BIM技术在重庆市绿色建筑设计应用研究

周峥华 王鸿韬 张建丰 邓陈洋 虞松山

摘要：随着我国逐渐发展，绿色建筑、节能建筑、住宅产业化逐渐成为了主流，绿色建筑和BIM系统的不断普及，越来越多的项目采用绿色建筑设计及BIM系统，极大的减少了建造资源的浪费，实现可持续发展道路。本文通过对BIM技术在绿色建筑设计中的应用分析，结合本文中重庆市中科大厦案例的分析，说明了基于BIM技术辅助建筑节能的设计方法具有可行性，的确为建筑师在建筑节能设计中提供了很大的帮助。

关键词：绿色建筑;BIM技术;设计;模拟

1绪论

1.1研究背景

随着我国数字化经济的高速发展，消费升级正在逼迫供给改革，推动消费互联网向产业互联网迈进，互联网信息技术与传统产业的融合已成为推动我国经济增长的重要新动力。作为传统的建筑行业，面对互联网和信息化建设的不断加快，也在不断的向数字化转型，引进BIM技术加快行业发展与国际环境接轨。

2011年，国家住建部发在《2011-2015中国建筑业信息化发展纲要》中，将BIM、协同技术列为“十二五”计划中国建筑业重点推广技术。2013年9月住建部发布《关于推进BIM技术在建筑领域内应用的指导意见》，明确指出“2016年，所有政府投资的2万平方米以上的建筑的设计、施工必须使用BIM技术”。基于此环境下，BIM技术在绿色建筑设计应用势在必行。

随着我国逐渐发展，绿色建筑、节能建筑、住宅产业化逐渐成为了主流，绿色建筑和BIM系统的不断普及，越来越多的项目采用绿色建筑设计及BIM系统，极大的减少了建造资源浪费，实现可持续发展道路。

1.2国内外BIM应用现状

在英国，政府明确要求2016年前企业实现3D-BIM的全面协同。在美国，政府自2003年起，实行国家3D-4D-BIM计划;自2007年起，规定所有重要项目通过BIM进行空间规划。在韩国，政府计划于2016年前实现全部公共工程的BIM应用。在香港，2014年至2015年，政府计划将BIM应用作为所有房屋项目的设计标准。在新加坡，政府成立BIM基金;计划于2015年前，超八成建筑业企业广泛应用BIM。在北欧，挪威、丹麦、瑞典和芬兰等国家，已经孕育Tekla、Solibri等主要的建筑业信息技术软件厂商。

在中国，从2003年开始引进BIM技术开始，国家多次发布与BIM发展及应用相关文件，并将BIM技术列为建筑业重点发展技术，编制国家级BIM统一标准及规范。各地政府、大型建筑企业发布BIM相关标准及规范逐步推进BIM技术普及，实现BIM技术应用及规范化。市面上也涌现大量BIM相关产品供应商、软件商等，为我国BIM技术发展助力。

1.3国内绿色建筑现状

美国制定了“能源之星”标识，针对取得“能源之星”标识的产品和建筑物，进行节能补贴或减免税收。一些贷款机构为获得“能源之星”认证的建筑物提供低息抵押贷款和现金返还。自该制度实施以来，建筑业主的能源费用从原来的11美元/平方米-33美元/平方米，减少到6.5美元/平方米-16美元/平方米。

英国政府制定了住宅建筑能效证书和公共建筑展示能效证书制度，规定住宅建筑能效证书作为财产交易的一部分，在建设、卖买和租赁中均要出示;公共建筑要根据能耗水平将公共建筑能效证书陈列在显要位置，接受公众和主管单位的监督。英国政府还制定了一个详细的节能产品目录，如果企业和个人购买了目录上的产品，政府将给与一定税收优惠。

德国政府建立了建筑能耗证书体系，要求开发商必须向消费者出具建筑物的能源消耗证明。最新的能源节约法也规定，住宅建筑在出售、出租时，必须出示专业机构出具的建筑能耗证书。

在我国，近年来，我国政府陆续出台了关于绿色建筑的發展政策体系，促进我国建筑行业绿色发展和城市住区环境的改良。2016年在《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》中明确指出，城镇新建建筑中绿色建筑推广比例超过50%，大力推动绿色建筑发展，推动住房城乡建设领域供给侧结构性改革，2017年住建部更是明确提出建筑节能与绿色建筑发展的总体目标，实现建筑能源消费结构逐步改善，建筑领域绿色发展水平明显提高。

