李 驍

(重慶大學(xué)建設(shè)管理與房地產(chǎn)學(xué)院，重慶 400045)

1 BIM與綠色建筑概述

1.1 綠色建筑概述

1.1.1 引入綠色建筑理念的必要性

在我國，伴隨建筑業(yè)迅猛發(fā)展的是國內(nèi)自然資源的巨大消耗，不可再生能源、淡水、天然材料、可耕地等正走向枯竭，溫室氣體的排放量和建筑垃圾產(chǎn)生量也大幅增加。國內(nèi)建筑的總能耗已經(jīng)占到全社會(huì)總能耗的30%左右;而從全球來看，40%的CO2的排放是由于建筑運(yùn)行產(chǎn)生的。同時(shí)，建筑室內(nèi)健康環(huán)境與室外環(huán)境越來越受到居住者的重視。政府和建筑從業(yè)單位都希望要以更快速、更節(jié)能、成本更低廉、風(fēng)險(xiǎn)更小的方式建造建筑物。在這些需求的驅(qū)動(dòng)下，綠色建筑的理念逐漸被各界了解和接受。

1.1.2 綠色建筑的全生命周期性

綠色建筑強(qiáng)調(diào)的是在整個(gè)建筑生命周期中，在建設(shè)和使用流程上對(duì)環(huán)境負(fù)責(zé)和提高資源使用效率，建筑的生命周期是指:選址、場(chǎng)地改造、建筑設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)、翻新和拆除。并且主要由兩個(gè)過程組成:第一是信息過程，第二是物質(zhì)過程。施工開始以前的建筑選址、場(chǎng)地改造、建筑設(shè)計(jì)的主要工作就是信息的生產(chǎn)、處理、傳遞和應(yīng)用;施工階段的工作重點(diǎn)雖然是物質(zhì)生產(chǎn)，但是其物質(zhì)生產(chǎn)的指導(dǎo)思想?yún)s是信息(施工階段以前產(chǎn)生的施工圖及相關(guān)資料)，同時(shí)伴隨施工過程還在不斷產(chǎn)生新的信息(材料、設(shè)備的明細(xì)資料等);使用階段實(shí)際上也是一個(gè)信息指導(dǎo)物質(zhì)使用(空間利用、設(shè)備維修保養(yǎng)等)和物質(zhì)使用產(chǎn)生新的信息(空間租用信息、設(shè)備維修保養(yǎng)信息等)的過程。

1.2 BIM與綠色建筑關(guān)系

1.2.1 BIM應(yīng)用于綠色建筑的必要性

BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)簡(jiǎn)單來講，就是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將整個(gè)建筑在電子虛擬三維環(huán)境中完整的建造出來，將整個(gè)建筑進(jìn)行數(shù)字化，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，不僅只是幾何形狀描述的視覺信息(材質(zhì)、構(gòu)造、尺寸等)，還包含大量的非幾何信息，如材料的強(qiáng)度、性能、傳熱系數(shù)、構(gòu)件的造價(jià)、采購信息等。BIM的最重要意義在于它重新整合了建筑設(shè)計(jì)的流程，其所涉及的建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理，又恰好是綠色建筑設(shè)計(jì)的關(guān)注和影響對(duì)象。綠色建筑與BIM相結(jié)合帶來的效果是真實(shí)的BIM數(shù)據(jù)和豐富的構(gòu)件信息，這些給予各種綠色建筑分析軟件以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)麥格勞-希爾建筑信息公司(McGraw-HillCon-struction)2010年美國綠色BIM市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告顯示，美國將BIM技術(shù)運(yùn)用到綠色建筑中的驅(qū)動(dòng)力更多的成為建設(shè)業(yè)主所求，可見BIM在美國應(yīng)用于綠色建筑的認(rèn)可度之高，必要性之重，由此預(yù)測(cè)在我國未來BIM在綠色建筑中將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 將BIM技術(shù)運(yùn)用于綠色建筑項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)力(根據(jù)尚未使用過綠色BIM技術(shù)的企業(yè))

