工作效率和项目设计质量。

1.2 BIM技术发展

自“BIM之父”CHUCK Eastman博士于1974年提出“建筑描述系统”的概念[6]，即以建筑信息对建筑图纸进行处理以来，BIM技术经历了卓越的发展。

1987年，位于匈牙利的GraphiSoft公司提出虚拟建筑模型（Virtual Building Model）的概念，随后不久，这一概念在其推出的ArchiCAD软件中得以体现。这被视为BIM技术从概念到实践的第一次尝试[7]。

1996年，美国斯坦福大学的设施集成中心（CIFE）将时间参数加入虚拟建筑模型之中，从而使BIM技术由3D技术向4D技术发展[8]。

21世纪初，随着计算机技术发展日趋成熟，众多软件研发企业涉足BIM技术。AutoDesk公司在2002年推出了Revit软件，并在次年发行的《BIM白皮书》中，全方位阐述了建筑信息模型（Building Information Model）的概念，标志着BIM的研究和发展进入了白热化阶段[9]。

我国的BIM技术发展较晚，Bently公司于2002年向中国推广其BIM软件[10]，开启了我国研究和使用BIM技术的篇章。此后一直到2010年，国内也只有诸如上海中心、鸟巢、水立方等大型政府主导项目采用BIM技术，而针对BIM技术的研究更是凤毛麟角。随着发达国家BIM指导与实施标准的相继建立，其用户的投资回报效益快速增长。2011年5月，住建部颁发《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》[11]，标志着我国对BIM技术的研究和应用已进入快速发展阶段，纲要提出的行业发展总目标是推动信息化标准建设和加快BIM技术在实际工程项目中的运用。

1.3 绿色建筑发展

随着 BIM 技术的快速发展，绿色建筑逐渐为人们所熟悉[12]。目前，全世界的能源都消耗巨大，节约能源、保护环境、保护地球、防止污染已经成为全球的共同目标。为了给我们子孙后代留一片蓝天，一汪清水，我们必须尽力而为，我们提出了绿色建筑的新概念，并积极地研究、开发、实验，其意义深远。

绿色建筑设计是将各种适用的设备材料和技术集成的过程，是绿色建筑技术实现途径的关键，而在建造绿色建筑的过程中，最为重要、最核心的就是技术的设计。对于实现绿色建筑来说，决策的有效性随着建筑物生命周期的进行而不断衰减的[13]。这里的决策有效性可以理解为决策对于最终建筑物性能的影响与实现决策所需的行动二者之间的关系。建造建筑是一项耗时耗力的工程，工期比较长，如果能较早地做出设计和决策，对于承包商来说，就可以较早地去采购和建设，也就缩短了工期，建筑物就可以较早地投入使用当中。决定越早，性能越高，因此，设计阶段的决策相对于后续阶段决策更加重要。

本文结合工程实例，总结BIM技术在绿色建筑设计过程中作用及不足，重点研究BIM技术在绿色建筑设计中的应用方法，展望未来BIM技术在绿色建筑设计行业的前景，为两者在设计过程中的结合应用提供借鉴。

2 BIM技术运用于绿色建筑设计

目前，针对绿色建筑一体化的设计实践相对较少，基于此，本文以三星级绿色建筑设计项目为例，与传统2D设计方法进行对比分析，探讨BIM技术与绿色建筑设计一体化的设计策略。通常分为两个设计阶段：首先是先建立BIM建筑模型，然后是对BIM模型进行模拟生态性能分析[14]。利用Autodesk Revit软件建立建筑三维模型，依照说明设置建筑墙体、屋面、地面等部分的材料、厚度以及保温构造参数。用Revit设计的模型有大量的数据和图片，比较适合数据模拟。但在对建筑环境做模拟分析时，庞大的建筑构造和专业技术细节则显得冗杂，且建筑环境分析需要使用房间体积等相关信息，而这类信息在建筑设计时是不常出现的。为加快建筑建模、分析及数据传递的速度，需要对模型进行数据简化及修正，使之由建筑设计模型转变为能满足建筑生态模拟分析的模型。

BIM技术能很好地利用建模软件，把各类信息参数化数字化，在此基础上通过对模型分析反馈到模型中进行修改。导入各性能模拟分析软件，进行生态模拟分析，根据建筑的采光、通风、防噪、能耗等进行模拟检验和推敲，充分地利用自然环境结合日照、风向、温度、湿度等因素，满足建筑需求，满足绿色建筑在室内外环境和舒适度方面的要求，营造安全舒适的环境。

