节能社区设计中智慧评估平台构建与流程方案

洪田芬，王 俭

（浙江东南建筑设计有限公司，浙江 杭州310012）

目前，在建筑设计中较为前沿且已开展较大范围应用的智慧化处理技术包括环境模拟技术、参数化设计技术与BIM技术等，相关的软件功能和插件开发基本实现对绿色建筑和节能社区设计、建设、测评的智慧化支持，但均以点式应用为主，三者之间的应用链接较为缺乏，尚未构建一体化的智能评估平台。本文研究的重点是如何在取三类软件之长的基础上构建软件挂接的智慧评估平台，形成高技术、全控制、快修正、易测评、可推广的绿色建筑与节能社区建设智慧化设计流程链。

1 节能社区设计相关智慧化处理技术选择

1.1 环境模拟技术

环境模拟技术已广泛应用于绿色建筑的测评中，国际上主流的热环境模拟软件包括Rayman1.2，ENVI-met3.1和SOLWEIG 2.2等，但这些应用广泛的软件主要用作方案完成后测评，在对方案前期指导和中间修改阶段的应用中存在问题：一是运算速度和精确性难以兼得；二是难以即时展现方案调整的影响。设计师在方案初步成型后再为了满足绿建评估标准而与专业建筑节能评估公司合作，评估公司应用软件测评来出具节能评估报告；而在节能的设计阶段，设计师大多只能应用较为原始的公式测算方式，设计效率不高。因此，本次智慧评估平台构建选择由香港大学黄健翔教授等自主开发的利用反向光线追踪原理来测算城适微气候和行人热舒适度的新模型——“城适”（“Citycomfort+”）［1］。该工具可在参数化设计平台“犀牛”（Rhino）加载，实现节能评估和方案修改的即时链接。

1.2 参数化设计

参数化设计即通过控制个别参数来自动调整建筑的整体模型，可根据建筑师对建筑的空间定义，以参数修改快速提供量化、直观的设计成果。“犀牛”（Rhino）与Grasshopper等参数化设计软件已在建筑设计界广泛运用，尤其是应用在高复杂建筑设计中。国外的研究者结合开发了一系列犀牛环境设计模拟插件，如“蜜蜂”（honeybee）、“瓢虫”（Ladybug）等，其应用效果在不同案例中已深化实践测评，并可直接链接到国际各大气候数据平台。

1.3 BIM技术

BIM的全称是建筑信息模型（Building Information Modeling），BIM设计软件有Revit、Solidwork、Archi CAD、Micro Station、Vectorwork等，其中Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一。BIM技术在工程领域的应用已经十分成熟，但在设计方案阶段仍是实践不足：一是BIM针对绿色建筑这一特殊建筑类型缺乏较为精确和可靠的应用方案；二是其应用范围以建筑本体为主，对节能社区整体建设流程控制尚有不足［2］；三是评价、监控、展示等功能相对成熟，而与之相匹配的方案设计、优化与修正技术需进一步在应用中得以深化。

2 节能社区设计中智慧评估平台构建的技术方案

2.1 设定智慧评估平台的流程技术环节

从社区设计的全过程“规划—设计—施工”与设计的三个空间层级“社区庭院—建筑单体—住宅室内”出发，确定社区规划设计、建筑设计初步、施工图与室内设计三个阶段流程，确定在每一个阶段均嵌入相应的节能评估环节的技术标准，确保实现全流程、全空间的节能设计。见图1。

2.2 智慧化节能评估技术的单流程嵌入

根据每个阶段流程所需的工作精度，嵌入相匹配且效率、准确性都较高的参数化节能评估技术：在社区规划设计环节应用环境模拟技术插件Citycomfort+；在建筑设计初步环节应用Ladybug；在施工图与室内设计环节应用Honeybee，并依托Honeybee链接到国际绿色建筑评估标准平台gbXML，以确保该建筑工程满足国际对节能社区和绿色建筑的要求。三个环境模拟技术插件的链接能够实现节能设计和评估的一体化，即可以在设计过程中即时改进，大大改善了国内普遍采用的设计与评估相分离的节能设计模式可能造成的流程拖沓、低效返工现象。

2.3 智慧化节能评估技术的多环节嫁接

智慧化节能评估技术的嫁接包含普通建筑建模软件与参数化软件的嫁接、不同参数化节能评估插件之间的嫁接及参数化软件与BIM软件的嫁接。目前建模软件SU、参数化软件犀牛及BIM软件Revit之间已经可以实现模型数据的交互转换，关键在于合理的流程运用，以同时保证效率和精确性：在建筑普通建模环节应用最便捷通用的SU，导入犀牛模型利用插件进入环境模拟分析阶段，完成定型之后导入BIM以指导后续工程实施。

2.4 智慧化节能评估技术的全周期应用

以BIM技术覆盖设计全过程及指导。在建筑模型阶段，在Rhino精细建模导入完善族库的基础上，形成建筑常用族、结构通用族、机电等相关专业通用族三大类内部专用族库方便后期调取，提升设计工作效率。推动异形构件砌筑的设计、“BIM+VR”的展示等重要环节优化，加强后期三维模型展示浏览功能，更好地指导、控制工程实施。

3 节能社区设计中智慧评估平台应用的流程方案

在节能社区设计的社区规划设计、建筑设计初步、施工图与室内设计三个设计阶段中，均嵌入参数化设计与节能评估、BIM设计应用、设计深化调整三个流程工作，建立节能社区设计中智慧评估平台应用的系统流程工作方案。

3.1 社区规划设计阶段

流程1 根据指标与经验试排，形成包含多幢建筑排布与庭院设计的社区初步设计方案。

流程2 将该方案建模导入Rhino并加载Citycomfort+插件，输入前期收集的城市三维地量数据、表面材料属性、地形与气象数据等，输出热辐射能量强度、平均辐射温度、附近空气温度及人体热舒适评价等热舒适性评价结论。