1.2.2 BIM應(yīng)用于綠色建筑的全生命周期概述

由于BIM的用途決定了BIM模型細(xì)節(jié)的精度，在建筑全生命周期中僅靠一個(gè)BIM工具并不能完成所有的工作，所以目前行業(yè)內(nèi)主要采用“分布式”BIM模型的方法，建立符合工程項(xiàng)目現(xiàn)有條件和使用用途的BIM模型。這些模型根據(jù)需要可能包括:規(guī)劃模型、設(shè)計(jì)模型、施工模型、進(jìn)度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。BIM“分布式”模型還體現(xiàn)在BIM模型往往由相關(guān)的設(shè)計(jì)單位、施工單位或者運(yùn)營單位根據(jù)各自工作范圍單獨(dú)建立，最后通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)合成。在綠色建筑全生命周期中BIM的具體應(yīng)用見圖2。

圖2 目前BIM在建筑全生命周期中的應(yīng)用

1.3 BIM在國內(nèi)外綠色建筑中應(yīng)用現(xiàn)狀

1.3.1 BIM 在國外應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM在綠色建筑的應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家受到廣泛專注和良好的使用效果，尤其美國在此領(lǐng)域研究投入了更多的精力。2005年，綠色建筑開始進(jìn)入美國建筑市場(chǎng)，全年2%的新建項(xiàng)目成為綠色建筑。到2008年，新建項(xiàng)目中已有12%的商業(yè)建筑項(xiàng)目和8%的住宅建筑項(xiàng)目成為綠色建筑。該期間，美國綠色建筑運(yùn)營成本下降了13.6%，而這些建筑成為綠色建筑后，綜合價(jià)值上升了10.9%。

1.3.2 BIM 在國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)建筑的節(jié)能與可持續(xù)性發(fā)展雖然很滯后但在某些地區(qū)及某些方面已向“綠色建筑”這一目標(biāo)邁進(jìn)，全社會(huì)的環(huán)保意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，營造綠色建筑、健康住宅正成為越來越多的開發(fā)商、建筑師追求的目標(biāo)。例如萬科中心——中國LEED認(rèn)證鉑金獎(jiǎng)得分最高的建筑，其通過BIM技術(shù)在雨水回收，人工濕地的生物降解，建筑光伏電系統(tǒng)，屋頂?shù)某凉?、冷卻系統(tǒng)，自可轉(zhuǎn)動(dòng)式懸掛立面外遮陽系統(tǒng)，日光照明分析，蓄冰空調(diào)技術(shù)、地板送風(fēng)系統(tǒng)、新風(fēng)熱回收技術(shù)、二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等高效節(jié)能系統(tǒng)的運(yùn)用，使其能耗控制在極低的水平。

2 綠色BIM在國內(nèi)建筑全生命周期應(yīng)用前景分析

2.1 綠色BIM與規(guī)劃選址、場(chǎng)地分析

規(guī)劃選址、場(chǎng)地分析是研究影響建筑物定位的主要因素，是確定建筑物的空間方位和外觀、建立建筑物與周圍景觀的聯(lián)系的過程。在規(guī)劃階段，場(chǎng)地的地貌、植被、氣候條件都是影響設(shè)計(jì)決策的重要因素，往往需要通過場(chǎng)地分析來對(duì)景觀規(guī)劃、環(huán)境現(xiàn)狀、施工配套及建成后交通流量等各種影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)及分析。傳統(tǒng)的場(chǎng)地分析存在諸如定量分析不足、主觀因素過重、無法處理大量數(shù)據(jù)信息等弊端，通過BIM結(jié)合地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)，對(duì)場(chǎng)地及擬建的建筑物空間數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過BIM及GIS軟件的強(qiáng)大功能，迅速得出令人信服的分析結(jié)果，幫助項(xiàng)目在規(guī)劃階段評(píng)估場(chǎng)地的使用條件和特點(diǎn)，從而做出新建項(xiàng)目最理想的場(chǎng)地規(guī)劃、交通流線組織關(guān)系、建筑布局等關(guān)鍵決策。目前國內(nèi)規(guī)劃部門對(duì)于城市可建設(shè)用地的地塊并沒能進(jìn)行完整的地塊性能分析，現(xiàn)如今城市規(guī)劃編制和管理方法無法量化，諸如地塊舒適度、空氣流通性、噪聲云圖等指標(biāo)。導(dǎo)致國內(nèi)規(guī)劃部門不能在可建設(shè)用地中優(yōu)選出滿足人們健康綠色的生產(chǎn)生活地塊來建造建筑。然而BIM的性能分析通過與傳統(tǒng)規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)、評(píng)審結(jié)合起來，將會(huì)對(duì)我國城市規(guī)劃多指標(biāo)量化、編制科學(xué)化和城市規(guī)劃可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