2.1 室内采光分析

2.1.1 传统2D方法

建筑物的室内采光主要通过自然采光与人工照明相结合的方式来达到要求。室内自然采光主要依靠建筑外窗，而窗户采光的局限性在于光照度随着进深增加而迅速下降，且照度分布也很不均匀。为解决室内较深处自然采光不够的问题，势必需要增加窗户高度及宽度，但这又受到房屋层高的限制，这是采用传统方法的矛盾之一。当建筑室内相应部位光照度无法达到《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）要求时，就需要采用人工照明而获得光照度。通常情况下，灯具数量是由设计人员根据总功率算得。但是照明灯具对室内光照度的影响不仅与其数量相关，还与灯具布设方式有关，若采用传统方法，设计人员无法确定灯具最优布设方式，这是矛盾之二。

2.1.2 室内自然采光模拟分析

先评估现有自然采光效果，再分析室内主要功能使用空间的采光效果是否达到标准，并针对存在采光不足的可能性，提供优化设计方案，在设计上做到合理、经济且能满足工作需要。本项目模拟基于国家标准规定，对建筑设计施工图纸进行简化，建立模型，并根据可行性研究报告设定相关参数，模拟计算并分析判定是否达到《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）相关条文的规定。模拟使用软件Ecotect 2010，该软件功能全面、能提供交互式的分析方法并进行技术性能分析。本项目模拟使用其光环境分析模块，依据设计图纸进行全尺寸建模，模型尺寸与设计尺寸相符。对采光系数进行模拟的过程中，适当简化模型，对采光影响较小的墙厚、窗框等构件参数不予考虑。图1为研发楼三层自然采光模型。

根据设计情况，按条件模拟计算：采光系数选取最不利情况设定，采用全阴天模型，不考虑直射阳光因素，模拟时间为冬至日中午12点。先分析建筑物主要使用空间的采光效果，统计主要使用空间满足GB 50033—2013的区域所占百分比，再分析整体采光效果，判断是否达到国家标准的要求。以研发楼第3层为例说明采光模拟分析过程，其主要功能区域有办公室、会议室等（图2、3）。

对研发楼各功能区域自然采光效果进行模拟分析，结果显示：本建筑外窗布置和楼层平面分布比较合理，办公区域自然采光达标面积和公寓区域自然采光达标面积（表1、2），均能达到国家相标准。

图1 研发楼自然采光模型图

2.2 室内自然通风模拟分析

本项目采用CFD方法进行室内自然通风模拟分析，分析软件采用PHOENICS2013，计算采用标准k-ε模型[15]。

项目位于市区西部，夏季主导风向为东南偏东风，室内自然通风主要针对夏季自然通风状况进行分析。图4和图5分别给出了项目夏季迎面和背风面的表面风压分布图，可以看出，建筑迎背风面压差较小，建筑表面压差约为2～4Pa(不包括最高的钟楼区域)，具备自然通风的条件。图6～8是一层人员活动高度的空气龄分布图与风速分布图，模拟计算结果表明：该层主要功能空间外窗开启充分，室内空气流动顺畅，大部分区域空气龄均保持在1 800s以下，即换气次数大于2次/h，仅在西侧房间内个别区域存在空气流通死角，空气龄较大，其余室内自然通风较好，满足《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2006）的要求；该楼层室内空气流速均在1.0m/s以下，满足人员活动舒适需要，对人员活动不造成影响。

图2 三层平面图

图3 采光模拟分析图

良好的室内自然通风，可改善夏季室内人员的热舒适性和有效扩散室内热量。因冬季不存在建筑室外自然通风利用问题，故本项目只对夏季主导风向进行分析研究。为给建筑室内自然通风创造良好的条件，考虑建筑与夏季主导风向应呈一定夹角，并可利用热压与风压共同作用，以促进室内通风。本项目选取建筑的典型楼层进行自然通风模拟分析，结果显示：典型楼层的主要使用房间换气次数均大于 2次/h，室内空气龄保持在1 800s 以下，自然通风效果好，满足国家标准。

2.3 场地环境噪声模拟分析

本项目采用Cadna/A噪声模拟软件系统构建环境模型，对环境进行模拟分析。该系统是一套基于ISO9613标准方法，利用WINDOWS作为操作平台的噪声模拟和控制软件。本项目道路噪声参数设定根据新校区《建设项目环境影响评价报告》，对场地内的噪声进行监测，以场地内的噪声监测值作为模拟计算的边界条件，道路噪声值设定如表3所示。

