BIM技術在建筑節能領域的應用

周文倩 田文濤 宋鵬飛 譚 暢

（鄭州大學，河南 鄭州450001）

作為當前的全球建筑大國，我國每年新增建筑面積超過20億m2，新建房屋占全球一半以上。我國建筑在從規劃設計，到施工使用，再到拆除和廢棄物利用的每個環節，都存在巨大的資源能源“浪費黑洞”。在設計施工方面，傳統的建筑設計通常是沿用現有的生態建筑設計方案和現有的建筑設計技術資料，而沒有因地制宜地對建筑工程節能設計進行深入的考究，因而在建造施工過程中會出現一系列構造不合理、設計計算錯誤等問題，此時工程返工重建將會導致資源極大的浪費。這是由于傳統的建筑設計理念和現代建筑技術水平的制約。通常一套建筑設計方案不能夠在設計過程中對其進行能耗分析，而是到建筑施工中才進行能耗分析。在建筑施工的最后階段，能耗分析幾乎沒有意義，況且工程建設過程中對于建筑設計方案通常會因種種因素的影響而難以變更，這最終就導致了資源能源浪費。因此通過對傳統的建筑設計方案和理念的改善以及將現代科技和建筑設計方案緊密結合,創造出新型綠色建筑節能設計方案,以此來達到降低建筑能耗的目的。

而BIM（建筑信息模型）作為一項新興的信息技術，能夠有效地改善當前建筑設計中存在的能源浪費問題，現已在世界多國的建筑領域得到實際應用。通過實踐證明，應用BIM進行建筑設計能夠有效地節約時間、節省成本。BIM技術在建筑節能領域的絕對優勢使其得到越來越多設計人員的青睞，要同時也為綠色節能建筑找到新的發展方向。

1 BIM簡介

BIM作為當代建造設計行業的寵兒，其實現是以不斷發展的計算機輔助設計（CAD）技術為基礎的，旨在連接建設項目生命周期不同階段的數據、過程和資源，建立單一工程數據源，從而解決分布的、異構的工程數據之間的一致性和全局共享問題，進而支持建設項目生命周期中動態的工程信息創建、管理和共享，實現建設項目的全生命周期管理［1］。

BIM在建筑節能設計方面的優勢有協同作用、模型碰撞檢測、可視化設計、綠色節能設計及模擬施工等。

1.1 協同作用

BIM的該項功能確保在建筑設計過程中同項目的不同成員將自己設計的內容同步到文件服務器供其他專業人員參考。各專業能夠實現同一平臺設計，發現問題并及時解決溝通，避免出現建筑設計階段因各專業缺少交流而導致設計出現漏洞，縮短設計時長，提高設計效率。

1.2 碰撞檢測

在傳統建筑設計過程中，各個專業常會因為交流不夠而出現機電碰撞、管線與房梁出現交叉碰撞的現象，這些管線的交叉點眾多，任何一處檢測不到的碰撞都會造成工程的停滯和返工，浪費人力物力。BIM的碰撞檢測功能可及時發現設計過程出現的管道布置不合理的現象，彌補設計人員由于缺少溝通帶來的施工成本增加及工期延誤的問題。

1.3 可視化設計

建筑模型的室內外的可視化，能夠幫助業主進行決策，減少建筑設計施工過程的返工量。

1.4 節能設計

BIM可通過日照分析和風場分析對建筑的方位及朝向做出一定的調節，對建筑物每年的能量消耗、采暖制冷負荷、照明所需耗費的電力資源等進行模擬分析,較為直觀地反映過建筑節能設計的效果。

1.5 模擬施工

使用BIM技術對設計方案進行模擬施工，預先展現出建筑實體的形態，便于發現實際施工過程中可能出現的問題，及時進行糾正，減少因設計不當造成的工期延誤的問題。

2 BIM在建筑節能領域的應用現狀

自從BIM被開發以來，建筑業內對BIM技術的議論不絕于耳，對BIM技術的發展和應用存在許多疑惑。隨著近年來BIM技術在建筑物中應用后顯示出的優越特性，越來越多的設計師選擇運用此項新技術來滿足建筑節能的需求，BIM在國內外綠色建筑中的應用實例也不勝枚舉。