表1 規(guī)劃選址、場(chǎng)地分析具體量化方法

綠色BIM在規(guī)劃選址、場(chǎng)地分析中的應(yīng)用即為城市規(guī)劃微環(huán)境生態(tài)模擬的應(yīng)用。BIM可以準(zhǔn)確測(cè)量生態(tài)與建設(shè)用地的信息和性能，建筑師可以利用BIM將很多生態(tài)因素如綠化、水體整合到一個(gè)建筑的形式和功能中去，使生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)以后將再次為我們提供寶貴的環(huán)境服務(wù)。比如場(chǎng)地平面圖中通過對(duì)比可滲透表面和不可滲透表面來進(jìn)行可視化分析。利用Revit Architecture軟件中的面域功能描繪出不同區(qū)域的不同滲透特征。之后再運(yùn)用色彩方案就能對(duì)位置進(jìn)行可視化分析，同時(shí)在明細(xì)表中可以統(tǒng)計(jì)出可滲透表面和不可滲透表面的面積和二者比值，從而保證該地區(qū)地下水的補(bǔ)充在場(chǎng)地前期設(shè)計(jì)中就得到充分考慮(圖3)。有了Revit的信息化模型，可以在相關(guān)性能化模擬分析軟件中對(duì)于建筑陰影變化和場(chǎng)地全年太陽輻射量進(jìn)行分析模擬，以便幫助設(shè)計(jì)師確定場(chǎng)地的植物配置。比如，將Revit模型通過IFC格式導(dǎo)入Ecotect軟件中進(jìn)行相關(guān)分析模擬(圖4、圖5)。同時(shí)Revit分析工具可以引導(dǎo)建筑師精確模擬自然特點(diǎn)，如現(xiàn)有地質(zhì)分類、天然土堤、裸露巖石、周圍的植被和人造結(jié)構(gòu);模擬風(fēng)、雨、雪等惡劣自然環(huán)境;模擬噪聲;還可以模擬夏季遮陽和冬季使用太陽能取暖。不僅如此，Revit的數(shù)據(jù)庫還可以引入基地周圍環(huán)境，包括建筑、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的信息。這些技術(shù)正是如今在國內(nèi)高速發(fā)展的建筑業(yè)所需要的，國內(nèi)的居民也希望擁有經(jīng)過詳細(xì)選址場(chǎng)地分析后的地塊所建造出的高舒適度健康的建筑。

圖3 規(guī)劃區(qū)域地下水分析

圖4 建筑物陰影變化分析

圖5 太陽輻射量云圖

2.2 綠色BIM與建筑設(shè)計(jì)

2.2.1 室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量分析

由于人們大部分活動(dòng)時(shí)間都在室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量就成為了綠色建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要領(lǐng)域。室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量在以往的設(shè)計(jì)過程中只依據(jù)居住者的經(jīng)驗(yàn)和感覺。BIM的工具和方法，使建筑師能準(zhǔn)確地整合多種不同形式的空間、材料、系統(tǒng)，使其適應(yīng)不同人群生理、心理的健康需求。一個(gè)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量綠色建筑設(shè)計(jì)的BIM模型，可以精確模擬建筑物的室內(nèi)和室外表面與空氣之間的相互作用;并使建筑能夠?yàn)槠渚用裉峁┱彰鳌⒉膳?、通風(fēng)、空調(diào)、給排水等服務(wù)。高素質(zhì)的建筑師可以憑借經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境，但是當(dāng)設(shè)計(jì)條件十分復(fù)雜，在把握正確的設(shè)計(jì)大方向后，依然需要BIM進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)指導(dǎo)，以求準(zhǔn)確創(chuàng)造適宜的室內(nèi)環(huán)境。通過Revit建立的信息模型，可以通過IFC或者GBxml標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)入Ecotect或者IES＜Virtual Environment＞等軟件中進(jìn)行聲、光、熱、空氣質(zhì)量等方面的科學(xué)分析(圖6)，進(jìn)而對(duì)建筑的能耗進(jìn)行模擬分析(圖7)。

