BIM技术在绿色建筑中的实践研究

朱 妍

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232000)

BIM(Building Information Modeling)技术,又称建筑信息模型,通过将建筑设计信息传输至模型中,实现建筑、结构、水电、消防、园林等专业的信息整合,为工程的高效管理、风险规避、信息共享等提供了水平先进的数字建造平台,以BIM技术助力绿色建筑。 BIM的3D可视化、能效分析、仿真维护和改造过程可以对建筑环境、资源能耗进行分析和模拟,优化方案,为绿色建筑提供科学的决策依据。

国内外研究者针对BIM在绿色建筑中的应用进行了广泛的讨论。Yu Cao等[1]对绿色建筑建造阶段的BIM能力进行了系统性检视。结果表明,BIM在绿色建筑建造阶段的项目质量改进、生命周期数据存储和管理、协作优化、规划和进度管理优化方面具有显著优势。Tahmasebinia Faham等[2]利用回归模型,对BIM工具开发的绿色建筑进行能源模拟,研究发现,在相同的建筑条件下,菱形建筑的能耗最高,而三角形建筑通过基于Autodesk Kits、带有Doe-2引擎的绿色建筑工作室(GBS)等七个基本原型建筑模型的能耗模拟,显示了最高效的能源性能。赵钦等[3]总结了当前BIM技术在绿色建筑应用时存在的问题和不足,并提出进一步应用BIM技术实现绿色化建设的建议。张智健等[4]以某住宅楼为例通过BIM技术及Ecotect软件对其进行模拟分析并优化了其采光条件、热环境条件及节能潜力。

本文在现有研究基础上,以松山湖台湾园北部学校为研究对象,以资源消耗、能源利用、生态环境、室内环境作为评价核心,结合层次分析法和模糊综合评价法进行预评价,验证该方法的实用性,为后续研究提供参考[5]。

1 构件评估框架

1.1 各国评价体系对比

田娇等[6]对比了英国BREEAM、美国LEED和我国的ESGB后指出:BREEAM和LEED具有较强的可适用性,包含了整个建筑的生命周期,而我国ESGB仅停留在建筑的规划与设计、建设、运行与维护阶段,缺少在材料与构件生产、拆除与处理方面的评价,使得评价体系的完整性下降。虽然都是绿色建筑评价标准,但是由于各国的绿色建筑评价体系的背景和出发点不同,考虑的相关指标也不相同,在评价方法和内容上都有较大的差别,不能直接用于本研究,只能作为参考。同时,未来的评估过程应考虑到现有标准的评估框架。研究者们[7-11]已经对评估框架进行了详细的阐述。

1.2 建立评价体系

1.2.1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)是指通过构建目标、方案、准则或指标然后进行相对重要性排序、构造判断矩阵、一致性检验、计算相对权重的方法。主要有两种类型,基于专家判断矩阵的层次分析法和基于多准则决策图的层次分析法,在实际工作中,两种方法通常结合使用。

1.2.2 构建绿色建筑性能评价体系

建立模糊综合评价体系:以实际情况并结合其他研究者的研究成果建立合适的评价框架,本研究将采用的评价体系如表1所示。

表1 绿色建筑环境性能评价体系

1.2.3 指标体系建立原则

本研究通过BIM模型、CAD图纸进行打分,具备以下五方面的原则:

1)科学性原则;2)完备性原则;3)统筹协调原则;4)独立性原则;5)可操作性原则。

2 绿色建筑环境性能评价模型构建

2.1 Matlab计算权重

Matlab(矩阵实验室)是美国MathWorks公司出品的基础型数学软件系统,是数字计算领域领先的数学技术应用之一,主要用于行矩阵运算、绘制函数和数据等领域。Matlab的基本数据单位是矩阵,比其他语言更容易解决问题,所以本研究采用Matlab进行一致性检验和计算权重。

2.2 模糊综合评价

2.2.1 模糊综合评价法的概念

模糊综合评价法是指利用隶属函数将各评价因素的重要程度进行综合量化,并用隶属度来表示的一种定性方法。它是综合分析复杂的系统,从系统整体出发,以较少的主观因素为依据来进行评价,避免了专家主观的局限性。这种方法在很大程度上弥补了专家在评价过程中信息不足、知识匮乏等缺点,能较好的解决模糊和难以量化的问题,适用于各非确定性问题的解决。由于模糊评价是建立在模糊数学理论上的,其运算步骤具有一定程度的模糊性。

2.2.2 模糊综合评价法的步骤

1)构建判断矩阵:构建评语集:V=(v1,v2,…,vn),其中,vj为第j种评价结果可根据不同的等级、评语或数字表示,这里V=(v1,v2,v3,v4,v5)=(90,80,70,60,0)=(深绿,绿,浅绿,合格,不合格),各因素的权重集合的模糊集用W表示:W=(w1,w2,…,wm)。

2)构建隶属矩阵:通过专家评分法获得评价矩阵,若因素集U中第i个元素对评价集V中第i个元素的隶属度为ri1,则对第i个元素单因素的评价的结果用模糊集合表示为:Ri=(ri1,ri2,…,rin),以m个单因素评价集R1,R2,…,Rm为行组成矩阵Rm×n称为模糊综合评价矩阵。

