BIM建筑性能分析應用價值探討

何 波

(華中科技大學BIM工程中心，武漢 430074;廣州優比建筑咨詢有限公司，廣州 510640)

建筑項目的景觀可視度、日照、風環境、熱環境、聲環境等性能指標在開發前期就已經基本確定，這些性能指標直接關系到建筑可持續發展、使用人員的舒適度、建設成本以及運營維護成本等，但是由于缺少合適的技術手段，目前在實際項目建設過程中，大部分項目仍然以合規驗算和定性分析為主要手段，很難有足夠時間和費用對上述各種性能指標進行多方案分析模擬。BIM技術以其富含信息的多維建筑模型為上述建筑性能分析的普及應用提供了可能性。

1 項目景觀分析

不論是商業地產項目還是住宅地產項目，環境景觀是項目定位一個很重要的因數。電腦效果圖的出現為地產開發項目帶來巨大的影響，可以說電腦效果圖在項目的開發前期、尤其是在項目的營銷階段起到非常重要的作用，它是展示項目的一個最形象、最直觀、最低成本的方法之一。但是，隨著電腦效果圖的普及，特別是對于美化后的電腦效果圖與真實環境的差異對比，人們對于電腦效果圖的真實性也提出了更高的要求:不僅需要美感、也要真實。這個需求不僅來自于業主客戶，也來自于開發商自己。

雖然電腦效果圖可以制作得很美觀、但缺少真實數據的支持。

不可否認，當今電腦技術模擬真實世界的技術水平已經達到幾可亂真的境地，而且還將繼續發展。好萊塢眾多大片展現的電腦特效，已經可以亂真，但“逼真”與“真實”是有本質區別的!

我們說電腦效果的真實性有兩方面，一是效果表現逼真、二是與真實世界相符。例如電腦模擬一個人可以到達很像人類，讓你幾乎看不出是電腦制作出來的，我們說這是表現逼真，但是，要電腦模擬這個人像某個真實世界的人，譬如說你自己，就會有差異，至少目前電腦的技術水平還難以達到，這就是表現逼真但與真實世界有差異，這是電腦效果的真實度方面的局限性之其一。

電腦效果的真實度方面的局限性之其二，也是我們認為最重要的一點，即使電腦效果技術可以到達了與真實世界已經差異無幾的境地。但是，它的表現還是只能以“點”來表現。例如，在項目區域，有一個價值比較高的景觀，譬如:一座山、一條河、一片海、或是城市的某個地標性標志建筑，當然可以做一些電腦效果圖來表現項目建成后與這些環境的融合效果，我們知道這是以視點的“點”來表現，我們還可以把這些“點”連串起來，也就形成所謂的“動畫”，但這些都是以視點往景觀方向看的結果(如圖1所示)，顯然如果我們要完整評估整個項目各個位置的視點的景觀價值，這種方法將工作量巨大，所以基于這種方法只能采用有限的“點”來表現，因此無法全面、科學地評估。

BIM技術的應用，可以從另一角度，或者說是與電腦效果圖的“視線”的反方向來進行分析，也就是說我們把項目BIM模型與環境場景位置精確定位后，從價值比較高的景觀反算出項目各位置、對于該景觀的可視度。

根據需要，可以選擇模型中任意的位置，準確的講就是任意的面，通常這些面就是窗戶、陽臺等，經過軟件分析計算，從而得出景觀物體在這些面的景觀可視度的數據，可以通過顏色、數值等多種不同的、直觀的表現形式展現其景觀可視度的情況。例如，把小區的戲水池作為景觀物體，對于小區其中一棟住宅的主臥室的窗戶進行分析，計算出在某個單元的某個窗戶在不同樓層對于戲水池的可視度(如圖2所示)。

