BIM 应用价值视角下绿色建筑环境性能评价方法研究

温 全，李忠富，李州扬，张 铎

（1. 大连理工大学 建设管理系，辽宁 大连 116024，E-mail：wenquan@mail.dlut.edu.cn 2. 辽宁工程技术大学 工商管理学院，辽宁 葫芦岛 125000）

面临能源短缺和环境污染问题的日益严峻，走绿色可持续发展之路已成为各国家关注的焦点。在此背景下，绿色建筑也逐渐成为了 21世纪全球建筑可持续发展的新趋势。BIM作为一种多维模型信息集成技术，是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，是建筑业信息化的重要支撑。将BIM应用于绿色建筑之中，可有效实现建筑工程全寿命期的信息管理和共享利用，其中BIM应用的重要作用之一，支持对建筑工程环境性能、能源能耗等方面的分析、检查和模拟，可为建筑项目全过程的方案优化和科学决策提供依据，使得绿色建筑更加绿色环保。

国内外学者针对BIM在建筑环境性能、能源能耗分析等方面的应用进行了广泛的讨论。Mark Kyeredey等[1]通过研究发现，BIM在绿色建筑中的应用关注焦点主要集中于建筑能源模型、碳排放分析和评估、室内外环境质量、光污染等方面。Hao Gao等[2]研究了BIM与建筑能量模型之间的数据传递方式，提出了基于BIM的建筑能源模型（BEM）评估方法，用以开发节能建筑设计。Farzad等[3]提出了一个将BIM、LCA、能源分析和照明模拟工具与绿色建筑认证系统相结合的自动化模型，在BIM工具上开发插件，测量环境影响和建筑构件的物化能量。李延钊等[4]使用基于BIM的绿色建筑设计方法，提前对建筑的太阳照射、自然光、自然通风及噪声等的优化设计进行仿真和分析。杨文领[5]结合实际项目对现有绿色建筑能耗现状进行分析，并运用 BIM 对项目管理进行优化。章帅等[6]在对应用BIM进行绿色建筑环境性能评价的研究中，运用文献阅读法对绿色建筑环境性能评价指标进行筛选和整合，确立了绿色建筑环境性能评价核心指标体系，同时利用BIM相关软件对建筑的环境性能指标进行客观评分。李俊清[7]分析了绿色建筑和BIM的发展契合点，并在此基础上深入探讨了如何有效利用BIM助推绿色建筑的发展。

本文借鉴已有研究，从 BIM 应用价值视角出发，将BIM引入绿色建筑环境性能评价之中，结合绿色建筑评价标准，总结构建以资源消耗、能源利用等为核心的绿色建筑环境性能评价体系，利用BIM模型提取相关数据用于量化指标分析，同时由于绿色建筑性能评价问题属于难以量化的模糊问题，本文从测度理论解决多准则、多方案或多决策时思路出发，采用模糊层次分析法进行评价。并基于绿色建筑实际案例，验证该评价方法的可行性与实用性，为探索绿色建筑环境性能评价新方法，不断完善绿色建筑环境性能评价体系提供科学参考。

1 绿色建筑环境性能评价指标体系构建

借鉴已有绿色建筑环境性能评价指标体系，通过文献分析，整理出9个相对比较完善和业界广泛认可的绿色建筑评价体系。其中包括绿色建筑评分体系（即LEED）、BREEAM评估体系、CASBEE综合评价体系、SBTool以及DGNB认证体系5个国际评估体系。生态住宅评估手册、GOBAS评估体系、台湾EEWH标章以及HKBEAM 4个国内的评价体系[8-15]。研究发现，各国的绿色建筑评价体系由于制定的背景和出发点不同所考虑的相关指标也不尽相同。因此在各个体系中都包含着各自的特征，不能被直接使用，但可以提供一定借鉴。此外，基于BIM视角的评价体系构建应该充分考虑建筑设计的相关内容，包括构件、产品、性能等多方面建筑模型的信息，从信息层面上讲更容易被获取和处理的信息应该被优先考虑。

同时，在后续的评价过程中，需考虑现有评价标准框架。通过整理和归纳，绿色建筑环境性能评价指标由几个相互关联和相互作用的要素组成，这些要素由于其特征决定了该指标体系具有一定的层次性，因此将绿色建筑环境性能评价指标体系分为资源消耗、能源利用、生态环境、室内环境4个部分，如表1所示。