1.4重庆市绿色建筑及BIM技术应用现状

重庆市绿色建筑行业以“强化绿色建筑发展质量，促进建筑绿色化全面推进”为发展理念，大力推动地区行业建设，截止目前，重庆市绿色建筑申报项目150多个，申报面积为2651.3万m2，完成铂金级项目2个，20多个金级项目，7个银级项目。重庆区域绿色建筑发展等方面开展了卓有成效的工作，大量组织培训交流会，切实推动绿色建筑与建筑节能相关强制性标准的执行，并进行了多次国际合作与会议交流，引进资源扩大合作，实现绿色建筑发展理念的国际融合。

2BIM平台下绿色建筑设计

2.1BIM与能耗分析软件的结合应用

2.1.1BIM与EcotectAnalysis

用于建筑初期的综合模拟软件Ecotect（生态建筑大师）的建模和分析功能包含了热环境、光环境、声环境、日照、太阳辐射、经济性及环境影响、可视度六类分析功能，另外还可进行可视化气象数据分析模块。

作为BIM的应用实例之一，Revit与Ecotect间的数据交换经过多版本优化已经做到了良好的数据交换。Revit与Ecotect的数据交换有两种共通方式，Gbxml格式或者DXF格式，Gbxml格式主要可以用来分析建筑的热环境＼光环境、声环境、资源消耗量与环境影响、太阳辐射分析，也可以分析阴影遮挡、可视度等。而DXF格式用于光环境分析、阴影遮挡分析、可视度分析。

2.1.2BIM与斯维尔BECS

BECS是一款专为建筑节能提供计算分析的软件，由深圳市斯维尔股份公司开发。构建于AutoCAD平台，采用三维建模，并可以直接利用主流建筑设计软件的图形软件，避免重复录入，大大减少了建立节能热工模型的工作量，体现了建筑与节能设计一体化的思想。软件遵循国际和地方标准或实施细则，适于全国各地居住建筑和公共建筑的节能设计、节能审查和能耗评估等分析工作。

通过内置于Revit平台的专用模型转换插件，将BIM模型转化如斯维尔平台实现BIM模型与绿色建筑体系对接。

2.1.2BIM与PKPM

PKPM是一款集建筑、结构、设备（绘排水、采暖、通风空调、电气）设计一体化的软件，由中国建筑科学研究院研发。PKPM最大的特点是它与国内现行的建筑节能设计规范之间的紧密性。PKPM做建筑能耗分析时要完全按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JCJ134）以及全国各主要省市的地方具体规范进行计算，用于判断是否满足相关节能标准的强制性规定。经计算分析后生成的建筑节能设计分析报告书完全符合标准要求。软件会自动依据这些规范进行建筑热工和节能的设计计算，判断设计建筑是否满足相应的建筑节能规范要求。

作为国内权威性建筑设计软件，BIM软件与PKPM的结合，在与传统建筑设计对接，保证计算分析成果准确性等方面有着重要意义。

通过BIM平台-Revit将BIM模型转换为PMCAD模型模块，实现模型对接。

2.2BIM与绿色建筑设计

在绿色建筑规划设计阶段，传统绿色建筑设计往往根据大量二维施工图纸，建立绿色建筑分析模型，在这个过程中，模型的完整性完全取决于二维图纸信息是否完整、有无缺漏，可视化条件差、查阅不方便。而BIM技术的介入，将信息可视化，实现信息与模型同步，保证分析模型各项内容完整性，且设计师可方便获取各类相关信息，制定绿色建筑设计方案。

BIM的参数化能力极大的加快设计师工作效率，减少大量重复工作且准确率更高，保证了设计与表达的一致性和准确性。

利用BIM技术可视化能力、信息集成能力，快速对建筑各项内容进行分析设计，使得各项分析形成数据联动，加快设计师从总体到局部的优化工作，从而达到绿色建筑的设计要求。

2.3BIM与模拟分析

建筑性能指标在开发期就已基本确定（可视度、日照、风/环境、声环境、能耗、通风等），但是由于缺少合适的技术手段一般项目很难有时间和费用对上述各性能指标进行多方案分析模拟，并且重复建模的工作量也导致模拟的工作繁重，BIM模型技术为性能分析的普及应用提供了支持。

传统绿建模拟分析中，很多是通过根据国家规范及地方规范直接进行相关计算得到设计优化数值，无法直观的表达模拟优化后的实际效果，通过BIM技术的加入，实现数据可视化。

传统室内采光模拟中，对于室内采光可以通过一套算法对室内各个角落的光照度进行计算，但想要更高的效率，就可以运用BIM可视化手段，将项目位置、时间、天空模型等信息利用云渲染的功能得到更加准确的分析图：

图片左侧是照度分析，右侧是真实渲染，左下角则是照度从暗到明的图例。这张图片背后是一个长长的结构化数据表格，有四列数据，分别是每个点的XYZ坐标值，以及这个点的照度计算值。不再需要看数据表格，也不需要知道照度的计算方式，从可视化处理后的图上就能直观的看到什么地方该加窗户，什么地方该加灯。

