BIM技术在绿色建筑设计中的运用

杨楷丰（太原市热力设计有限公司，山西 太原 030001）

BIM技术的出现把建筑设计带入了三维时代，因为其可以展示丰富的信息，从而在建筑设计、施工过程以及施工管理方面都可以得到优化[1]，进而确保设计、建造、经营管理等多个环节均保持一致。目前随着人们环保意识的不断提升，绿色建筑理念也在悄然兴起，其主张在建筑设计中充分利用自然资源，如阳光、风力等，同时也重视建筑内部和建筑外部的连通[2]。如今BIM技术和绿色建筑的设计都处于蓬勃发展时期，因而将此二者加以结合有一定的现实意义。

1 绿色建筑概念

“绿色建筑”这一概念最早出现是在2006年所发布的《绿色建筑评价标准》，其给出的定义是：在建筑生命周期之内，最大程度上实现资源和能源的节约，从而对环境实现保护[3]，与此同时也要确保使用空间的健康、适用以及高效性，属于环境友好型建筑工程。目前该理念已经得到了政府、公众各个层面的普遍认可。人们对于绿色建筑的普遍认同是，其并不是建筑艺术流派，而是建筑工程相关主体在社会、文化和经济等背景下，以实现自然和社会的和谐发展为目标的建筑理念。

2 BIM技术在绿色建筑设计中的应用优势

2.1 BIM技术覆盖绿色建筑全生命周期

BIM 技术和绿色建筑都对建筑工程的全生命周期予以关注。由于BIM 技术有着较为广泛的覆盖范围，除了建筑工程的最终拆除之外都有涉及。但结合目前建筑行业的发展现状，BIM技术在未来也将会考虑建筑拆除的相关问题，从而使其与绿色建筑一样覆盖全生命周期[4]。绿色建筑和BIM技术结合起来之后，就可以在同一平台数据上使不同专业技术人员共同完成设计，并且做好数据整合。在通常情况下，BIM 模型建立后也可以在施工阶段得到应用，从而给工程量的统计和计算提供便利。与此同时，也可以模拟施工过程，对施工方案进行组织管理。

同时BIM 模型也可在建筑运营管理中得到应用，这样管理人员就可以对于自身所维护的建筑有着更为直观且全面的了解，并且信息也不容易在传递过程中丢失[5]。除此之外，由于BIM将建筑的全部信息涵盖进去，BIM 技术也可以实现性能分析、绿色分析以及空间论证等多方面功能。

2.2 BIM技术在绿色建筑设计中具有模拟性

在绿色建筑工程的设计过程中，BIM技术可以仿真和模拟绿色建筑设计阶段的各个板块参数，这样就可以从整体上优化和完善设计方案，同时还能够将方案设计中的优势和不足都体现出来。除此之外，BIM技术也可以计算绿色建筑工程的结构和材料，在获取这些信息之后，就可以得到一份直观且信息较为完善的图纸。尤其是在采光和通风参数模拟实验方面的应用优势较为明显。如果是在建筑工程设计之初就将这些内容都计划完毕，那么在后续施工过程中也将节约很多流程，对成本控制和工期的保证而言都是非常有利的，从而使绿色建筑的智能性、环保性优势得以体现。

2.3 BIM技术使绿色建筑设计具有可优化型

BIM技术在绿色建筑设计的应用过程中，可以经由对模型的利用使设计、参数、规则以及建筑信息等多方面的信息汇集起来，对项目方案进行整体性评价，同时也具有制定特殊项目方案的能力。举例来说，屋顶、裙楼、幕墙的设计优化，异形结构的设计优化等。因而在BIM 技术体系当中，其优势并不仅仅体现在3D 建模方面，还体现在可以直接对照时间、成本。这样一来，BIM技术可以在完成施工模型设计的基础上，体现模型生成过程和数据统计相关内容，并且做好材料选择、方案计划，为施工可行性提供翔实的报告。

综上所述从绿色建筑设计方面来看，BIM技术的优势也非常明显，例如在施工过程中，可以细致分析建筑工程的采光数据，同时结合建筑工程环保材料和绿色能源的使用进一步计算出建筑工程的采光以及节能效果。除此之外BIM 技术还可以模拟通风环境，将建筑工程和当地的自然环境进行融合分析，从而判断人们对建筑工程的心理预期。这样看来，BIM技术可以兼顾时间、空间的结构，也可样让使用者的安全性和舒适性得到保障，从而在设计阶段得以规避很多使用当中可能会出现的问题。除此之外，BIM技术在建筑设计过程中，不仅可以提供大量的信息数据，也可以实现模拟分析，在此基础上可以直接预览设计效果，并且对施工行为提供准确的支持，所以BIM 技术在绿色工程设计中的作用是极为明显的。

3 BIM在绿色建筑设计中的应用框架

在BIM技术下的绿色建筑设计当中，需要运用BIM技术的优势，解决绿色建筑设计中的困难环节，从BIM技术的角度提出解决方案。绿色建筑的生命周期分为四个部分，分别是决策、设计、施工和后续运营阶段。BIM技术在绿色建筑设计过程中，需要体现的是在建筑工程前期分析阶段和设计阶段，运用BIM 模型完成模型搭建，并且对建筑性能进行模拟分析。

绿色建筑项目的流程和BIM技术实施的流程整合过程中，需要对不同阶段的BIM 功能进行分类，目前BIM技术的功能主要包括有前期分析、模型生成以及虚拟现实等多个方面，而绿色建筑设计又包括概念设计、方案设计、初步设计以及施工图设计这四个阶段。如图1所示，为BIM功能在不同阶段的整合情况。

