楊威 胡晚亭 謝汪陽

中國建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000

建筑信息模型（BIM）是以智能三維模型的形式將建筑物的物理和功能屬性表示出來。BIM提供了一個平臺，使得參與建筑項目的不同專業(yè)人員之間能夠共享有關(guān)項目的資源知識，從而幫助他們在工作中作出有效的交流及決策。3D模型的開發(fā)始于1970年代，基于早期的管理軟件計算機輔助設(shè)計（CAD），但建筑行業(yè)在使用3D模型方面比較滯后，因為他們?nèi)匀桓矚g使用2D模型，并且因為當(dāng)時的設(shè)備成本過高原因，從而3D模型技術(shù)無法在發(fā)展中國家萌芽。在 2000年代初期，建筑業(yè)引入了BIM模型，建筑師和工程師把BIM技術(shù)也應(yīng)用到了一些試點項目?，F(xiàn)階段，建筑行業(yè)的專業(yè)人士和學(xué)術(shù)界對BIM模型非常感興趣，因為BIM在有效節(jié)省建筑資源方面具有許多優(yōu)勢。

1 BIM技術(shù)可優(yōu)化信息的內(nèi)容及綠色評級系統(tǒng)

1.1 需要考慮使用BIM技術(shù)來進(jìn)行優(yōu)化的信息

使用BIM開發(fā)的能源模擬模型應(yīng)盡可能減少建筑物中有害氣體的數(shù)量和排放到大氣中的有害氣體。結(jié)構(gòu)設(shè)計也是另一個必須考慮的重要要求，用于翻新建筑物的材料不應(yīng)成為對環(huán)境造成污染的原因。

通過對以往的研究進(jìn)行討論，得出的結(jié)論是，在翻新、改造和生命周期管理中使用BIM對可持續(xù)性的影響首先取決于要為建筑物設(shè)計一個匹配的3D模型，然后不同的專家會在需要時使用模型中的信息提出解決方案。根據(jù)所進(jìn)行的案例研究，采用BIM進(jìn)行施工后管理已被證明可以節(jié)省資源和時間。它還提高了改造后建筑物的質(zhì)量[1]。BIM在已經(jīng)完成的項目的改造過程中的使用，效果十分出色。

1.2 綠色建筑評級系統(tǒng)

自從全世界開始倡導(dǎo)建設(shè)綠色建筑以實現(xiàn)可持續(xù)性以來，綠色建筑評級系統(tǒng)也隨之誕生。這些評級系統(tǒng)可以確定建筑物的可持續(xù)性或綠色程度的等級。綠色建筑評級起源于英國，基于最初的評級系統(tǒng)，世界上的其他國家也根據(jù)本國的標(biāo)準(zhǔn)制定了適合自己國家的評級系統(tǒng)。盡管綠色建筑評級系統(tǒng)已經(jīng)使用了大約三十年，但是直到近年來建筑業(yè)才對環(huán)境和可持續(xù)性的綠色建筑加以關(guān)注。

值得注意的是，部分評級不能適用于所有類型的建筑物，因為其中部分評級標(biāo)準(zhǔn)僅與特定類型的建筑物相關(guān)聯(lián)，這意味著許多國家有多個評級系統(tǒng)正在使用，這給利益相關(guān)者帶來了對綠色建筑評估及其評級的困惑，對綠色建筑的發(fā)展造成了不小的阻礙。據(jù)統(tǒng)計，到2006年，世界市場上大約有34種環(huán)境評估工具或綠色評級系統(tǒng)。中國目前使用的綠色建筑評級系統(tǒng)（GBAS）已經(jīng)存在了較長的時間，屬于在世界范圍內(nèi)比較成熟的評估系統(tǒng)。