在BIM技术中，我们可以运用Revit平台实现各类模拟分析需求，Revit会自动给由墙和板封闭起来的区域加上一个叫空间的属性，可以通过分析板块中的热负荷和冷负荷模块，来设置每个空间的功能、人员密度、照明需求、加热和制冷的温度控制等等信息。

通过这些数据的设置，软件会帮你算出建筑性能分析表，给你一份能耗分析报告，进而帮你优化空间的区分，指导照明和暖通设备的设计。

这种分析、计算、模拟、优化的工作，在传统的工作方式中叫做CAE，它的历史比BIM悠久，只不过原先因为CAD软件无法提供它所需要的数据，無法跟设计同步进行，一般都是在整个设计完成后，再用单独的软件来做，达不到知道设计的效果。

而BIM则是把CAD工作整合到设计流程中，把它需要的底层数据直接整合到构件属性里，用关联性来提升了分析模拟的效率。

像Revit这样的BIM专业软件，有大量把数据加工成信息的功能。这些数据全部都藏在每一个族的族参数里。

比如一个简单的风管族，就有尺寸、风压、摩擦、流量、损耗系数等等几十个参数。

只要是参数，就都可以进入明细表进行数据计算，也有一些参数是在加入了风系统之后，和其他构件的参数互相关联进行更高级的计算。

3BIM技术结合绿色建筑在实际工程中的运用

3.1涪陵中科大厦

3.1.1项目简介

重庆市涪陵中科大厦项目位于涪陵区西部新城区的工业园区项目用地面积4133m2，建筑面积为38129.47m2，地上面积33080.11m2，地下面积5048.36m2，其中地上1、2层为配套商业、3-8层为办公室（公寓式），9-26层为办公室，26层以上为电梯机房及高位消防水箱。

中科大厦项目为新建公共建筑，建筑功能为办公楼，建筑层数26层，项目结构类型为框架核心筒结构（桩基础）。中科大厦的外墙相当有特色，让人过且不忘。建筑外墙采用预制清水混凝土墙板，不铺贴任何饰面材料，设计灵感源于浩瀚江水，以波澜的乌江水为主要元素，赋予大厦外立面以动态的肌理美感，打破传统的外立面处理方式，远远望去阳光下犹如波光粼粼的江面，美不胜收。并且，大厦建筑所需的钢梁、钢柱以及楼板、楼梯、内外墙板，楼内的卫生间全部都在工厂内生产，建筑工人只需将这些构件进行吊装和拼装。该建筑预制楼梯110余跑、预制卫生间沉箱140余个、预应力混凝土带肋叠合板3070余片、预制清水外墙板1890余片，装配率达到82.68%。它是国内首个采用钢管约束混凝土外框架——核心筒结构体系与外挂清水混凝土PC墙板维护体系的重点示范建筑。

3.1.2绿色生态设计概况

建成后的中科大厦将成为中国首个采用钢管约束外框架——核心筒结构体系，也是中国首个自主建筑的预制清水混凝土外墙板工程，更是国内第一个在建筑全生命周期满足绿色建筑三星级和LED绿色建筑体系认证要求的装配式建筑。

3.1.2.1节地与室外环境

项目位于涪陵区西部新城区的工业园区CBD园区环道。用地范围内无高压线穿过，无地下室，无值得保留的名木，植被和古迹。建设用地面积为4133m2，其绿地率21.90%，建筑密度31.00%，容积率8.00。

项目为公共建筑，建筑性质为办公、商业及车库，具备了2种公共服务功能，项目中商业部分、办公（公寓式）等公共空间向社会公众开放，室外活动场地在非办公时间向周边居民开放。

声、光、热：项目场地应执行《声环境质量标准》（GB3096）中要求的4a类标准要求，根据《中科大厦建设项目环境影响登记表》的内容，项目昼间和夜间满足声环境质量标准（CB3096）中要求的4a类标的要求。

噪声分析如图3.2—3.4所示：

各个工况下的过渡季室外风环境模拟如下所示：

景观绿化：项目绿地率为21.9%，大量选用适宜当地气候和土壤条件的乡土植物，乔木与灌木采用大量乡土植物，其比例分别为100%和99.99%，架空层平台的覆土深度大于1.5m的技术要求，并采用种植屋面，其种植屋面的面积为472.84m2，可种植屋面的面积为844.77m2，种植屋面占可种植屋面面积比例为55.97%。

地下空间利用：项目总用地面积4133.00m2，地下建筑面积为5048.36m2，地下一层建筑面积为1908.03m2，地下建筑面积与总用地面积之比为122%，地下一层建筑面积与总用地面积之比为46.17%。