圖6 建筑物室內(nèi)環(huán)境模擬

圖7 建筑物能耗模擬分析

2.2.2 綠色建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

BIM還可以幫助設(shè)計(jì)師針對(duì)每一特定部分建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱量進(jìn)行分析，包括:外圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱和散熱量、門窗得熱、散熱和冷風(fēng)滲透量、室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞量等等(圖8)。用BIM模擬建筑物朝向以及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開窗設(shè)置(窗墻比和開窗位置)，進(jìn)而分析房間自然采光、通風(fēng)(圖9)和空氣調(diào)節(jié)以及被動(dòng)式太陽能采暖。例如:BIM可以幫助建筑師對(duì)比多種建筑體量布局的差異，發(fā)現(xiàn)各種可能的室內(nèi)光照情況，以及對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響;也可以幫助建筑師研究包括遮陽在內(nèi)的各種反光裝置對(duì)采光的影響;還可以幫助建筑師研究各種墻和天花板處理方法(曝光材料，顏色，陰影)，同時(shí)考慮到顏色對(duì)人的心理影響，從而體現(xiàn)建筑師的精確化、細(xì)致化設(shè)計(jì)。

圖8 建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱量分析

2.3 綠色BIM與建造施工

在建造施工過程中，借助BIM的沖突檢測(cè)、施工模擬及工程量統(tǒng)計(jì)等功能，可達(dá)到避免浪費(fèi)、節(jié)約資源的綠色目標(biāo)。通過BIM建立三維信息模型，在設(shè)計(jì)及施工階段對(duì)各專業(yè)管線進(jìn)行綜合及沖突檢查，是BIM比較直觀、突出的功能之一。尤其是對(duì)于較復(fù)雜項(xiàng)目，BIM自動(dòng)檢測(cè)建筑與結(jié)構(gòu)及各類機(jī)電管線的沖突，及時(shí)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化修改，避免在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)沖突后返工造成的時(shí)間、材料的浪費(fèi)。由于BIM是帶有材質(zhì)、尺寸信息的數(shù)字模型，在模型信息量足夠的前提下，可以方便地計(jì)算出各類材料的用量。對(duì)于預(yù)制構(gòu)件，BIM更為精確加工及連接提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。借助于BIM技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)算建筑材料用料，避免預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸錯(cuò)誤，也達(dá)到了減少材料浪費(fèi)的目的。在建造過程中，借助于BIM技術(shù)，還可以對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的管理預(yù)先進(jìn)行模擬.對(duì)建材的堆放位置、方法和建筑設(shè)備的位置、工作流程進(jìn)行優(yōu)化，提出最節(jié)省時(shí)間、資源的方案，合理調(diào)配建筑材料、施工設(shè)備、人員等建設(shè)資源。對(duì)于個(gè)別重要、復(fù)雜施工部位，可精確模擬預(yù)演現(xiàn)場(chǎng)施工過程，減少因施工順序、施工技術(shù)不合理造成的返工和浪費(fèi)。

2.4 綠色BIM與運(yùn)行維護(hù)

所有的建設(shè)項(xiàng)目，最后都要進(jìn)入運(yùn)營使用階段。建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工，都是為了運(yùn)營。因此，投入運(yùn)營是建筑各專業(yè)的最終目標(biāo)，同樣也是BIM的最終目標(biāo)。被譽(yù)為“BIM之父”的 Chuck.Eastman在《BIM 手冊(cè)》中認(rèn)為運(yùn)維管理(Operation＆Maintenance)作為全生命周期運(yùn)營管理的后期包括運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)，他是面向建筑設(shè)施硬件及其系統(tǒng)作為主要管理對(duì)象的，近似于現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的設(shè)施管理(Facility Management)。提高建筑物的運(yùn)作和維護(hù)水平，設(shè)法利用設(shè)施提供舒適安全的工作生活場(chǎng)所，對(duì)于改善建筑物內(nèi)人群的健康狀況和提高生產(chǎn)率意義重大，目前市場(chǎng)上能夠進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)模擬的BIM工具有以下幾類:⑴人群行為(crowd behavior)⑵疏散模擬(evacuation)⑶運(yùn)行模擬(operation)⑷能耗模擬(energy)⑸應(yīng)急預(yù)案(emergency plan)⑹環(huán)境模擬(environmental)通過模擬工具計(jì)算建筑設(shè)施性能績(jī)效指標(biāo)和能源消耗情況，為我們進(jìn)一步降低能源消耗和設(shè)備消耗等提供分析的理論依據(jù)，達(dá)到全生命運(yùn)營周期中綠色建筑的目標(biāo)。中國的建筑業(yè)和設(shè)施運(yùn)維管理行業(yè)是最近20年才發(fā)展起來，國內(nèi)建筑業(yè)普遍建造速度很快但運(yùn)維效率很低。因此在未來BIM在運(yùn)維管理中的應(yīng)用將大大提高建筑后期運(yùn)行維護(hù)的資源使用效率，達(dá)到低能耗低成本的綠色全生命周期建筑。

