BIM理念下住宅建筑外围护结构集成设计研究

赵宇飞，郝慧敏，陈雄，籍存德

（广东石油化工学院 建筑工程学院，广东 茂名525000）

1 引言

据资料统计，2018 年，全国建筑业企业完成总产值约2 350 000 亿元，同比增长9.9%，但建筑业增加值的增速仍低于国内生产总值的增速，行业利润率连续两年下滑，可以预见的是，2019 年这种态势将会持续，建筑行业面临重大变革，由粗放型建设转型为集约型、可持续发展模式【1】。而设计阶段基本决定总成本的70%，成为改革的先头军。建筑外围护结构能耗高、能效低是建筑业可持续发展面临的重大挑战，传统的节能设计已无法满足现况。

住宅建筑外围护结构是建筑物的重要组成部分，包括外墙、门窗、屋面等构造【2】，而住宅建筑外围护结构的设计是整个工程设计非常重要的一个环节，基本决定了建筑的节能形式是主动节能还是被动节能，以及预期达到的节能效果。而目前，节能设计与建筑设计脱节，节能设计变成弥补式被动工作，阻碍了建筑工程设计的发展。因此，住宅建筑外围护结构集成设计研究亟待解决。

BIM（Building Information Modeling）技术的出现，为传统建筑设计注入一股强心剂。众所周知，目前BIM 主要应用于工程设计，同时还应用于工程建造与管理的数据化工具，它的出现，对住宅建筑的信息化、可视化模型的整合起到至关重要的作用，使得工程技术人员可同时对建筑信息模型做出正确理解和响应【3】，住宅建筑常用的软件是Autodesk Revit、Benetly Building 及ArchiCAD 等。各类软件可实现建筑各专业协同集成设计，成为工程设计人员、高校学者、软件开发人员等研究的重点。

本文通过总结归纳建筑外围护结构的特点，利用BIM 模型对建筑不同外围护结构构造进行节能分析，形成基于BIM的住宅建筑外围护结构的材质库，实现集成设计的策略。

2 住宅建筑的外围护结构

住宅建筑外围护结构的隔热、保温性能关系到节能效果和性能，如果外围结构无法达到保温指标，则会增加能耗，住宅建筑外围护结构的传热过程是非稳态模式，受到诸多因素影响，外墙、门窗、屋面等构成了整个的空间体系，外围护结构的构建保温性能直接影响室内热环境【4】。常用的方式有外墙内、外保温，门窗及玻璃材质，屋面类型和材质，房屋朝向等，不同材质的导温、传热系数等热工性能不同，不同的建筑构造、朝向等均会影响室内热环境。传统设计模式是建筑设计完成后，再进行建筑节能的设计，此时建筑方案已很难进行大的更改，不利于建筑节能的设计。

3 集成设计

建筑设计是一个复杂的过程，涉及建筑功能、造型和空间要求等各方面要求，同时也涉及不同专业不同阶段的有机结合。现有的单向流水式的设计流程已不适用于住宅建筑外围护结构的设计。集成设计有别于传统的设计方法，主要区别在于设计不同阶段多专业的协同配合【5】，在工程设计初期即考虑建筑的主、被动节能方式和各外围护结构不同材质的性能，从而优化工程设计。集成设计需要各专业共同配合，解决既定功能要求下的节能目标，更好地服务于设计项目的需求。暖通空调、设备机械在概念方案阶段开始参与，简要计算能耗，将结果反馈给建筑设计师，建筑设计师根据各专业反馈，统筹考虑，确定外围护结构的构造、材质以及建筑朝向等，充分发挥设计阶段对节能的有效性。

4 BIM集成设计的实现

基于BIM 理念的住宅建筑外围护结构节能设计已成为研究的热点，并且已经进行了初步的应用。操作的主要方法是利用BIM 建筑数据可交换的IFC 标准，以gbXML 格式或DXF文件自动导入到能耗分析软件中，进行测试和分析【6】。常用的能耗软件主要包括：Ecotect、Energy Plus、ANSYS 等。

在集成设计时，BIM 的主要价值在于可实现可视化三维模型下的协同设计，各专业均可通过BIM 直接或间接地实现各自的目标，其主要优点在于可全面系统地考虑各专业对设计目标的需求，以及如何实现该目标的途径，建筑设计师在此基础上，进行建筑设计各项工作的完善与深化工作，实现了各专业的协同集成设计。而目前，设计人员对该方式的思路比较清晰，但如何实现充分的信息共享，提高设计的效率方面还有待考究。

事实上，住宅建筑的协同集成设计可认为是通过BIM 三维载体，依托网络，实现住宅建筑外围护结构设计的沟通，这更是一种管理模式，其核心内容在于住宅建筑外围护结构的数据表达，不仅局限于三维实体，还包括构成三维实体中住宅建筑外围护结构的构建物理信息，各专业通过本专业目标的需要，对外围护构建物理信息的深化和丰富，完成了集成化的设计模型，这是BIM 理念价值的集中体现【7】。因此，BIM 协同集成设计各专业的方法和渠道、内容与实体，是实现BIM 理念下集成设计的重要因素。从公司层面，根据国家、省部级及行业规范、标准、导则等制定设计的方法，以及BIM 技术应用的策略和各专业切入节点，优化沟通渠道，打造BIM 软件集成平台，形成基本的操作流程，制定不同阶段的会审和责任机制，建立BIM 协同集成设计的方法和各专业沟通渠道，搭建BIM集成设计的基本框架。因此，每个项目的设计人员均可通过公司集成设计平台上传、下载模型信息，并进行分析和反馈，使设计的效率和效果得到显著提升。BIM 集成设计还体现在设计的内容和实体上，各专业通过BIM 集成设计平台，设置各专业的项目样板，对住宅建筑外围护结构的外墙、门窗等构件进行规范化处理，统一设置各构件的热工性能参数，形成基于BIM 的外围护结构的材质库，根据能耗分析结构，选用合适的材质，从而实现住宅建筑外围护结构集成设计策略。

5 结论

本文通过对国内建筑业形式剖析，以及住宅建筑外围护结构设计概况和对BIM 技术的介绍，论述BIM 协同集成设计各专业的方法和渠道、内容与实体的可操作性，得到以下结论：

1）通过BIM 技术，可实现住宅建筑三维实体与其他常用能耗软件的无缝对接，并进行测试和分析。

2）BIM 理念下住宅建筑外围护结构集成设计实现，需从公司层面制定相关制度，建立基本框架，进行顶层设计，然后通过项目层级得以实现，各专业设置项目样板，规范流程，从而实现住宅外围护结构的集成设计策略。