2 BIM技術(shù)于改造項目中的優(yōu)勢體現(xiàn)及困難

在對如何實現(xiàn)綠色建筑問題和可持續(xù)性以及如何使用BIM對其進(jìn)行優(yōu)化以使建筑實現(xiàn)更具有環(huán)保性的研究之后，可以發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)有建筑物翻新為更具有可持續(xù)性能的綠色建筑。眾所周知，施工過程對環(huán)境有廣泛的影響，例如二氧化碳排放，噪音污染、材料及資源消耗等。BIM軟件提供了各種解決方案，這些解決方案可以有效地減輕翻新和施工過程中的這些環(huán)境影響（埃爾根，阿金奇和加內(nèi)特 2016）。目前，可以測量房屋碳足跡的BIM模型已經(jīng)被開發(fā)使用，這類模型的使用可以使得工程師和設(shè)計師能夠就如何對建筑物進(jìn)行建模以向大氣中釋放較低水平的碳和其他氣體提供參考。基于BIM的軟件還能夠?qū)υ谑┕て陂g由于各分部分項之間缺乏協(xié)調(diào)，返工和因為不同系統(tǒng)集成不良而產(chǎn)生的建筑廢物進(jìn)行監(jiān)控并作出提醒。

現(xiàn)有的研究表明，BIM技術(shù)有助于減少翻新項目中的廢物產(chǎn)生，這是可持續(xù)建筑的一個突出方面體現(xiàn)。例如上海中心大廈，已經(jīng)表現(xiàn)出使用基于BIM的生命周期管理方法的許多好處，其能夠?qū)崿F(xiàn)低于8%的材料浪費率，目前世界上發(fā)達(dá)國家的平均材料浪費率為10%。

在建筑物的運營階段，對建筑物的綠色環(huán)保性能進(jìn)行監(jiān)控非常重要，這有助于建筑設(shè)計師，業(yè)主和承包商做出環(huán)保決策（沃爾克，施騰格爾和舒特曼 2014）。BIM軟件（如建筑物的能耗評估）提供了能源績效指數(shù)的圖形可視化參數(shù)。

BIM技術(shù)給參與項目維護和施工的不同利益相關(guān)者之間提供了一個共同的集成平臺，因此加強了他們之間的溝通和協(xié)作。社會可持續(xù)性發(fā)展可以通過這種方式加強，因為共同平臺為不同的利益相關(guān)者提供了一個加強聯(lián)系的機會。然而，由于利益相關(guān)者缺乏對與之相關(guān)的好處的認(rèn)識，缺乏對運營和管理的信息交換的正確定義，并且沒有充分的定義符合建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和從業(yè)人員指南，因此BIM在項目管理中的使用仍然有限[2]。

3 BIM功能可針對的主要環(huán)保問題

3.1 水資源的使用問題

根據(jù)現(xiàn)有研究的數(shù)據(jù)，BIM技術(shù)可以根據(jù)建筑物中的居住人數(shù)以及建筑物的目的或類型來估算現(xiàn)有建筑物的用水量。BIM相關(guān)的工具除了能夠?qū)⒛M估算結(jié)果轉(zhuǎn)換為水成本報告并幫助房屋給排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化之外，還有助于建筑物的建設(shè)方對給排水系統(tǒng)的未來翻新工程做出決策。然而，BIM工具對用水量的估計并不是十分精準(zhǔn)，因為實際中還會有一些客觀因素因素存在，如項目的地理位置和居住者的使用行為變化等。

3.2 自然通風(fēng)系統(tǒng)

在世界范圍內(nèi)，建筑工程消耗的資源占資源使用的最大百分比。BIM應(yīng)用可以用于評估和優(yōu)化現(xiàn)有建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)，改良能源消耗方式，并提高建筑物的熱舒適度（巴爾察維亞斯 1999）。BIM技術(shù)也能夠模擬計算自然通風(fēng)對建筑物的供暖和制冷系統(tǒng)的影響。

BIM技術(shù)可以應(yīng)用在通風(fēng)系統(tǒng)中的另一個方面是它可以幫助建設(shè)單位或者設(shè)計單位通過BIM模擬出來的結(jié)論選擇使用混合或自然模式的通風(fēng)方式，例如交叉通風(fēng)，單側(cè)通風(fēng)，開放式通風(fēng)等（德尼茲，埃辛 2015），有助于各方為現(xiàn)有建筑物選擇最有效和最可靠的機械通風(fēng)方法。因此，BIM模型的使用可以減少通風(fēng)產(chǎn)生的能源浪費，這對推行可持續(xù)發(fā)展理念也有著重大的意義。

