1、Special Topics on Digital Building 数 字 建 筑专题 绿色建筑2023年 第2期013BIM 技术在绿色建筑设计中的应用BIM 技术在绿色建筑设计中的应用徐 莉（上海建设管理职业技术学院，上海 201700）摘要：通过对 BIM 技术在设计行业应用的现状及其影响展开分析,对 BIM 技术和绿色建筑设计相结合的方法进行详细论述，并在 BIM 技术成功应用于绿色建筑设计案例的基础上,介绍应用 BIM 技术手段的绿色建筑设计方法。BIM 技术结合绿色建筑分析软件，模拟分析太阳辐射、自然采光、自然通风以及噪声方面的优化设计,展望未来 BIM 技术在绿色建筑设计行业的
2、前景,为在设计过程中两者的结合应用提供借鉴。关键词：建筑信息模型；绿色建筑；优化；设计；模拟中图分类号：TU242.9 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）02-013-051 BIM 技术及绿色建筑1.1 BIM 技术特点建筑信息模型（BIM）技术是以参数化三维模型为核心，将协调统一的信息运用到建设项目的规划、设计、施工及运行维护，它是在项目建造前以参数化方式推敲其重要物理和功能特性的全新过程1。相比较于传统技术，BIM 技术具有如下优点。（1）建筑空间的可视化建筑项目空间关系复杂，各专业间相互关联,各种构件、设备交织在一起，通过完善直观的BIM模型，可以将各专业、各部分
3、的关系清晰地表现出来。空间的可视化有利于建筑师对建筑功能关系的理解，并在设计调整前后对效果进行判断和比较，也有利于建筑师直观地对外展示和介绍设计方案。利用 BIM 建模软件的实时更新功能，设计师可以根据需要直接从 BIM 模型中导出对应的平立剖图和节点大样，大大方便了后期的变更，避免了重复工作，使深化设计得以快速高效实施2。（2）建设项目场地分析平整“节地”是我国绿色建筑评价标准的重要指标，对于废旧建筑尽量做到二次利用、二次开发3。在场地设计阶段要进行现场调查，因为原有建筑的形状、占地面积和环境因素，会对场地的二次开发产生一定影响。在设计前期阶段，利用 BIM 建模软件的地形工具，建立地形并调
4、整，预先了解项目的土方量，再对方案进行优化，根据最优原则确定场地平整方案。相对于整体平整地形节省了土方量，使得设计更合理，场地环境更丰富，节约成本的同时也体现了与传统规划设计方案不同的绿色设计观念。（3）基于目标模拟的生态分析没有 BIM 技术也能进行生态环境模拟，但其与真实建筑物的变化发展是缺少关联的，实际只能呈现一种可视化效果。只有按先设计、再研究、最后模拟的顺序才能准确地判断建筑物的状态。针对变化后的设计进行不同专业的分析研究，同时需要快速得出分析结果，以供业主及时决策。采用基于 BIM 技术的设计流程和方法，把分析和设计两个环节联系起来，真正地落到实处。绿色建筑设计是一个循序渐进的过程
5、，需要步步深入并具体到细节，这也是一个设计师跟工程师相互沟通的过程。运用 BIM 技术，设计师可提前对建筑的后续功能进行研究，改变传统的设计顺序，预先考虑建筑性能的结果，既满足了业主的使用需求，也可设计出符合标准的绿色建筑。（4）数据统计分析BIM 中存储着建筑行业各专业相关数据资源，这些数据资料成为后续进行绿色建筑建设的数据支撑，在建设绿色建筑的过程中，不管涉及哪个部门、哪道工序，需要数据立刻可从 BIM 数据库中调取和使用。设计师在搭建信息模型的同时，也完善了模型数据库，通过数据库导出各类明细表，如门窗表、材料用量、房间报告和各功能分区的面积及百分比等，既快速又准确，可提前做出预算并控制成
6、本。模型和数据存在关联，对模型进行修改的同时明细表也会及时更新，节省了重新计算的时间。（5）避免错漏碰缺在建筑的设计建造过程中，经常会遇到“错漏碰缺”和“设计变更”4。建筑设计中，反复修改是行业常见的现数 字 建 筑 专 题 Special Topics on Digital Building绿色建筑2023年 第2期014象。现阶段，基于传统设计的平面图纸，设计师会做专业技术综合的工作，所花精力虽不少，实际效果却不尽如人意。出现问题最多的方面主要是设备管线综合和结构碰撞，也是目前 BIM 处理得最多的问题。在绿色建筑设计过程中，利用 BIM 软件可以进行 3D 漫游技术，可及时发现“错漏碰缺
