摘 要：本研究聚焦于基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。通過文獻(xiàn)綜述和案例分析，探討了BIM技術(shù)在綠色建筑全生命周期中的應(yīng)用潛力。研究提出了一套基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化框架，包括能源分析、日光分析、材料選擇等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐，驗(yàn)證了該方法在提高建筑能效、改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、降低資源消耗等方面的顯著效果。研究結(jié)果為推進(jìn)BIM技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：建筑信息模型（BIM）；綠色建筑；設(shè)計(jì)優(yōu)化；能源分析；可持續(xù)發(fā)展

1 前言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，綠色建筑已成為建筑業(yè)發(fā)展的重要方向。然而，傳統(tǒng)的綠色建筑設(shè)計(jì)方法面臨諸多挑戰(zhàn)，主要包括信息孤島、性能評(píng)估滯后以及優(yōu)化過程復(fù)雜等問題，這些挑戰(zhàn)嚴(yán)重制約了綠色建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。建筑信息模型（BIM）技術(shù)作為一種新興的信息化手段，為解決這些問題提供了新的思路和工具。近年來，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不斷深化，涵蓋三維可視化、協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和性能模擬等多個(gè)方面，顯著提高了設(shè)計(jì)效率，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。BIM與綠色建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合研究顯示出巨大潛力，特別是在能源分析、日光優(yōu)化、材料選擇和水資源利用等關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，這種結(jié)合仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如標(biāo)準(zhǔn)化程度不足、軟件兼容性差以及應(yīng)用深度不夠等問題。因此，構(gòu)建系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究旨在探討基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，以期為提高綠色建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率提供參考。

2基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化框架

2.1框架概述

本研究提出的基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化框架旨在整合BIM技術(shù)與綠色建筑設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的系統(tǒng)化和智能化。該框架主要包括四個(gè)核心模塊：能源分析與優(yōu)化、日光分析與優(yōu)化、材料選擇與優(yōu)化以及水資源利用優(yōu)化。這些模塊以BIM模型為中心，通過數(shù)據(jù)共享和協(xié)同優(yōu)化，全面提升綠色建筑的性能指標(biāo)?？蚣艿年P(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)各模塊間的無縫銜接，確保設(shè)計(jì)決策的整體最優(yōu)化，從而在提高建筑環(huán)境性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

2.2基于BIM的能源分析與優(yōu)化

能源分析與優(yōu)化模塊是本框架的核心組成部分，它充分利用BIM模型中的幾何信息、材料屬性和設(shè)備參數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，進(jìn)行全面的建筑能耗模擬和分析。該模塊首先對建筑的熱工性能進(jìn)行評(píng)估，包括外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和熱惰性分析，為優(yōu)化建筑外殼設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其次，通過對暖通空調(diào)系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化系統(tǒng)配置和運(yùn)行策略，降低建筑運(yùn)營能耗。此外，該模塊還包括可再生能源利用評(píng)估功能，分析太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉吹膽?yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)建筑近零能耗提供技術(shù)支持。通過參數(shù)化設(shè)計(jì)和多方案比較，設(shè)計(jì)師能夠快速生成和評(píng)估不同的節(jié)能優(yōu)化方案，從而做出最佳的設(shè)計(jì)決策。

2.3基于BIM的日光分析與優(yōu)化

日光分析與優(yōu)化模塊充分利用BIM模型的三維幾何信息，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)日照模擬。該模塊的主要功能包括室內(nèi)自然采光分析、遮陽設(shè)計(jì)優(yōu)化和光污染評(píng)估。通過評(píng)估室內(nèi)各區(qū)域的采光系數(shù)和照度水平，設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化窗墻比和調(diào)整開窗位置，以改善室內(nèi)光環(huán)境?；谌照辗治鼋Y(jié)果，模塊能夠輔助設(shè)計(jì)師優(yōu)化外立面遮陽系統(tǒng)，在保證良好采光的同時(shí)減少夏季熱量。此外，該模塊還能分析建筑對周邊環(huán)境的光反射影響，最小化光污染。通過這些功能的綜合應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光環(huán)境的改善和建筑能耗的降低，達(dá)到綠色建筑的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.4基于BIM的材料選擇與優(yōu)化

材料選擇與優(yōu)化模塊建立了一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響、性能指標(biāo)和成本因素的多準(zhǔn)則決策模型。該模塊與BIM模型的材料庫緊密關(guān)聯(lián)，能夠自動(dòng)提取和更新材料信息。通過評(píng)估材料的全生命周期環(huán)境影響，包括原材料開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和回收等各個(gè)階段，為設(shè)計(jì)師選擇環(huán)境友好型材料提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，模塊還能分析不同材料對建筑整體性能的貢獻(xiàn)，如熱工性能、聲學(xué)性能等。結(jié)合成本效益分析，該模塊能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)師推薦最優(yōu)的材料組合方案，在滿足性能要求的同時(shí)，最大限度地降低環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本。