這樣就可以比較全面地評估任意位置的景觀可視度，從而為項目的整體評估提供較全面、科學的依據。

2 項目環境日照分析

國家已經在建筑設計相關規范中規定了日照標準，隨著人們對居住品質的要求不斷提高，對日照的認識、要求也提到空前的高度，尤其是我國的北部地區，緯度較高，人們對日照的重視度也較高，據有關資料顯示，日照和建筑間距信訪量占城市建設相關總信訪量比例不斷飆升，房屋的日照糾紛已經不容忽視。而且對于地產開發，日照情況的好壞也決定了房屋的價值。因此，如何合理利用土地資源，通過科學的手段做出日照情況良好的設計是地產開發一個重要的環節。

目前，比較常見的方法是多方案比較。由于每一個方案都需要大量時間制作，因此也不可能做太多的對比的方案，所以大多數情況還得靠經驗來主觀衡量，從而導致了日照的準確性不夠理想。另外一個問題是目前的建筑設計還是以二維設計為主，對應體型比較復雜的建筑物，常規的日照計算軟件可能誤差較大，這將留下日照糾紛隱患。

BIM技術的引入，大大提高了日照計算的效率，尤其是提高體型復雜的建筑物的日照精確度。由于計算效率的提高，也使多方案比較變得相對容易實現。

BIM是可以貫穿建筑整個生命周期的數據載體，在不同的階段、不同的專業應用可以具備不同的“維度”，換句話說，它可以在不同的階段，根據不同的需要創建保存、或提取所需要的信息，模型的詳細度也隨著階段的不斷深入，逐步地細化。

在項目方案階段，BIM建?？梢允歉拍钅Ｐ?，它可以只有大致的尺寸和造型，但卻可以提取出面積、容積率等基本數據(圖3)。

只要具備項目的地理位置、朝向，把項目概念模型放入該地形圖中，就可以計算出任意時間的日照情況(圖4)。

由于基于BIM的概念模型具備比較隨意的拉伸、旋轉、變形等參數化控制，所以，可以根據日照計算結果，很方便地進行調整模型，而關聯的面積、容積率等數據也隨即變化。所以，我們可以及時地獲取到不同設計方案的日照結果和面積、容積率等數據。(圖5)

此外，還可以針對某一天進行計算分析，得出這一天日照在各個時間點的陰影情況(如圖6)。這樣可以很直觀地評估建筑物之間陰影的情況，從而可科學、方便地優化和調整樓宇之間的位置、高度、體型。在已經固定的規劃設計要求范圍內，創造出更高品質項目。

3 項目風環境分析

空氣是人類賴以生存的必要條件，但隨著城市化的發展，城市面積逐步擴大，城市人口增加，各種影響空氣質量的排放也隨即增多，工廠、汽車等廢氣排放給城市帶來難以避免的空氣污染問題。雖然、國家、政府乃至企業都在積極推行技術改造、節能減排，但短時間內還很難從根本上解決空氣污染的問題。從大的城市環境來講空氣質量問題是客觀存在的，對于房地產開發來說，雖然大環境不好改變，但在客觀存在的前提下，采用先進的分析手段，通過調整建筑設計的朝向、造型、自然通風組織等方法，充分利用大自然的風向流動，改善項目的風環境，減少空氣齡的時間，從而提高空氣質量，滿足人們對健康環境的追求。此外，良好的自然通風，在南方夏季炎熱的天氣還可帶走建筑物的熱量，減少冷負荷，達到一定的節能作用，這將在后面章節再詳細討論。

提高空氣質量一個重要的手段首先是改善建筑物外環境的空氣自然流動，減少室外空氣齡的時間，因為只有外部空氣質量改善了，才有條件提高室內的空氣質量，否則，如果室外空氣質量都不好，室內空氣質量改善也就無從說起。

因此，在項目規劃設計時，就要先進行項目環境的風環境分析。首先，把周邊環境的基本體量模型建立起來，再加上項目本身的方案模型，根據當地的氣象數據，進行風環境模擬分析，得出空氣的流動形態，然后再進行設計調整。