表1 绿色建筑环境性能评价体系

（1）资源消耗指标。建筑资源消耗与其周围环境息息相关：医院、超市、学校等公共配套设施可以为使用者带来便利；冬天的采暖及夏天的空调可以减少气候环境给人体带来的不适。相比于传统建造方式下建筑建造及运营阶段资源的巨大消耗，绿色建筑在设计阶段就将生态节能理念融入其中，将建筑材料循环使用，充分利用地下空间，因此其在建造及使用阶段资源的消耗量都会小于传统建筑。

（2）能源利用指标。与传统建筑相比，绿色建筑的优势就是在保证人们正常生活的前提下最大限度地减少不可再生能源利用，以减少对环境的破坏。例如可以通过特殊设备将太阳能转化为电能；收集雨水进行处理来代替部分自来水使用；另外，绿色建筑在设计时还会考虑尽可能利用自然光照来满足室内采光需求。

（3）生态环境指标。良好的生态环境可以带给使用者愉悦的心情。因此生态环境分析应贯穿绿色建筑的全寿命期，建造阶段对周围生态环境的影响，建造时的绿色植被覆盖率，以及建造和使用阶段的垃圾分类收集处理都是在绿色建筑的全寿命期中需要注意的。

（4）室内环境指标。绿色建筑在全寿命期内可减少对资源的消耗，设计时还需要在室内环境上带给使用者最大的舒适。因此，室内声环境、自然采光以及热环境都是必不可少的考察指标。

2 绿色建筑环境性能评价模型构建

2.1 Yaahp计算权重

Yaahp是计算层次分析法的辅助软件。其基于层次分析法原理，按照构造判断矩阵、计算各指标权重和一致性检验步骤，对数据进行分析处理的基础上，快速得出各指标权重。

2.2 综合评判

模糊集合[16]（Fuzzy-sets）的概念由美国自动控制专家查德教授提出，用来描述事物的不确定性。其中心思想是根据模糊数学的隶属度理论将定性转化为定量，可以很好地解决难以量化的问题，具有明确的结果和强大系统化特征。具体评价步骤如下：

（1）构建绿色建筑环境评价评语集。建立评估对象的评语集V={v1，v2，…，vn}={深绿，绿，浅绿，合格，不合格}，即评估等级，每个评估等级分别对应一个模糊子集。对评语集的每个评估等级进行赋分，赋值后的评价结果K={优，良，中，合格，不合格}={90，80，70，60，0}。确定评估因素集U={u1，u2，…，un}，其中ui(1，2，…，n)ui表示评估对象的第i个影响因素。

（2）构建隶属度矩阵R。若第i个因素的单因素评判集合ri={ri1，ri2，…，rim}，其中rij表示第i个因素对第j个评语的隶属度。对U中所有因素进行逐一评估，就构成了U×V的隶属度矩阵R：

（3）构建模糊综合评估模型。模糊综合评判最后将AHP法得到的权重集W与模糊评判矩R构建模糊综合评估模型：

式中，bi为模糊综合评估指标，归一化处理后可得标准评估结果B。最后，可计算综合评估值各指标在进行综合评价时，专家仅对不可量化或者难以得到确切数据的指标进行打分。指标评级标准如表2所示。

表2 各指标评价标准

3 实例分析

3.1 项目概况

中德节能示范中心位于沈阳建筑大学校园内东南侧，东靠学校体育场，西临八王书院，北有校园稻田景观，南向为自然空地。中心共3层，地上2层、地下1层，总建筑面积 1600.7 m2，地下层面积为560m2。中心以实现节能减排及使用空间高舒适性为目标，通过主被动式节能设计相结合及相应节能产品的集成运用加以实现。在进行性能分析时由于该中心在Revit中的模型较为复杂，模型转换需要的时间较长，因此本文选择在Ecotect Analysis中直接建模（见图 1），以此为基础对其相关数据进行提取分析。

图1 项目3D网格界面模型

3.2 指标来源判断

在开始评价之前需先对表2中的各项评价指标进行判断，确定各个指标的信息来源。

指标来源可分为三类：一是根据工程自然概况进行判别（信息来源于项目图纸和相关记载文件[18]）；二是根据在Ecotect中构建的BIM模型进行信息提取（直接提取或按照公式计算获得）；三是无法进行定量获取的信息，本文选择通过专家打分的形式进行判断。具体判断如下：

第一类包括公共配套设施、节地与地下空间利用率、绿植覆盖率、采暖与空调能耗、太阳能利用率；第二类包括可循环材料比重、室内声环境、室内自然采光、室内热环境、雨水利用率、自然资源直接利用；第三类包括垃圾分类处理、建造阶段对环境影响。

