基于BIM理念的綠色建筑新思維

周吾波　徐嘉佑　孫堂宇　李明柱　李明照　韓言鋒

(吉林建筑大學，長春　130118)

基于BIM理念的綠色建筑新思維

周吾波徐嘉佑孫堂宇李明柱李明照韓言鋒

(吉林建筑大學，長春130118)

【摘要】通過BIM精細化設計，使用統一的數據源，保持整個設計過程數據的可持續性，對設計各階段進行優化，使設計作品達到綠色建筑設計的要求。此外，使用數字模擬軟件Ecotect、Fluent、Abaqus、Pathfinder等對光照、風環境、荷載、人員疏散進行模擬分析，并通過模擬結果來優化建筑開窗、建筑遮陽、建筑抗震、建筑疏散以及可再生能源的利用，提升設計質量，保證設計的安全性、節能性、環保性和可持續性，使圖書館具有更適合學習和生活的室內外環境，達到“人-建筑-自然”三者和諧共生。

【關鍵詞】綠色建筑；建筑物理模擬；日照模擬；風模擬；內力分析模擬；人員疏散；建筑信息模型；光照；風環境；荷載；人員疏散

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.09

1工程概況

1.1項目簡介

東北師范大學凈月校區圖書館為吉林建筑大學建筑學專業課程設計題目，以“階與葉”為基本概念，將其作為聯結大學生學習與生活的紐帶，區別于傳統設計流程，如圖1～2所示。

圖1　圖書館方案效果圖(南)

圖2　圖書館方案效果圖(北)

1.2工程特點和難點

工程特點：東北師范大學凈月校區圖書館，將綠色建筑和BIM理念貫徹整個設計全過程，通過對節能技術、節能材料、空間環境地有效利用，保證圖書館在多個方面達到節能設計標準，BIM理念與技術保證了與綠色建筑理念的實施。綠色圖書館的設計，涉及到不同的專業領域協同與合作，因此建筑、結構、市政專業在整個設計過程通過云平臺下三維立體的BIM建筑模型進行專業間信息的交流。

工程難點主要有：①東北師范大學圖書館周邊有大量正在使用的既有建筑，需保證圖書館與學校既有建筑設計風格相協調；②確定設計作品的建筑功能、使用人數、建筑形態，在不同專業貫徹并落實綠色建筑理念和BIM理念，使用綠色建筑模擬軟件來確保設計的合理性，解決Revit信息模型與各綠色建筑模擬軟件之間信息傳遞[1-6]。

1.2.1風環境模擬

包括室外風環境模擬、室內自然通風模擬和室內空調氣流組織模擬(圖3、4)。

圖3　報告廳氣流組織模擬

圖4　室外風環境模擬

(1)室外風環境模擬：周邊建筑的影響、模型的體量、各種形體的建筑、風速高度梯度、模型網格劃分精度等都對模擬精確程度帶來了很大挑戰，模擬結果需要修改的部分與建筑、結構專業存在交叉；

(2)室內自然通風模擬：對建筑物內部模型的精細程度提出了很大的挑戰，大量的窗墻導致了邊界條件的多變，對網格劃分技巧提出了嚴格要求，模擬結果反饋與建筑和結構專業存在交叉；