透水铺装：项目采用大量透水砖，其面积为1176.79m2，硬质铺装面积为1604.84m2，透水铺装面积占硬质铺装面积比为73.32%;

3.1.2.2节能与能源利用

建筑节能设计：建筑布局合理，重点控制建筑的体型系数、窗墙比、材料热工性能等，从建筑的外墙，屋面，窗户方面等进行节能设计，满足重庆市《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准》（DBJ50-052）的要求。建筑物能耗：通过PKPM能耗分析，项目采用高能效的空调机组，使空调系统的能耗降低了20.83%。

节能高效照明：项目各场所的照明功率密度值、统一眩光值、一般显色指数及照度值均满足《建筑照明设计标准》（GB50034）的要求，其中照明功率密度值不大于目标值;项目车库照明采用集中分区调控，午夜应自动关闭部分回路;设备房、设备房走道采用分组就地控制;楼梯间照明采用声控或人体感应探测控制，火灾时由火灾自动报警系统强制点亮楼梯间照明;门厅、电梯厅等处的照明采用智能照明灯灯光控制或光控结合人体感应探测控制。

项目变压器采用D，ynll接线组别的低损耗、低噪声节能型干式变压器，且配电变压器能效限定值及节能评价值应符合《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》CB20052中规定的2级要求。项目采用的水泵、风机等设备，及其他电气装置满足相关现行国家标准的节能评价值要求。

3.1.2.3节水与水资源利用

项目西面市政给水管网引入1根DN150的引入管，作为本工程生活给水水源。可满足本工程生活，消防水量要求。根据甲方提供资料，市政给水水压在黄海标高318m处水压为0.6MPa。水压不足楼层采用二次加压供给。项目全部用水均取自市政给水管网，生活给水系统采用竖向分区：其中地下-1-11层为低区，由市政给水管网直接供水，其中-1-2层经由地下室减压阀组减压后供给，3-8层经由8层减压阀组减压后供给，9-11层市政直供;12-26层为高区，由设置在地下室水泵房内的无负压给水加压设备供给;12-18高1区，19-顶层为高2区，当配水支管压力超过0.35MPa时，采用减压阀减压供水。项目按照用水性质不同，对生活用水、商业用水、绿化浇灌、道路浇洒、车库冲洗等设置水表单独计量，空调冷却水补水管设置水表单独计量。

项目采用1套雨水收集回用系统，主要收集屋面及部分场地内的雨水，收集的雨水通过雨水管网进入雨水收集回用系统，多余的雨水和弃流的雨水排入市政雨水管网，雨水回用水主要用于绿化浇灌、道路冲洗，其雨水回用水水质满足《城市污水再生一城市杂用水水质>（GB/T18921），并在雨水回用给水支管上分别设水表单独计量。项目公共卫生间的节水器具均采用符合现行标准《节水型生活用水器具》CJ164/T中用水效率1级的要求，项目绿化浇灌采用喷灌等节水灌溉方式，并在节水灌溉系统的基础上，设置土壤湿度感应器、雨天关闭装置等节水控制措施。

3.1.2.4节材与材料资源利用

结构形式：项目结构采用框架核心筒组合结构。项目屋面采用清水混凝土预制装饰板等纯装饰构件，其装饰性构件造价占工程总造价比例为0.213%，满足小于0.5%的要求;预拌混凝土：按照国家和重庆市的相关规定，现浇混凝土采用预拌混凝土，减少施工现场噪声和粉尘污染，并节约能源、资源、减少材料损耗。

项目采用大量工厂化生产的预制构件，包含预制钢梁、预制钢柱、清水混凝土预制外墙挂板，清水混凝土预制装饰板等，制构件总重量与建筑地上部分重量的比例为60.13%;高强建筑结构材料：项目大量采用HRB400的高强度钢，钢筋混凝土结构中的HRB400级钢筋与受力普通钢筋重量主筋的比例95.26%，Q345及以上的钢材占总钢材用量的比例为96.4%;高耐久性的高性能混凝土：项目高耐久性的高性能混凝土用量占混凝土总量的比例为50.52%，项目钢结构采用耐候性防腐涂料，其性能指标满足《建筑用钢结构防腐涂料》JG/T224中II型面漆和长效型底漆的要求;

3.1.2.5室内环境质量

建筑周围的公共活动区域和绿地大部分区域（大于60%）能获得日照。项目整体布局考虑建筑的日照间距、采光的视野和通风的要求，建筑间距符合《重庆市城市规划管理技术规定》的要求，并确定建筑工程规划许可證。通过对项目主要功能房间（办公室）的采光模拟分析，各主要功能房间（办公室）的采光系数均大于3.6%，满足《建筑采光设计标准》（GB50033）的要求。