2.1 BIM在國外建筑節能領域的應用

2005年，綠色節能建筑開始進入美國建筑市場，全年2%的新建項目成為綠色節能建筑。到2008年，新建項目中已有12%的商業建筑項目和8%的住宅建筑項目成為綠色建筑［2］。該期間，美國綠色建筑運營成本下降了13.6%，而這些建筑成為綠色建筑后，綜合直上升了10.9%［3］。而BIM作為綠色節能建筑設計的卓越技術，更是受到美國等多數發達國家的青睞。如今美國采用BIM的項目數量增長迅速，62%以上的設計單位采用BIM進行建筑節能設計。美國政府負責建設的項目，要求全部使用BIM技術。而在歐洲地區的國家，英國建設行業網絡（CSN）發表的調查報告：截至2012年1月，英國AEC企業BIM的使用率已達到57%；根據美國McGraw-Hill Construction公司2010年的調查報告：2010年，德國BIM的應用率為36%，且其國產的BIM軟件占主導地位［4］。

例如，在西雅圖北側，NBBJ為比爾及梅琳達·蓋茨基金會設計的總部形如兩只相對的回旋鏢。通過對BIM新技術的運用，這一園區僅可飲用水消耗量一項就能節約79%之多。NBBJ管理合伙人史蒂夫·麥康奈爾（Steve Mc Connel）介紹，“建筑占據全球33%的能源消耗。如果算上建筑內的設施、系統消耗的能源，這個數字則是67%。”而通過計算機輔助設計，建筑師們能夠設計出“一次投入，終身受益”的被動式環保設施。

2.2 BIM在國內建筑節能領域的應用

在中國，BIM的應用雖處于起步階段，但也不乏運用綠色BIM成功建造優秀綠色節能建筑的案例。

2010年，在深圳新落成的萬科中心得到了全世界的廣泛關注。該項目通過對BIM的應用，從結構、選材、設備等多角度出發，可持續設計技術得到了充分應用。其中，建筑遮陽系統保證建筑室內光線和溫度保持在最佳狀態；太陽能光伏板提供了建筑物所需電能總量的12.5%，太陽能熱水器提供了酒店部分所需熱水的50%；智能照明系統配合節能燈具的使用，使萬科中心的照明能耗也比同類規模同類建筑減少30%左右；水環境設計方面實現了節水50%以及100%的污水處理；在建筑材料的選用方面也充分重視了綠色建筑材料的使用，可再生材料的應用較為廣泛而在綠色建筑認證方面，更是達到LEED鉑金級認證，成為國內乃至全球極少數獲得此級別認證的建筑物之一［5］。

騰訊新總部大樓坐落在深圳，這座年平均氣溫23℃的低緯度城市，建筑面積27萬多m2大樓所需的空調及照明費用不菲。NBBJ設計團隊研究了深圳的氣候、日照方向及日照時間，并將這些參數與建筑區位、朝向結合。NBBJ計劃使騰訊新總部能耗比中國綠色建筑最高標準三星級，再提升30%的節能效率，整座大樓設計耗電量總計節省約12%。“在深圳，建筑的南側是夏天陽光照射最久的方位，我們就設計‘自我遮罩’外墻結構。”“自我遮罩”聽起來十分簡單：大樓玻璃幕墻以兩層樓為單位向外傾斜，與頂端的不透明擋板構成一個角度。當夏天正午太陽最毒辣時，日光被不透明擋板擋在建筑之外，減少透入樓內的熱量，從而降低空調費用；而清晨、黃昏時，陽光則可以自由透入建筑，節約照明費用。

又如，中國杭州奧體中心與北京鳥巢體育場體量相當，同樣擁有8萬個座位，但用鋼量僅為鳥巢三分之一。鳥巢總計花費11萬噸鋼材，而杭州奧體中心在NBBJ計算機設計規劃下，省下超過7萬噸優質鋼材，足以裝滿1 240個火車車皮。這是一個未來的建筑世界，卻早已誕生于實際建筑設計之中，喬納森說：“在這個世界，一切都由數據驅動。”