2.5基于BIM的水資源利用優(yōu)化

水資源利用優(yōu)化模塊主要關(guān)注建筑節(jié)水設(shè)計(jì)和雨水收集利用兩個(gè)方面。在節(jié)水設(shè)計(jì)方面，該模塊通過BIM模型模擬建筑給排水系統(tǒng)，優(yōu)化管網(wǎng)布局和設(shè)備選型，提高用水效率。在雨水收集利用方面，模塊結(jié)合建筑屋面和場地設(shè)計(jì)，評(píng)估雨水收集潛力，優(yōu)化儲(chǔ)存和處理設(shè)施的配置。通過定量分析和方案優(yōu)化，該模塊為實(shí)現(xiàn)建筑水資源的高效利用提供技術(shù)支持，有效降低建筑的市政供水依賴，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

3案例研究

3.1項(xiàng)目概況

本研究選取了位于廣東省珠海市的一棟小型辦公樓作為案例項(xiàng)目。該建筑總建筑面積為5，800平方米，主要功能為辦公，底層設(shè)有小型會(huì)議中心。建筑高度為24米，共7層，其中地上6層，地下1層。項(xiàng)目地處亞熱帶海洋性氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，年平均氣溫為22.4℃，相對濕度78%。建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)是達(dá)到綠色建筑二星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注節(jié)能、節(jié)水、材料資源利用及室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等方面。項(xiàng)目業(yè)主要求在滿足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，控制建造成本增幅在3%以內(nèi)，并將運(yùn)營成本降低10%以上。這些設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件為應(yīng)用基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法提供了理想的研究對象。

3.2 BIM模型構(gòu)建

本項(xiàng)目采用Autodesk Revit 2021軟件構(gòu)建BIM模型。模型構(gòu)建過程遵循LOD300標(biāo)準(zhǔn)，確保模型包含足夠的幾何和非幾何信息以支持后續(xù)的綠色性能分析。模型包括建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)，特別注重對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等與綠色性能密切相關(guān)的部分進(jìn)行精細(xì)化建模。

為支持能源分析，將所有空間劃分了熱區(qū)，共計(jì)18個(gè)，并定義了詳細(xì)的材料熱工參數(shù)。外墻采用200mm厚鋼筋混凝土墻板，內(nèi)襯50mm厚擠塑聚苯乙烯保溫板；屋面采用150mm厚鋼筋混凝土板，覆蓋80mm厚擠塑聚苯乙烯保溫層；窗戶采用Low-E雙層中空玻璃，傳熱系數(shù)為2.5 W/（m2·K）。

為便于日光分析，對窗戶和遮陽系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，可靈活調(diào)整窗墻比和遮陽板角度。此外，還建立了包含環(huán)境影響數(shù)據(jù)的材料庫，以支持材料選擇優(yōu)化。模型的準(zhǔn)確性和完整性通過多輪專業(yè)審核和碰撞檢測得到保證，確保了后續(xù)分析的可靠性。

3.3綠色性能分析與優(yōu)化過程

基于構(gòu)建的BIM模型，運(yùn)用前文提出的優(yōu)化框架進(jìn)行了系統(tǒng)的綠色性能分析與優(yōu)化。首先，在能源分析方面，利用Autodesk Insight進(jìn)行全年能耗模擬，重點(diǎn)優(yōu)化了外墻保溫系統(tǒng)、屋頂綠化方案和HVAC系統(tǒng)配置。通過參數(shù)化分析，確定了最佳的外墻保溫厚度為70mm，屋頂綠化覆蓋率為40%，并選用了變頻多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，冷熱源采用地源熱泵。

在日光分析方面，使用Ecotect軟件進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬。通過調(diào)整窗墻比和優(yōu)化遮陽設(shè)計(jì)，將辦公區(qū)域的有效采光系數(shù)提高到2.2%以上，同時(shí)有效控制了夏季的熱量。具體措施包括將南向窗墻比調(diào)整為0.35，東西向窗墻比調(diào)整為0.25，并在南向窗戶外部增加可調(diào)節(jié)遮陽百葉。

材料選擇優(yōu)化方面，基于BIM模型中的材料清單，結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行了多輪材料替換分析，最終選用了32.5R低碳水泥、30%再生骨料混凝土、再生鋼筋和FSC認(rèn)證木材等環(huán)保材料，在保證性能的同時(shí)顯著降低了建筑的碳足跡。

在水資源利用方面，通過BIM模型模擬了雨水收集系統(tǒng)，優(yōu)化了屋頂集水面積（580平方米）和蓄水池容量（60立方米），實(shí)現(xiàn)了綠化灌溉和衛(wèi)生間沖洗用水100%使用中水的目標(biāo)。

3.4優(yōu)化結(jié)果與效果評(píng)估

通過應(yīng)用基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，項(xiàng)目取得了顯著的改善效果。表1總結(jié)了主要性能指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果。