風環境模擬分析主要內容包括:空氣齡、風速和風壓。

(1)空氣齡分析

主要是分析空氣在某一點的停留時間，空氣停留時間越長，說明空氣流通就越差，通過計算模擬后，可以得出空氣齡分布圖(圖7)。從這張圖的空氣齡的分布情況看，紅顏色區域表示空氣齡比較長，空氣就比較混濁，而藍色區域表示空氣齡比較短，空氣質量相對較好。

對于住宅項目，通過對空氣齡的分析，調整優化戶型布局，可以提高其性能，從而提高項目品質和開發商銷售效益。

而對于大型公共商業項目，良好的自然通風設計可以減少機械強制通風所需的能耗，同時合理的通風空調設計可以提高人的舒適度，提高商業項目的品質。

(2)風速分析

風速分析主要是考慮兩方面的因素:一是公共商業建筑室內通風空調區域的風速給人造成的不舒適;二是城市高樓集中區域，自然風受到高樓的阻擋在局部區域產生強風，從而導致行人行走困難，附件商店、廣告牌被吹翻等問題，國外還出現過因高樓局部產生瞬間強風使行人受傷導致民事訴訟。

夏季人體感覺比較舒適的風速在0．5～1m/秒，通常風速的允許極限是在10m/秒，而風速在14～17m/秒就會導致步行困難，按照中國氣象報社2010年發布的數據，平均風速在17．2～20．7m/秒為8級大風，可以折毀樹枝，對戶外的商店擺設、廣告牌等就可能造成損壞。所以，通過項目環境的風速分析，避免高樓局部區域產生的強風，可以提高項目的品質，降低項目的風險。

(3)風壓分析

項目環境的風壓分析，與前面講到的空氣齡、風速是互相關聯的，通常風速大，風壓也大。風速大，空氣流動快，空氣齡就短。項目環境的風壓分析，對于主要利用自然通風的住宅是比較有作用，尤其是在我國南方夏季氣溫較高地區，良好的自然通風是提高舒適度的基礎。

對于自然通風的室內空氣流動，主要是靠室內外空氣壓力差產生——換氣動力。所以，如果住宅在夏季季候風的迎風面上形成一定的風壓，就會產生室內空氣流動的動力，只要打開窗戶，外邊新鮮空氣就進入。當然，戶型設計也很關鍵，如同上述的空氣齡分析一樣，良好的平面布局，合理的門窗位置，都是改善室內空氣自然流通的關鍵因素。綜合上述所講的空氣齡、風速、風壓三個方面的分析模擬，項目設計就可以綜合考慮項目的使用功能，景觀視線，自然采光，空氣自然流動的路線等因素，提高項目的品質。

4 項目環境噪音分析

安靜是良好環境的其中一個重要條件，現代城市人白天工作緊張，家是最好的港灣，辛苦一天能睡個安穩覺是身心修復的最佳辦法。然而隨著城市建設的高速發展，建筑密度增大，道路行駛的汽車增多，城市噪音污染也隨即增大。2008年8月19日國家環保部頒布了新的《社會生活環境噪聲排放標準》，明確規定醫院病房、住宅臥室、賓館客房等以休息睡眠為主、需要保證安靜的環境，最高級別是夜間(22時至次日6時)噪聲不得超過30分貝，白天(6時至22時)不得超過40分貝。當然，衡量噪音的分貝值對于大多數非專業人士來講是一個抽象的數值。為了使讀者能夠有感性的認識，表1列舉了摘自百度百科的關于音量分貝類比:

表1 音量分貝類比

項目環境噪音分析，就是把項目周邊已存在的、我們無法改變的現狀:諸如道路、人群活動比較多的廣場、娛樂場所等產生噪音比較大的噪音源放入到項目模型中進行分析模擬(圖9)。

通過分析模擬，對受噪音影響比較嚴重的戶型，選擇雙層玻璃、隔音樓板和隔音墻體、吸音材料、調整窗戶方向避免噪音直線傳播等措施。增加擋音墻、種植隔音效果較好的樹木等等，改善整體項目噪音環境。