(3)空調氣流組織模擬：圖書館報告廳空調氣流組織的模擬涉及到溫度、濕度、風速三者的耦合，對網格劃分與求解精度帶來了挑戰，模擬結果反饋與暖通專業存在交叉[7]。

1.2.2光環境模擬

包括日照、輻射、室內光環境模擬(圖5、6)。

(1)日照模擬：3D界面能清晰反映出各時刻建筑的陰影區域。日照不足的部位，可以直接進行修改；

(2)輻射模擬：通過輻射模擬，確定太陽能集熱器的朝向，優化設計。模擬結果與建筑專業、暖通專業交叉。

圖5　日照模擬

圖6　內力分析模擬

1.2.3結構內力分析模擬

結構進行有限元分析以及抗震模擬，發現結構存在的薄弱點。

(1)建模：Abaqus精細化建模復雜，尤其是建立一套完整的圖書館結構模型；

(2)分析模擬：網格劃分以及荷載輸入后對結構進行內力分析模擬，發現結構薄弱點，模擬結果與建筑專業有交叉。

1.2.4人員疏散模擬

將Revit模型經簡化后導入Pathfinder軟件，用Pathfinder軟件進行人員疏散模擬，確定逃生路線設計的科學性。

每一個專業的設計，實際上都離不開其他相關專業的溝通與協調，因此一個完整的由內而外的建筑設計需要大量的信息交互。傳統設計流程往往是通過二維的圖紙，反復解決各專業設計間存在的問題，造成設計效率低、效果差。利用綠色建筑物理模擬軟件對精細化BIM信息模型進行分析，保證數據源的統一性和數據的連續性，將不同的模擬軟件如光照(Ecotect)、風環境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)進行整合，解決軟件間的數據傳輸壁壘問題是本次設計探索中的重點與難點[8-10]。

2BIM組織與應用環境

2.1應用目標

作為應用試驗項目，東北師范大學凈月校區圖書館的設計目標是擺脫二維圖紙，通過學校云平臺實現設計相關各專業能夠同時基于同一個三維建筑模型進行設計、建造和運維，最終實現工程項目的零索賠、零變更。綠色建筑物理模擬用于精細的BIM信息模型，將設計的建筑在計算機系統中進行預運行，確保設計師能夠設計最滿意的建筑作品，達到綠色宜居建筑。

為探索和創新設計流程，本設計完全擺脫了傳統的設計流程即二維進、二維出的模式，利用Revit軟件進行三維立體模型設計，避免在傳統設計流程圖紙交互過程時出現的一些紕漏。通過建筑模型了解建筑的空間形態、結構尺寸、通風排水管的排布、造價等真實數據信息，將所有建筑物相關數據信息全部集中在同一個建筑模型中，充分利用該精細信息模型，進行風、光、熱模擬，使建筑更加宜居，綠色技術的使用更加科學。

圖7　建筑Revit模型(中心文件)

2.2實施方案

(1)學校云平臺提供兩臺10核CPU、128 G內存、Quador 6000顯卡的服務器，并生成桌面虛擬化套件，形成兩個主虛擬機和100個虛擬桌面。通過虛擬桌面連接到云平臺，利用服務器強大的CPU運行大型Revit文件(普通臺式機或者筆記本電腦無法運行大型Revit文件)，筆記本電腦就相當于服務器的顯示器，運行的是服務器的CPU。

(2)虛擬仿真實驗室能夠讓協同設計小組方便地連接到虛擬桌面。Revit中心文件(圖7)存入云平臺，設計人員可以同時在Revit中心文件中建立自己的工作集，各個專業可以同時在同一個建筑模型當中進行設計或者修改，直接在三維立體模型上進行操作設計，顛覆了傳統的設計流程。

(3)Revit軟件平臺能夠實現多專業的協同設計。建筑學專業的同學完成建筑設計以及Revit建模工作，該模型將作為中心文件儲存于云平臺上，其他專業的同學則可以通過虛擬桌面連接到云平臺，打開模型的中心文件，并在該Revit文件中建立自己的工作集。通過BIM建模工作，所有專業的同學都可以直接在其上進行設計與修改，任何改動都會同步到中心文件，團隊中的所有人將都會直觀地看到，顛覆了傳統設計流程，形成新的工作模式。

(4)BIM模型建立后，應用建筑物理虛擬仿真軟件進行模擬。充分利用BIM模型，使用模擬軟件對光照(Ecotect)、風環境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)進行模擬，發現設計中的錯誤，在三維模型上修改和優化設計。虛擬仿真模擬形成設計師自查與多專業互查的全新設計模式。