表1 办公功能区域达标面积比

表2 住宿功能区域达标面积比

图4 建筑迎风面压力分布图

图5 建筑背风面压力分布图

通过最不利原则对场地内环境噪声进行模拟，结论显示：建筑场地环境噪声良好，主要活动区域环境噪声能够满足国家 《声环境质量标准》（GB 3096—2008）的I类声环境功能区域噪声要求。

图6 一层人员活动高度空气龄分布图

图7 一层人员活动高度风速云图

图8 一层人员活动高度风速矢量图

2.4 建筑综合能耗分析

2.4.1 传统2D方法

传统室内节能分析的方法基本是参考已有生态建筑设计的技术与案例，再将设计中的参数逐个录入到软件中去比对。这种模式下，分析整合数据的工作量非常大，不仅专业性很强而且工作相当繁琐，另外，最大的问题还在于各专业之间无法做到协同设计，设计师在能耗模拟分析软件上投入较多工作量。另外，由于综合能耗分析只能安排在最终设计阶段，无法直接作用于建筑模型，也使得设备工程师不能及时有效地为建筑师提供方案设计依据。

2.4.2 建筑综合能耗分析

本项目采用e-QUEST软件对建筑进行能耗模拟，根据设备工程师输入的建筑材料、结构形式、室内人员的活动规律、光照信息和室内需要的温度值等，软件里的程序会分析计算出建筑一年大概消耗的能量，并可以用数据表格的形式表现出来。在本次模拟中，先设定利用能源的类型，再对建筑物的设备、照明和空调系统等进行能耗模拟分析，就可以把一整年的能量消耗数据显示出来（图9）。通过计算可知：本项目全年能耗为参照建筑的79.41%，与评价标准里的要求比对结果是合格的，即建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%。

3 运用BIM技术的优势分析

在进行绿色建筑设计实践过程中，建模并结合风、光、热、声等性能模拟进行太阳辐射和场地气候分析，设计优化外墙和建筑物的体型布局，满足绿色建筑评价标准。BIM 技术的作用在管线的碰撞检查中尤为突出，可视化进行管线的排布，并进行施工模拟，有效解决传统设计无法解决的问题，优化绿色建筑设计，其优点总结如下。

3.1 方案对比性能分析

（1）传统的绿色建筑性能分析，是由专业技术人员手动输入相应数据，需要修改时，数据录入重新校对建模。利用 BIM 技术，只要将事先建好的模型直接导出，转成相应的模拟分析文件，即可分析得出结果，极大地缩短性能模拟分析所用的时间。

表3 道路噪声值设定

图9 设计建筑和参照建筑年能耗比分析图

（2）通过对场地环境、气候因素等进行分析模拟，研讨与环境和谐共生的绿色项目建议。项目开始前先对场地自然环境进行模拟，然后根据不同的建筑体量，从综合能耗角度作进一步分析，最终选出最佳方案，有利于后续对方案进行深化，以实现绿色建筑的设计目的。

3.2 传递建筑模型信息

绿色建筑可以节约能源、保护环境，实现自然、建筑和人的和谐相处，这就需要绿色建筑设计能包含并传递完整且准确的建筑设备信息。利用BIM技术建立的模型，不仅包含了全生命周期中所有的准确信息，还可轻松实现信息传递。由此可见，两者结合相得益彰。

4 结语

综上所述，本项目贯彻绿色建筑节能和可持续发展的设计概念，利用Autodesk Revit建筑信息模型软件和其它性能模拟分析软件，将BIM技术与绿色建筑设计有机结合，提高了建筑设计的效能，促进了绿色建筑由理论走向现实，验证了基于BIM平台的绿色建筑设计方法确是行之有效的，其具体优势体现在建筑模型更加直观、立体、形象，各专业设计同步协同，变更减少，效率提升，设计意图能够表达充分。

绿色建筑是建筑未来的发展方向，是一个目标，而BIM 刚好是实现这个目标的手段和平台。通过BIM技术使各专业协同设计，提升设计品质及促进系统整合，是绿色建筑发展的核心和趋势，而有效推动绿色建筑发展，实现自然、建筑与人的和谐相处，将是中国建设领域未来发展的重要任务。