2.5 綠色BIM與翻新改造

一個(gè)建筑物的壽命，大致等同于其結(jié)構(gòu)壽命，而建筑系統(tǒng)的構(gòu)件、機(jī)電各系統(tǒng)、裝飾系統(tǒng)及固定裝置等的壽命都小于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，所以翻新改造是不可避免的。而每次翻新改造都需要之前的建筑信息以及預(yù)測(cè)未來運(yùn)營的情形，所以翻新改造是BIM在建筑全生命周期內(nèi)價(jià)值的一個(gè)集中體現(xiàn)。如果改造之前就擁有豐富信息的BIM模型，那對(duì)改造項(xiàng)目節(jié)能降低能耗將會(huì)產(chǎn)生巨大的綠色效益。BIM模型的豐富信息和可視化功能可運(yùn)用來“主動(dòng)改造”來提升建筑績(jī)效，包括延長設(shè)備壽命、提升使用效率、改善空間、節(jié)省能耗等。

3 結(jié)論與建議

綠色BIM的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑全生命期管理，提高建筑行業(yè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的科學(xué)技術(shù)水平，促進(jìn)我國建筑業(yè)全面信息化和現(xiàn)代化，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.但我國綠色BIM的應(yīng)用相當(dāng)匱乏，綠色BIM市場(chǎng)在國內(nèi)存在著巨大的發(fā)展空間。因此在引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)理念與相關(guān)技術(shù)的同時(shí)，，發(fā)展綠色BIM還應(yīng)注意以下問題:

1.綠色BIM的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)的應(yīng)用更多的受到規(guī)劃行政部門的限制，希望政府高度重視以及大力投入綠色BIM在規(guī)劃選址、場(chǎng)地分析的應(yīng)用，使城市建設(shè)真正走上可持續(xù)發(fā)展的道路。

2.綠色BIM只是綠色建筑設(shè)計(jì)的工具，如何用好這個(gè)工具完全依靠它的使用者。但是，在國內(nèi)，大部分的建筑師和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)因?yàn)楦鞣N主觀和客觀的原因，忽略了建筑的可持續(xù)性，甚至沒有設(shè)計(jì)綠色建筑的專業(yè)知識(shí)和能力，使“綠色”成為了空談或者“理念”。

3.BIM的軟件在國內(nèi)引進(jìn)時(shí)間不長，而且并沒有完全在建筑設(shè)計(jì)、建造以及管理的各個(gè)專業(yè)中使用，導(dǎo)致綠色建筑信息模型在這一系列環(huán)節(jié)中傳遞受阻，無法真正達(dá)到建筑全生命周期綠色的效果。

4.建筑的運(yùn)行維護(hù)是建筑全生命周期的最重要的環(huán)節(jié)，成熟的設(shè)施運(yùn)營管理企業(yè)成為當(dāng)今中國急速發(fā)展的建筑業(yè)中不可或缺的項(xiàng)目方。運(yùn)行維護(hù)管理的存在將是綠色建筑得以可持續(xù)“綠色”的重要保障。

5.BIM這項(xiàng)技術(shù)在使用過程中發(fā)生了諸如軟件本土化不夠等問題，很多國內(nèi)的建筑規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)沒有進(jìn)入模型的信息中，使BIM沒有完全發(fā)揮出它應(yīng)有的能力。縱然基于BIM技術(shù)的綠色建筑還有這么多的問題，但是BIM技術(shù)和綠色建筑都一定是大勢(shì)所趨，二者的有機(jī)結(jié)合也一定會(huì)被建筑師很好運(yùn)用到未來的實(shí)踐中去。

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