流程3：方案调整，直至通过社区微环境塑造标准。全阶段可导入Revit应用优化BIM建筑通用族族库。

3.2 建筑设计初步阶段

流程1 开展建筑单体设计深化，Rhino与Revit模型数据可即时嫁接，应用优化BIM结构通用族族库。

流程2 将深化方案在Rhino平台上并加载Ladybug插件，输出热舒适性复核、建筑节能、自然采光、人工采光等建筑节能评价。

流程3 方案调整，直至通过节能评估要求。全阶段可导入Revit应用优化BIM结构通用族族库。

图1 节能社区设计中智慧评估平台构建技术路线图

3.3 施工图与室内设计阶段

流程1 开展施工图设计与建筑室内设计，应用优化BIM给排水、电气、暖通专业通用族族库。

流程2 将深化方案在Rhino平台上并加载Honeybee插件，进行建筑节能评估复核，并通过Honeybee链接到gbXML绿建评估平台，确认满足节能社区和绿色建筑设计国际标准。

流程3 在施工图设计过程与项目甲方对接中应用BIM展示与浏览以展现设计细节，并在项目设计完成后以BIM实现施工过程控制［3］。

4 节能社区设计中智慧评估平台的内部系统优化和外部链接构建

4.1 BIM内部系统优化

节能社区设计评估阶段之后，必将带动设计方案的调整优化，继而带动后续工程设计阶段BIM模型的调整。而目前BIM技术还不足以应付设计阶段繁复的调整变化，因此需对设计流程中专用BIM大数据图库、文件存储、调用及挖掘等内部系统进行优化再开发，提升智慧化处理技术的应用效率。

常用BIM建模软件Revit所创建的三维模型由族组成，由于Revit软件最早版本为国外研发，包含的族库存在与国内的情况不同及无法直接调用的问题；软件自带的设备族模型只具备尺寸的大致位置，在项目过程中由于厂商的不同和型号的不同会影响后期的管线安装高度及安装完成后的视觉感官，自带族库无法满足模型精度的要求；软件自带族库的轮廓族均为长方形、圆形等常规形状，无法满足项目的使用要求等。

为适应国内的族使用情况，出现了一系列的针对Revit软件的族库插件，如型兔、红瓦、品茗等，这些插件都是以Revit软件为载体，安装后可以调用里面固定族库。但是国内族库插件普遍存在以下问题：更新速度慢、族种类和类型有限、族水平参差不齐有些无法实现参数化、部分设备的尺寸与现实差异较大，无法实现通用等。

根据以上族库的情况，需要在平台内部建立统一的族库。且族库在建立时就考虑实用性，如机械设备此类的族库都是根据各个厂商提供的样本文件进行制作，同时在制作过程中对参数的命名进行统一规则的设置。在项目建模过程中将族的要求分为两类：一类为需要对各个项目都统一的族，如机电各专业的管道连接件和管路附件等；另一类为针对单个项目的族，如精装修类的族等。针对以上情况需要建立内部的通用族库，其中包括的种类为：建筑通用族，结构通用族，机电给排水、电气、暖通专业通用族。在内部族库建立之后进行族的分类统计，形成统计图表，进行统一编号，方便后期调取与查询。见图2。

图2 BIM自带族库和优化后内部族库的对比

此外，还需通过参数调整建模、异形构件砌筑的设计、“BIM+VR”的展示等重要环节优化，加快设计流程及后期三维模型展示浏览。

4.2 基于犀牛形成的外部链接

针对解决现有节能评估不同阶段难以链接，以及内部评估和外部测评难以转换的问题，本次智慧评估平台选择了基于犀牛（Rhino）的模型插件：城适软件（“Citycomfort+”）与Ladybug、Honeybee，可基于犀牛模型实现无缝传递。其中，城适软件应用于通风微环境的塑造，即在建筑排布、架空结构、水景植被（蒸发冷却）等小区环境规划层面评测调整完成后，再传递给以评测建筑单体节能设计为主的Ladybug插件；Ladybug插件通过官网上下载的全球各大城市的天气数据对建筑设计模型进行各种环境分析，如风玫瑰图、日照分析、建筑表面温度与通风、湿度等，并且可视化的将这些分析图体现在建筑模型上，设计师可以根据分析结果对初始设计进行调整优化，再传导给下一个层次即可以评测室内热环境舒适度的Honeybee插件；Honeybee是一个专家级别的大型环境分析软件，可以对精细模型进行分析，并且通过Honeybee这个插件可以链接到如Open-Studio、EnergyPlus、Radiance、gbXML等国际各大气候数据平台。其中gbXML是国际建筑绿色标准化的评估标准平台，即采用该智能设计链进行辅助设计的建筑工程，满足国际对节能社区和绿色建筑的要求。

5 结 语

本流程应用基于犀牛（Rhino）模型可实现无缝传递的Citycomfort+、Ladybug、Honeybee等三大插件的链接，形成“社区庭院—建筑单体—住宅室内”的分层设计应用与评估系统，最终由末梢环节Honeybee链接到国际建筑绿色标准化的评估标准平台gbXML。这样既兼顾了良好建模的能力和模型的完整性，且在设计每一阶段均能完成对社区与建筑节能的评估，又在方案改进的同时进一步降低建筑能耗、提高舒适度，也省去了后期为了节能绿建重复计算及修改的环节。即构建了环境模拟技术、参数化设计技术与BIM技术三大智慧化处理技术协同工作的平台，大大提高了节能社区设计的智慧化处理水平和评估效率。