图1 BIM技术在绿色建筑设计中的应用框架

4 BIM技术在绿色建筑设计中的运用

本文以某绿色建筑项目为例，从采光和通风两个方面阐述BIM技术在绿色建筑设计中的应用。

4.1 项目概况

本项目的构成主要有办公、接待、研发和会议等用房，建筑总面积为31600m2，共有两栋楼，其中场地南侧的为科研楼，呈L形；B座办公楼拆除后重建停车楼，呈一字型，建设于场地北侧。科研综合楼的结构为地上10层，地下1层，楼体高度为45m，结构为框架剪力墙结构。项目预期建设一个舒适、低碳的绿色办公建筑，从而提高室内舒适度，且对当前杂乱无章的停车情况进行改善，扩大停车容量。在设计过程中需要贯穿绿色建筑设计理念，从而实现资源节约。建筑造型设计也需要和周围环境保持和谐，外观简约朴素，在工程设计过程中融合可持续发展观念，从而实现使用功能和建筑美感的统一。

4.2 采光分析

建筑物室内采光主要是在最大程度上利用自然采光，辅以人工照明，达到建筑物在采光方面的需要。建筑室内自然采光主要是通过建筑外窗完成的，而随着光照进深的增加，光照也在不断减弱，并且照度分布不均匀。为了解决室内深处自然采光无法触及的问题，就需要增加窗户的高度和宽度，但是这又会受到建筑层高的影响；在建筑室内的光照度无法达到建筑采光设计标准的情况下，就需要开启人工照明来补充照度，一般情况下，灯具数量是由设计人员根据总功率计算而得出的。但是照明灯具不仅仅会通过数量影响室内照度，同时还有灯具布设方式也会影响室内光照度，因而进一步复杂了室内光照度的计算。

基于BIM 的自然采光模拟分析，首先需要对现有的自然采光效果进行评估，评价目前室内的空间采光是否能够达到使用要求，并且针对目前采光中存在的不足，提供可行的优化方案，在设计上实现经济合理性，并且适应工作的要求。本项目按照国家标准规定进行模拟，按照设计图纸进行简化和建模，并且按照可行性报告当中的相关参数进行模拟和分析，确定其是否达到我国的建筑采光设计标准。软件工具采用Ecotexrt2010，该软件可以实现交互式分析，分析光照的技术性能。本项目通过该软件内置的光环境分析模块，按照图纸进行全尺寸建模，之后在模拟采光系数的过程中，尽量对模型进行简化，对于采光影响程度较低的参数，如窗框、墙壁厚度均应考虑。

结合设计的实际情况，选择如下条件：全阴天模型、无太阳支设、采光指数最为不利，时间为冬至日中午12点。首先对于建筑物主要使用空间的采光效果进行分析，确定其中满足我国建筑采光设计标准的面积情况，以3层作为例子，对采光模拟分析过程进行总结。本建筑工程当中，3 层主要功能区域包括有办公室、会议室等，3层的具体模拟分析如图2和图3所示。

图2 三层平面图

图3 采光模拟分析图

对于研发楼各个功能区域自然采光效果进行模拟之后得到下列结果：本建筑的外窗布置、楼层平面分布均达到了国家标准，办公区域自然采光面积和公寓区采光达标面积也符合设计需要。

4.3 自然通风模拟

本项目的自然通风模拟是采用CFD来完成的，本分析软件是应用Phoenics2013工具，对通风情况进行计算。

本项目处于所在城市的西侧，该地区位于季风气候区，夏季为东南风向，由于夏季温度较高，因而自然通风需要对于夏季情况进行分析。在确定了本工程夏季迎风面、背风面的风压分布情况之后，就不难发现，建筑迎风面和背风面的压差并不大，大约为3Pa，因而满足自然通风的需求。之后导入人员活动主要高度位置的空气龄分布图、风速分布图，经过计算后结果证实，该层主要功能空间外窗可以起到良好的通风效果，室内空气流动情况较好，大多数区域空气龄均不高于30min，可确定大约每小时换气2次，仅仅在建筑西侧个别区域存在流通死角，其与部分自然通风情况较好，可适应绿色建筑评价标准的相关要求。本建筑内空气流通速度均不高于1m/s，可以适应人员对舒适度的要求，不会对活动造成负面影响。

较好的室内通风情况可以提高室内舒适度，尤其是在夏季，室内人员对于热舒适度的要求更高，在通风良好的情况下可以保证室内热量的有效扩散。由于冬季不存在建筑自然通风和利用的问题，因而无须考虑冬季的通风情况。为了进一步提高建筑室内的通风效果，可以适当对建筑角度进行调整，使用其与夏季主导风向之间形成一定的角度，这样就可以在热压、风压的共同作用下完成通风。本项目自然通风分析如图4 所示，结果证实，室内空气龄均不大于30min，具有良好的自然通风能力。

图4 结合BIM 技术的场地风环境模拟

5 结语

随着社会的发展，人类和自然的关系日益紧张，全球变暖、能源危机问题不断暴露，因而绿色建筑就成了建筑行业发展的大势所趋。绿色建筑设计理念当中就体现出了环保性、节能性和可持续性，优势较为明显，其与我国可持续发展道路之间有着高度的同一性。BIM 技术的应用则可以进一步提高建筑工程设计的效率和质量，目前BIM 技术已经较多地应用于建筑工程设计当中，而在绿色建筑设计方面则还需要进一步探索，完善技术，积累经验，才能为绿色建筑的设计起到更大的作用。