5 項目環境溫度分析

人體對于空氣的溫度是比較敏感的，人感覺舒適的溫度還與濕度、風等要素有關，我國的設計規范要求室內溫度夏季在24～26℃ ，冬季在16～20℃。然而我們都知道，如果要采用非自然的保溫措施，是需要消耗大量能源的。

2010年10月28日中國建設報在《我國的建筑能耗現狀與趨勢》提到:“我國北方城鎮采暖能耗占全國建筑總能耗的36%，為建筑能源消耗的最大組成部分。單位面積采暖平均能耗折合標準煤為20kg/m2·年，為北歐等同緯度條件下建筑采暖能耗的2～4倍。能耗高的主要原因有3個。一是圍護結構保溫不良。二是供熱系統效率不高，各輸配環節熱量損失嚴重。三是熱源效率不高。由于大量小型燃煤鍋爐效率低下，熱源目前的平均節能潛力在15% ～20%?！?/p>

因此，良好的建筑圍護結構保溫，是節省能耗的一個重要措施。此外，按照我國《公共建筑節能設計標準》提到:“在冷卻工況下，室內計算溫度每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。”用通俗一點的說法就是在夏天制冷時，我們把室內溫度設定每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。對于南方需要空調降溫時間比較長的地區，如果自然通風環境良好，就可以減少空調制冷時間，同時如果室外自然溫度較低時，室內制冷的能耗也相應下降。

項目環境溫度分析，主要有兩項工作:一是項目小區域的溫度分析;二是室內溫度分析。通過建立項目區域BIM模型，結合相關氣候數據屬性，分析模擬出項目區域的熱環境情況，如圖10紅色區域為溫度比較高的地方。

根據分析結果，調整環境設計，譬如調整建筑物布局，改善自然通風路線，增加水景、綠化等措施，以降低局部區域溫度等等。

由于目前建筑設計在采暖、制冷的設計計算時，主要是考慮建筑自身的設計和計算，對于建筑外部空間的熱環境分析是很少顧及的。而實際上外部空間的熱環境對室內溫度的影響是很大的，尤其是南方夏季溫度較高地區，生活體驗也都告訴我們，如果室外通風良好、綠化、水景較多，感覺就涼爽一些。因此，項目區域的溫度分析，是保障項目整體環境的一個重要手段。

對于室內溫度分析，我們在BIM模型里，加入建筑圍護結構的熱特征值，諸如導熱系數、比熱、熱擴散率、熱容量、密度等數據，除了通常的冷熱負荷計算，也就是室內設定的溫度范圍內，冬季的供暖和夏季的制冷最大值計算外，還進行全年的室內溫度分析，優化室內溫度的設定值。

前述已經提到，我國《公共建筑節能設計標準》提供的參考數據:“在加熱工況下，室內計算溫度每降低1℃，能耗可減少5% ～10%;在冷卻工況下，室內計算溫度每升高1℃，能耗可減少8% ～10%。為了節省能源，應避免冬季采用過高的室內溫度，夏季采用過低的室內溫度……”。因此，通過全年的室內溫度分析，優化室內溫度的計算值，繼而優化供暖和制冷系統，實現在滿足舒適度的前提下減少能耗，節約使用成本。

圖13 全年能耗分析結果

［1］何關培．BIM在建筑業的位置、評價體系及可能應用［J］．土木建筑工程信息技術，2010，2(1):109-116．

［2］李騰．BIM在綠色建筑評估體系的室內環境應用中的可行性研究［J］．土木建筑工程信息技術，2010，2(3):20-24．

［3］紀谷文樹編．李農，楊燕，譯．建筑環境設備學(日)．

［4］何關培新浪博客，http://blog．sina．com．cn/heguanpei

［5］歐特克(中國)官方網站:http://www．autodesk．com．cn/

［6］云朋，編著．ECOTECT建筑環境設計教程．