3.3 太陽輻射和照明情況分析

BIM軟件可以對建筑物的內(nèi)部和外部照明情況進(jìn)行分析，它可以顯示一天中不同時間段太陽相對于建筑物的位置，通過對太陽位置的分析，設(shè)計單位可以優(yōu)化窗戶的位置及其尺寸，從而優(yōu)化建筑的照明情況（帕姆，愛德華2016）。BIM中的軟件還可以評估太陽的熱量增益和損失以及建筑物表面上輻射熱的交換，工程師和設(shè)計師可以根據(jù)BIM軟件計算出的數(shù)據(jù)選擇最佳材料。建筑物的內(nèi)部和外部遮陽方式可以使用BIM軟件來確定。BIM軟件用于通過采用詳細(xì)的照明條件分析來提高日光和視覺舒適度的利用率（庫斯 2015）。BIM還能夠概述照明條件的性能，以便工程師和設(shè)計師能夠在翻新和改造之前評估其性能。

盡管有上述所有好處，但發(fā)現(xiàn)BIM與照明和太陽輻射模擬的集成有一個主要問題被不同的利益相關(guān)者提出，那就是模擬信息不足。大多數(shù)研究認(rèn)為，BIM軟件中的信息是創(chuàng)建用于照明模擬工具（如DAYSIM和Radiance）的文件所必需的。

3.4 熱舒適性

建筑物的舒適性應(yīng)由居住者的居住舒適性來判定。許多現(xiàn)有建筑的設(shè)計在沒有考慮熱舒適能力。決定熱舒適水平的主要因素包括氣溫、代謝率、穿著、風(fēng)速和濕度。BIM應(yīng)用程序通過模擬上述因素來評估熱舒適度。

在Revit中生成的模型（如IES-VE）可以模擬居住者在不同因素影響下對建筑熱舒適度進(jìn)行的評價，可以得出對建筑物熱舒適性不滿意程度的百分比，通過模擬得出的評價及不滿意度就可以作為評價建筑物熱舒適性的參考。

4 BIM技術(shù)在能源效率方面的應(yīng)用

4.1 能源模擬和優(yōu)化

基于BIM模型，可以使用能源分析軟件（如EnergyPlus、eQuest、DesignBuilder 等）對建筑物的能源消耗進(jìn)行模擬。這些軟件利用建筑物模型的信息，結(jié)合氣候數(shù)據(jù)和能源系統(tǒng)參數(shù)，模擬建筑物在不同條件下的能源消耗情況。能源模擬可以評估建筑物的整體能耗水平，包括供暖、制冷、通風(fēng)、照明等方面。能源模擬可以提供關(guān)于建筑物能源性能的詳細(xì)信息，如能源消耗量、能源成本、CO2排放量等。通過對不同設(shè)計方案和策略進(jìn)行模擬，可以比較它們的能源效益，從而選擇最佳的設(shè)計方案或改進(jìn)措施。能源模擬還可以用于預(yù)測建筑物的能源消耗趨勢，評估節(jié)能措施的有效性，并為能源管理和決策提供依據(jù)[3]。

在能源優(yōu)化過程中，BIM模型可以與優(yōu)化算法和工具集成，以尋找最佳的能源設(shè)計方案。通過對建筑物模型進(jìn)行參數(shù)化和參數(shù)優(yōu)化，可以探索不同的設(shè)計變量和策略，以找到最佳的能源性能方案。

例如，可以通過調(diào)整建筑物的外墻保溫材料、窗戶類型和尺寸、建筑方向等參數(shù)來優(yōu)化建筑物的能源消耗。通過與BIM模型的集成，優(yōu)化算法可以自動調(diào)整這些參數(shù)，并評估每個設(shè)計方案的能源性能。優(yōu)化過程可以迭代多次，直到找到最佳的能源優(yōu)化方案。能源優(yōu)化還可以結(jié)合其他建筑系統(tǒng)的優(yōu)化，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)等。通過綜合考慮不同系統(tǒng)的優(yōu)化需求，可以實現(xiàn)整體能源效益的最大化。