能源方面，建筑年度能耗從基準(zhǔn)方案的95 kWh/m2降低到72 kWh/m2，節(jié)能率達(dá)24.2%。日光環(huán)境方面，辦公區(qū)域采光達(dá)標(biāo)面積比例從原方案的70%提升到95%。材料選擇優(yōu)化使得建筑全生命周期碳排放從1850 kgCO2e/m2降低到1520 kgCO2e/m2，減少了17.8%。水資源利用方面，市政供水用量從3600 m3/年減少到2340 m3/年，降低了35.0%。

經(jīng)濟(jì)效益分析表明，雖然綠色技術(shù)的應(yīng)用使得初始建造成本增加了2.8%，但通過運(yùn)營成本的大幅降低，項(xiàng)目的靜態(tài)投資回收期僅為5.7年?？傮w而言，本項(xiàng)目不僅達(dá)到了綠色建筑二星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，還在經(jīng)濟(jì)性方面取得了良好平衡，充分展示了基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的有效性和實(shí)用價(jià)值。

4討論

4.1基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的優(yōu)勢

基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。首先，它實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的可視化和參數(shù)化，使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠快速評(píng)估不同方案的性能表現(xiàn)。其次，BIM模型作為信息載體，促進(jìn)了各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)，有效避免了信息孤島問題。再者，該方法支持全生命周期分析，能夠在設(shè)計(jì)早期階段就對建筑的長期性能和環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。最后，通過與各種分析軟件的集成，該方法大大提高了綠色性能分析的效率和準(zhǔn)確性，為設(shè)計(jì)決策提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.2實(shí)施過程中的挑戰(zhàn)與對策

在實(shí)施過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)，首要是不同軟件平臺(tái)間的數(shù)據(jù)交換問題，為此采用了IFC標(biāo)準(zhǔn)和中間件來提高互操作性。其次，高精度BIM模型的構(gòu)建耗時(shí)較長，通過制定詳細(xì)的建模標(biāo)準(zhǔn)和使用參數(shù)化族庫來提高效率。此外，綠色性能分析結(jié)果的解釋和應(yīng)用也需要專業(yè)知識(shí)，通過組建跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)和定期培訓(xùn)來解決這一問題。最后，項(xiàng)目各方對BIM技術(shù)的接受度不一，通過展示具體效益和舉辦技術(shù)交流會(huì)來提高參與度。

4.3未來研究方向

未來研究可以在以下幾個(gè)方向深化：一是探索人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用，提高優(yōu)化效率和智能化水平；二是研究BIM與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)優(yōu)化；三是拓展BIM在建筑全生命周期管理中的應(yīng)用，特別是在運(yùn)營維護(hù)階段的節(jié)能減排方面；四是開發(fā)更加用戶友好的BIM綠色建筑設(shè)計(jì)工具，促進(jìn)該方法的廣泛應(yīng)用。

5結(jié)論

本研究提出的基于BIM的綠色建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，有效整合了BIM技術(shù)與綠色建筑設(shè)計(jì)原則，為提高綠色建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率提供了新的途徑。通過案例實(shí)踐，驗(yàn)證了該方法在能源效率提升、室內(nèi)環(huán)境改善、資源節(jié)約等方面的顯著效果。然而，該方法的廣泛應(yīng)用仍面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、人才培養(yǎng)、跨學(xué)科協(xié)作等挑戰(zhàn)。未來研究應(yīng)進(jìn)一步探索BIM與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的融合，以推動(dòng)綠色建筑設(shè)計(jì)的智能化和精細(xì)化發(fā)展。本研究為推進(jìn)BIM技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域的深入應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)，對促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張倬.建筑信息模型（BIM）在建筑全壽命期中的應(yīng)用[J].綠色建造與智能建筑，2024（06）：55-58+65.

[2]黃賞龍，關(guān)浩博.基于BIM技術(shù)的綠色建筑性能方案優(yōu)化研究[J].中國建筑裝飾裝修，2024（08）：79-81.

[3]楊楠，林武生.BIM在綠色建筑設(shè)計(jì)決策中的支持作用探索[J].住宅與房地產(chǎn)，2023（26）：13-15.

[4]宋永朋，張艷.綠色建筑與BIM技術(shù)的高效整合及應(yīng)用研究[J].智能建筑與智慧城市，2022（03）：118-120.

[5]包勝，錢瑞源，姚時(shí)輝，等.基于輕量化BIM模型和Web的綠色建筑評(píng)價(jià)[J].施工技術(shù)，2020，49（24）：1-4.

課題項(xiàng)目：本文系2022年度廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教改類課題：“1+X”證書制度視域下工程造價(jià)專業(yè)高職課程建設(shè)的實(shí)踐研究，項(xiàng)目編號(hào)：桂職院﹝2022﹞133號(hào)223108。

作者簡介： 武煥煥（1989.12-），女，漢族，山東泰安人，研究生，講師，研究方向：BIM技術(shù)與應(yīng)用、建筑施工技術(shù)、工程造價(jià)。