7、”的情况，有效避免代价高昂的工程返工和资源浪费。（6）专业协同设计建筑行业是一个复杂多元化的行业，它的实施需要建筑结构和机电设备等不同专业互相配合，每个专业的技术人员都只是建筑工程中的一道工序，缺一不可5。为提高设计效率，需要有一条“线”，而组织穿线的工作就是“协同设计”。利用 BIM 的网络协同功能，各专业工程师在同一中心文件工作，可分别拥有各自的副本文件，有利于各专业间在设计过程中的协同合作，极大提高了工作效率和项目设计质量。1.2 BIM 技术发展“BIM 之父”Chuck Eastman 博士于 1974 年提出“建筑描述系统”概念6，即以建筑信息对建筑图纸进行处理以来，BIM 技术经
8、历了卓越的发展。1987 年，位于匈牙利的 GraphiSoft 公司提出虚拟建筑模型（virtual building model）概念，随后不久，这一概念在其推出的 ArchiCAD 软件中得以体现。这被视为 BIM 技术从概念到实践的第一次尝试7。1996 年，美国斯坦福大学的设施集成中心（CIFE）将时间参数加入虚拟建筑模型，从而使 BIM 技术由 3D 技术向 4D 技术发展8。21 世纪初，随着计算机技术发展日趋成熟，众多软件研发企业涉足 BIM 技术。AutoDesk 公司在 2002 年推出了 Revit 软件，并在次年发行的BIM 白皮书中全方位阐述了 BIM 的概念，这标志
9、着 BIM 的研究和发展进入了白热化阶段9。我国的 BIM 技术发展较晚，Bently 公司于 2002 年在我国推广 BIM 软件10，拉开了我国研究和使用 BIM 技术的序幕。此后，直到 2010 年，国内也只有诸如“上海中心”“鸟巢”“水立方”等大型政府主导项目采用BIM技术，而针对 BIM 技术的研究更是凤毛麟角。随着发达国家 BIM 指导与实施标准相继建立，其用户的投资回报效益快速增长。2011 年 5 月，住房和城乡建设部发布20112015 年建筑业信息化发展纲要11，其中提出的行业发展总目标是推动信息化标准建设和加快 BIM 技术在实际工程项目中的运用，这标志着对 BIM 技术
10、的研究和应用进入快速发展阶段。1.3 绿色建筑发展随着 BIM 技术的快速发展，“绿色建筑”逐渐为人们所熟悉12。目前，全球的能源消耗巨大，节约能源、保护环境、保护地球、防止污染已经成为共同的目标。为了给子孙后代留一片蓝天、一汪清水，“绿色建筑”概念被提出。绿色建筑设计是将各种适用的设备材料和技术集成的过程，是绿色建筑技术实现途径的关键，而在建造绿色建筑的过程中最为重要、最核心的就是技术的设计。对于建设绿色建筑来说，决策的有效性是随着建筑物生命周期的进行而不断衰减的13，决策的有效性可以理解为决策对于最终建筑物性能的影响，与实现决策所需的行动二者之间的关系。因为建设绿色建筑是一项耗时耗力的工程
11、，工程期比较长，如果较早进行设计和决策，对于承包商来说就可以较早地采购和建设，也就缩短了工期，建筑物就可以较早地投入使用，所以决定越早，性能越强，因此设计阶段的决策相对于后续阶段决策更加重要。笔者通过对 BIM 技术应用于绿色建筑设计案例的分析,总结出 BIM 技术在绿色建筑设计过程中所起的作用及不足，重点研究 BIM 技术在绿色建筑设计中的应用方法，展望 BIM 技术在绿色建筑设计行业的前景，为在设计过程中两者的结合应用提供借鉴。2 BIM 技术运用于绿色建筑设计目前，针对绿色建筑一体化的设计实践相对较少，基于此，笔者以三星级绿色建筑设计项目为例，与传统 2D 设计方法进行对比分析，探讨 B