4.2 可再生能源的集成

可再生能源的集成是指將太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉聪到y(tǒng)整合到建筑物中，以減少對傳統(tǒng)能源的依賴，實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。BIM技術(shù)在可再生能源集成方面發(fā)揮了重要作用。首先，BIM可以支持可再生能源系統(tǒng)的建模和設(shè)計。通過BIM軟件，可以對太陽能光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或地?zé)崮芟到y(tǒng)進(jìn)行建模，包括組件、設(shè)備和連接方式。這使得設(shè)計團隊能夠更好地規(guī)劃和布局可再生能源系統(tǒng)，以最大程度地利用可再生能源資源。其次，BIM技術(shù)可以用于模擬和評估可再生能源系統(tǒng)的性能。通過能源模擬軟件的結(jié)合，可以對建筑物在不同條件下的能源消耗和可再生能源供應(yīng)進(jìn)行模擬分析。這有助于評估可再生能源系統(tǒng)的潛在貢獻(xiàn)，包括發(fā)電量、系統(tǒng)效率和經(jīng)濟性等指標(biāo)?；谶@些模擬結(jié)果，設(shè)計團隊可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，確?？稍偕茉聪到y(tǒng)的有效集成和最佳性能。

4.3 節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的優(yōu)化

節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的優(yōu)化是通過BIM技術(shù)在建筑設(shè)計和運營階段對能源消耗進(jìn)行分析和改進(jìn)，以實現(xiàn)能源效率的提升和節(jié)能目標(biāo)的達(dá)成。首先，BIM可以在建筑設(shè)計階段支持節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的選擇和布局。通過BIM模型，設(shè)計團隊可以模擬和評估不同節(jié)能設(shè)備的性能和影響，包括高效照明系統(tǒng)、智能空調(diào)系統(tǒng)、節(jié)能建筑外殼等。BIM可以提供對設(shè)備和系統(tǒng)的三維可視化，幫助設(shè)計團隊更好地理解和決策，以選擇最佳的節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)。其次，BIM技術(shù)結(jié)合能源模擬軟件可以對節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)進(jìn)行性能模擬和優(yōu)化。通過能源模擬，可以評估不同設(shè)備和系統(tǒng)配置對能源消耗的影響，并進(jìn)行能源效益分析。這有助于設(shè)計團隊調(diào)整設(shè)備參數(shù)、優(yōu)化控制策略，以最大程度地降低能源消耗并滿足節(jié)能目標(biāo)。BIM模型與能源模擬的結(jié)合還可以提供對建筑能源效率的可視化，幫助設(shè)計團隊和利益相關(guān)者更好地理解和評估節(jié)能措施的效果。第三，BIM技術(shù)可以支持節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)在運營階段的監(jiān)測和管理。通過將BIM模型與建筑物的自動化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行集成，可以實時監(jiān)測和分析節(jié)能設(shè)備的運行情況和能源消耗數(shù)據(jù)。這有助于發(fā)現(xiàn)潛在的能源浪費和性能問題，并及時采取措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。通過運營階段的數(shù)據(jù)反饋和分析，可以不斷改進(jìn)節(jié)能設(shè)備和控制系統(tǒng)的性能，提高能源效率。

5 結(jié)語

BIM技術(shù)在建筑的運行維護和設(shè)施管理方面具有很大的潛力。然而，BIM在運營和設(shè)施管理方面的效益還沒有完全實現(xiàn)，這是因為大多數(shù)現(xiàn)有建筑沒有BIM模型，為現(xiàn)有建筑創(chuàng)建BIM模型是一個非常具有挑戰(zhàn)性的過程。本文從現(xiàn)有建筑的設(shè)施管理和運營的角度分析了現(xiàn)有建筑的BIM的現(xiàn)狀，并對BIM技術(shù)在綠色建筑可持續(xù)發(fā)展方面的應(yīng)用進(jìn)行了展望。可以看到，BIM技術(shù)在建筑運行階段可以在許多方面體現(xiàn)出優(yōu)勢，例如，應(yīng)用BIM技術(shù)可以更好地進(jìn)行設(shè)施管理的生命周期分析，可以分析可持續(xù)和高效的能源使用情況，可以改善成本效益，加強安全運營和管理，減少維修工作。

通過本文中的分析可以發(fā)現(xiàn)，BIM為建筑業(yè)實現(xiàn)一些目標(biāo)提供了很大的幫助。BIM為不同專業(yè)及職能的工作人員提供了一個及時有效溝通的良好平臺，不僅大大提高了他們的工作效率和質(zhì)量，還為當(dāng)事人節(jié)省了大量的成本。通過BIM對建筑物的生命周期進(jìn)行分析，當(dāng)一些建筑構(gòu)件達(dá)到使用壽命結(jié)束時，可以有選擇地回收，從而節(jié)省了未來建筑施工的成本，也對環(huán)境起到了很好的保護作用。