3.3 信息提取

根据第二类指标内容，通过Ecotect既有模块，选择可以从 Ecotect中提取信息的评判指标直接用于隶属度判别。

3.3.1 日照时间分析

日照时间是指建筑物被太阳光直接照射的时间。我国规定建筑最底层窗户在大寒日日照时间不低于一小时，以此为标准对中德节能示范中心进行分析。软件建模后选择地区为沈阳，对大寒日日照轨迹实时计算，计算结果如图2所示，11:30~16:00均无建筑物遮挡，可见日照时间符合要求。

图2 软件模拟建筑遮挡情况

3.3.2 室内声环境

建筑室内声环境的影响因素有很多，包括建筑选址、周围环境、房间布局、建筑材料等多个因素。以建筑室内混响时间为判别依据，分析计算前设置各材料吸声系数，进行Statistical Reverberation计算（见图3）。灰色宽带代表演讲音乐最佳混响时间，以赛宾公式计算混响时间为0.59s。

图3 Ecotect混响时间分析

3.3.3 室内自然采光

室内自然采光是衡量建筑舒适度以及现有方案设计合理性的一个重要考察指标。为考察中德节能示范中心居住舒适度，利用 Ecotect的光环境分析模块进行建筑室内自然采光分析（见图 4）。依照辽宁省沈阳市地理位置参数：经度123.8度，纬度41.5度，采光按照最不利条件设置，大寒日全阴天模式；根据模拟结果显示，室内自然采光系数满足国家规范的面积比例累计为99.75%。

图4 建筑室内自然采光分析

3.3.4 室内热环境

建筑室内热环境舒适度是建筑设计时需要考虑的重要元素之一，任何建筑在寿命周期内，其室内温度、湿度、气流速度以及平均辐射温度都应该在规定范围内。利用 Ecotect的热工分析功能进行Thermal Analysis的计算，并统计所有房间在最舒适18℃~26℃的百分比，纵轴为百分比，横轴为时间，画出折线图（见图 5），计算得出平均舒适温度百分比为35.2%。

图5 建筑各房间舒适温度百分比

3.3.5 可循环材料使用

绿色建筑是建筑业实现可持续发展目标的形式之一。可循环建筑材料的使用是绿色建筑发展、节约资源的核心体现。中德节能示范中心使用了大量可循环材料，部分地方采用钢结构，是绿色建筑的良好示范基地。对中德节能示范中心的材料使用情况进行统计（见表 3），经计算可循环材料的使用占总比重的17.48%。

表3 项目可循环材料使用计算书

3.4 项目环境性能评价等级确定

3.4.1 基于专家评语集的判断矩阵

通过对中德节能示范中心相关资料进行分析，邀请专业人士和不同层次的专家对指标体系中的指标进行打分，并利用Yaahp v10.5软件进行计算，结果如表4~表8所示。

表4 绿色建筑环境性能评价体系判断矩阵

表5 资源消耗判断矩阵

表6 能源利用判断矩阵

表7 生态环境判断矩阵

表8 室内环境判断矩阵

3.4.2 隶属度矩阵构建

根据表2给出的标准所示，可以根据模型提取并用于量化指标评价分析值的内容如表9所示。

表9 矩阵数值来源表

然后邀请 10位专家对不能量化的指标进行打分，综合上述分析结果，得出模糊关系矩阵如下：

3.4.3 模糊综合评估

首先进行单因素评估：

式中，B1，B2，B3，B4分别表示4个一级指标的模糊评估矩阵；R表示整个绿色建筑环境性能评价的模糊关系矩阵。然后进行综合评估：

通过上述计算分析得出该项目环境性能评价得分为80.1，介于深绿和绿之间，说明该绿色建筑总体环境性能良好，但尚有很大的提升空间。

4 结语

本文在借鉴我国现有相关绿色建筑环境性能评价标准的基础上，建立了相对完善的适宜我国北方地区的评价指标体系对绿色建筑环境性能进行评价分析，并以沈阳建筑大学中德节能示范中心为例进行结果检验。结果表明，中德节能示范中心的绿色等级介于深绿和绿之间，总体而言说明环境性能良好，与现实中行业的基本认知一致，验证了本评价方法的可行性。当然，该方法仍需要在以后的实践中不断修正，需要更多的项目案例进行测试。同时，虽然引入BIM技术使得大部分指标可以直接进行量化评价，但仍有部分指标带有主观性，因此在以后的研究中可以尝试引入更多可量化因素进行评价，使结果更客观准确。同时，还可将BIM技术更广泛地应用到绿色建筑的全寿命周期中，积极探究绿色建筑中BIM技术应用价值的定量化研究，促进BIM技术与绿色建筑的深度融合，推进绿色建筑的健康发展。