3)合成隶属矩阵和权重:B=W1m×Rmn=(b1,b2,…,bn)。

4)确定系统总得分:综合评价模型确定后,确定系统得分,D=B1×n×K1×n。其中,D为总得分;K为V中相应因素的级分。

3 实际项目分析

3.1 项目概况

松山湖台湾园北部学校项目位于北纬广东省东莞市23.02°,东经113.45°,气候分区为夏热冬暖南区,建筑主要功能为教室、办公、宿舍、餐厅等,地下为停车库、设备用房、餐厅等,项目用地面积为33 586 m2,建筑高度为46.15 m,项目建筑面积为72 402.43 m2,其中地上面积为50 559.12 m2,地下面积为21 843.31 m2。 建筑节能计算体积为36 053.24 m3,外表面积为13 726.86 m2。外墙太阳辐射系数为0.75,屋顶太阳辐射系数为0.75。本项目绿色建筑设计目标为二星级,根据ESGB标准进行预评价,得分为72.2(见表2)。

3.2 信息提取

根据建筑设计图纸以及计算书提取相应数据,无法量化的指标采用专家评分法进行评价。

1)室内自然采光:本项目为学校建筑,室内隔断较少,整体有利于室内自然采光,有利于改善室内的自然采光均匀度,降低室内眩光。项目天花板和内墙面均采用浅色材料饰面,增加了其可见光反射比,有利于增加室内墙体的背景亮度,缩减室内和外窗的背景亮度差,从而缓解室内眩光。主要功能房间动态采光满足要求。所有区域照明功率密度均满足目标值要求;人员长期停留区域采用无危险类照明产品;LED照明灯具的光输出波形的波动深度满足标准要求。

2)室内声环境:外墙采用水泥砂浆200 mm+挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(带表皮)20 mm+水泥砂浆20 mm+加气混凝土、泡沫混凝土(ρ=700)200 mm+石灰砂浆20 mm,空气隔声量为46 dB;内墙采用水泥砂浆15 mm+蒸压加气混凝土砌块200 mm,空气隔声量为47 dB,楼板采用水泥砂浆20 mm+隔音胶凝20 mm+钢筋混凝土120 mm,空气隔声量为47 dB,撞击声声压级为63 dB;外窗采用断热铝合金窗+透明玻璃(5 mm～6 mm),空气隔声量为27 dB,构件均满足要求;室内最不利房间的室内噪声级达到低标准限值和高要求标准限值的平均值,场地噪声介于2类与3类声环境之间。

3)室内热环境:本项目采用分体机、多联机,室内主要空间空调设计参数中温度、湿度、新风量均符合标准要求,末端可独立控制温度,隔热满足标准要求,能效值不低于2级能效,多联机能效值比国家标准要求提高8%以上。室内主要空间满足Ⅱ级的面积比例为100%。

4)日照时间分析:本项目教室满足冬至日不小于2 h的标准,宿舍满足日照要求。

5)可循环材料使用:本项目可再循环材料用量占比达到12.4%。

6)节地与地下空间利用:本项目地下室建筑面积与用地面积的比大于0.5。

7)采暖与空调能耗见表3。

表3 全年供暖和空调总耗电量 kW·h/m2

8)公共配套设施:本项目内部停车场、公共绿地对外开放;教室、会议厅等在非上课时间对外开放;充电桩停车位数量占比为29%;周边500 m内有停车场。本项目室外健身场地为环形田径场、3栋专用教学楼屋顶网球运动场与1栋教学楼一层篮球场、屋顶游泳池,面积为5 005 m2,总用地面积为33 586 m2,则室外健身场地面积占总用地面积的14.9%;室内健身场地设于体育馆,地下室儿童保龄球室面积为2 780.8 m2,占地上建筑面积的比例为5%;各栋建筑均设有自然采光良好的楼梯间,距离建筑出入口为2 m。

9)自然资源直接利用:宿舍热水均采用空气源热泵提供。

10)绿植覆盖率:本项目为小学,校区内绿化对外开放,场内绿地种植凤凰木、芒果、火焰木、大叶紫薇、小叶榄仁等,绿化方式采用复层绿化。

3.3 项目环境性能评价等级的确定

3.3.1 基于专家评语集的判断矩阵

通过对台湾园北部学校相关资料进行分析,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

3.3.2 隶属度矩阵构建

通过专家对指标进行打分,得出以下隶属度矩阵:

3.3.3 模糊综合评估

首先进行单因素评估:

B1=WB1×RB1=(0.184 4 0.050 9 0.764 7 0 0)。

B1=WB1×RB1=

(0.130 2 0.783 9 0.052 0 0.015 9 0)。

B1=WB1×RB1=

(0.230 0 0.321 4 0.373 6 0.078 3 0.028 7)。

B1=WB1×RB1=(0.136 5 0.863 5 0 0 0)。

B=WA×R=(0.166 0 0.623 0 0.184 8 0.024 3 0.008 0)。

D=B×V=79.174。

4 结语

本文以松山湖台湾园北部学校为研究对象,结合层次分析法和模糊综合评价法对项目进行预评价。结果表明,松山湖台湾园北部学校的得分为79.174分,绿色等级介于绿和浅绿之间,环境性能良好,与ESGB标准进行的预评价分数相差不大,证明了这种评估方法的可行性。不过这种方法仍然需要更多的项目案例进行测试,需要研究人员对BIM技术进行开发及优化,降低各个指标的主观性,使结果更加客观。