12、IM 技术与绿色建筑设计一体化的设计策略。通常分为两个设计阶段：先建立 BIM 建筑模型，然后对 BIM 模型进行模拟生态性能分析14。利用 Autodesk Revit 软件建立建筑三维模型，依照说明设置建筑墙体、屋面、地面等部分的材料、厚度以及保温构造参数。该模型包含大量数据和图片，比较适合数据模拟。在对建筑环境进行模拟分析时，庞大的建筑构造和专业技术细节则显得冗杂，并且建筑环境分析需要使用房间体积等相关信息，而这类信息在建筑设计时不常出现。为加快建筑建模、分析及数据传递的速度，需要对模型进行数据简化及修正，使之由建筑设计模型转变为能满足建筑生态模拟分析的模型。BIM 技术能很好地利用建模
13、软件，把各类信息参数化、数字化，在此基础上将数据反馈到模型中进行修改。导入各性能模拟分析软件，进行生态模拟分析，根据建筑的采光、通风、防噪、能耗等进行模拟检验和推敲，充分利用自然环境，结合日照、风向、温度、湿度等因素以满足建筑需求，达到绿色建筑在室内外环境和舒适度方面的要求，从而营造Special Topics on Digital Building 数 字 建 筑专题 绿色建筑2023年 第2期015安全舒适的环境。2.1 室内采光分析2.1.1 传统 2D 方法建筑物的室内采光主要通过自然采光与人工照明相结合的方式。室内自然采光主要依靠建筑外窗。窗户采光的局限性在于光照度随着进深增加而迅速
14、下降，并且照度分布也很不均匀。为解决室内较深处自然采光不够的问题，势必需要增加窗户高度及宽度，但同时又受到房屋层高的限制，这是与传统方法矛盾之一。当建筑室内相应部位光照度无法达到GB 500332013 建筑采光设计标准15（以下简称“设计标准”）要求时，就需要采用人工照明获得光照度。通常情况下，灯具数量由设计人员根据总功率算得，但是照明灯具对室内光照度的影响不仅与其数量有关，还与灯具布设方式有关，设计人员通过传统方法无法确定灯具最优的布设方式，这为矛盾之二。2.1.2 室内自然采光模拟分析先评估现有自然采光效果，再分析室内主要功能使用空间的采光效果是否达到标准，并针对采光不足提供优化设计方案
15、，在设计上做到合理、经济且能满足工作需要。本项目模拟基于国家标准规定，对建筑设计施工图纸进行简化，建立模型，并根据可行性研究报告设定相关参数，模拟计算并分析判定是否达到相关条文的规定。模拟使用的软件为 Ecotect 2010,该软件功能全面、能提供交互式的分析方法并进行技术性能分析。本项目模拟使用其光环境分析模块，依据设计图纸进行全尺寸建模，模型尺寸与设计尺寸相符。在对采光系数进行模拟过程中对模型进行适当简化，不考虑对采光影响较小的墙厚、窗框等构件参数。研发楼三层自然采光模型如图 1 所示。图 1 采光模型根据设计情况，采光系数选取最不利情况设定，采用全阴天模型，不考虑直射阳光因素，模拟时间
16、为冬至日中午 12 点。先分析建筑物主要使用空间的采光效果，统计主要使用空间满足设计标准的区域所占百分比，再分析整体采光效果，判断是否达到国家标准的要求。以研发楼第三层为例说明采光模拟分析过程，研发楼三层主要功能区域有办公室、会议室。通过对研发楼各功能区域自然采光效果进行模拟分析后，结果显示：本建筑外窗布置和楼层平面分布比较合理，办公区域自然采光达标面积和公寓区域自然采光达标面积均能达到国家相标准。办公功能区域和住宿功能区域达标面积比如表 1、表 2 所示。表 1 办公功能区域达标面积比楼 层功能区面积/m2达标功能区面积/m2占比/%1903.03338.3237.4621 486.211 15177.453988.47988.471004747.45577.8577.35430.05430.05100合 计4 555.213 485.6976.52表 2 住宿功能区域达标面积比 楼 层功能区面积/m2达标功能区面积/m2占比/%5379.26379.26100合计379.26379.261002.2 室内自然通风模拟分析本项目位于市区西部，夏季主导风向为东南偏东风，室内自然通风主要