平安金融中心——虛擬建造，BIM主導預制加工超高層建筑一般都位于城市CBD地段，地價昂貴導致場內面積狹小，而且當前我國的勞務成本也處于攀升階段。場地制約和人工費用的不斷升高決定了工廠化預制、現場組合拼裝將成為以后施工企業業務發展的主流方向。在深圳平安金融中心項目中應用BIM技術進行虛擬建造，從施工的角度完成最終的深化設計之后，將模型構件按照廠家產品庫進行分段處理，生成裝配圖紙后交付廠家進行生產。與廠家產品庫的共享既提高了模型的精準度，也打通了BIM到工廠的通道。預制加工面臨的最大問題就是現場的施工條件。結構尺寸是否符合設計要求，管線拼裝如何定位，偏差怎么消除，這些都將影響到組合拼裝的成功率。在該項目中，第一步是模型設計階段，在保證建模精準度的前提下，充分考慮施工過程中的各種不利因素，如鋼梁的防火噴涂、各類檢修操作空間等，以合理規避風險；第二步是現場完成結構施工后、預制加工前，應用全站儀等手段對現場進行校核測量。對于無法消除的偏差，將重新調整模型以滿足實際情況，再出裝配圖到廠家加工；第三步是現場安裝階段，對每一個點的精確定位是保證拼裝成功的前提。手工放線對于直管段偏差不大，但拐角較多的成品管就極易出錯。該項目中將模型通過二次開發軟件轉換，使用機器人全站儀直接實現自動化放線，大大提高了定位的準確度。BIM在虛擬建造的施工階段發揮著巨大的優勢，大大節省了建筑資源。

中國尊作為北京新的地標建筑，在綠色和節能方面有著極高的設計要求。其節能顧問通過Autodesk Ecotect Analysis對塔樓標準層不同辦公區域的日照分析，提出室內燈光設計的優化方案，也對塔樓立面的遮陽構件提出了相應的優化策略。對冷卻塔的冷卻效果分析，保證了設計的運行效果。對大堂、觀光平臺等重要空間的氣流模擬分析，極大地提升了“中國尊”在空調設計方面的舒適性。

在節能方面武漢中心也做了很大努力，武漢中心的設計目標是達到國家綠色建筑三星級和美國LEED-NC金級。因此在設計的過程中，將BIM技術與綠色、低碳、環保相結合，研究與BIM直接相關的綠色建筑評選項目主要集中在節能與能源利用和室內環境質量兩個方面。通過不同的參數的設置，對建筑進行性能化分析，達到優化設計的目的，實現了質的飛躍。

可見，BIM為綠色施工提供了有力的保障，對BIM技術的合理使用在推動我國綠色建筑設計中取得了較大的進步。

3 結語與展望

我國建筑市場龐大，節能潛力巨大，資源短缺的矛盾將伴隨著社會的發展逐步凸顯出來，在傳統的建筑設計無法滿足可持續發展的情況下，BIM技術必然會成為建筑設計新的應用方向。依賴新型的BIM技術，設計師可以在設計階段導入自己的相關數據，在軟件分析后及時調整方案出現的問題，避免出現人力物力的浪費，充分展現出了BIM在建筑節能設計方面的優勢。

目前BIM技術作為一種新技術，其應用過程存在的不足將在建筑節能技術的發展過程中逐步完善。我國對BIM技術的逐步普及與應用也必將使國內的建筑節能技術走向更高層次，因此BIM將會是今后建筑節能設計的一大發展趨勢。

［1］Luis Lopes，Shuichi Hokoi.Energy efficiency and energy savings in Japanese residential buildings research methodology and surveyed results［J］.Energy and buildings，2005，37：698.

［2］H.Tommerup，S.Svendsen.Energy savings in Danish residential building stock［J］.Energy and Buildings，2006，38：618.626.

［3］B.Farhanieh，S.Sattari.Simunation of energy saving in Iranian buildings using integrativemodeling for insulation［J］.Renewable Energy，2006，31：417.

［4］歐陽東.BIM技術—第二次建筑設計革命［M］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［5］陳蘊，艾俠，楊銘杰.綠色總部——萬科中心設計解讀［J］.建筑學報，2010（1）：6-13.