2.3團隊組織

吉林建筑大學工程管理(MBF方向)雙學士學位班，集中了建筑行業各個相關專業(建筑學、結構、電氣、市政、管理、藝術、景觀等)的同學，通過不同學科的交叉融合的學習過程，了解其他專業相關知識和概念，打破傳統設計過程當中專業之間壁壘，在BIM協同設計中提高協同能力，更好地貫徹BIM理念。

MBF有3個專業方向：M-MIP(Management of International Project國際工程管理)、B-BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)和F-FM(Facility Management設施管理)。完成此次畢業設計的團隊來自BIM方向的學生，指導教師來自管理學院和市政環境學院。在老師們的指導下，設計團隊借助學校“云端BIM三維協同設計與管理實踐中心”平臺實現了圖書館的作品設計，積累了豐富的BIM實踐經驗和理論知識。

2.4軟硬件環境

硬件環境：學生個人的筆記本電腦、雙學士學位班提供的臺式電腦、投影儀、虛擬仿真實驗室、“云端BIM三維協同設計與管理實踐中心”平臺。

軟件環境(圖8)：Revit、Fluent、Ecotect、Lumion、Abaqus、Pathfinder，Sketch Up、廣聯達、吉林建筑大學云平臺、OpenBIM。

圖8　軟件系列

3BIM應用

云技術所描繪的未來是將一切都放到網絡上。云就是網絡，網絡連接計算機。當需要龐大計算量的時候，云平臺就會分配足夠的資源，大幅提高計算效率。本次設計的模擬，無論在操作方面還是存儲方面，云平臺都顯示出強大的功能。比如本設計中室內風模擬，如果在PC機上完成模型需要計算6 h，而登陸虛擬桌面后，只需要10 min。

除此之外，風、光、熱、力的模擬，需要大量的數據來源。基于精細的BIM三維模型，利用云平臺的模擬，能夠保證所有數據共享，各專業之間的無縫連接與信息反饋，設計師能夠在各模擬軟件中進行驗證和修改。

隨時同步獲取最新工作集，在設計中避免管線間碰撞以及管線與梁柱的碰撞。所有構件信息全部儲存于同一個Revit中心文件中，建筑、結構、市政、電氣專業的所有模型全部集成在一起，每個人建立自己的工作集，避免他人修改。一旦將設計同步到中心文件上，團隊成員都可以直觀地看到每個構件的位置、大小以及相關信息。Revit中心文件是一個普通電腦無法處理的近幾百兆大數據，因此云平臺是實現BIM設計的關鍵。

4應用效果

傳統設計流程是以二維圖紙作為不同專業之間的聯系紐帶，如有變更，需要在上述流程當中反復修改和協調。因此在信息交互和圖紙轉化的過程當中，不可避免地存在紕漏和錯誤，同時也浪費很多時間和不必要的工作量，無論是在設計流程上還是變更所帶來的索賠上，都造成了時間和金錢上的浪費。

運用BIM技術突破傳統設計流程，各個專業的設計人員可以同時開展設計和修改工作，與傳統二維圖紙工作方式相比，協同設計模式能夠節約50%～80%的時間。利用精細化BIM信息模型進行建筑物理虛擬仿真，可發現建筑運行中的不足，能幫助設計師直觀地在三維模型上修改設計，并且對設計修改進行反復模擬驗證，提升設計質量，做到安全、節能、環保、可持續，保證最終設計作品滿足優良的室內外環境標準。

三維協同設計階段大量的工作集中在建模、模擬和優化上，為后期施工階段節約了大量的時間成本和經濟成本。由于經過仿真模擬驗證，使得建筑設施在運行維護階段更高效，成本更低。

5總結

5.1創新點——連續穩定的數據流

圖書館設計中嘗試以“三維進、三維出”模式為基礎，由以往注重出現問題解決問題的設計思路，轉變為避免問題和阻止問題發生。設計過程中，如果有類似于Sketch up、Revit等軟件的三維立體模型，結構設計的過程中通過Sketch up、Revit等軟件建立的三維立體模型將會對整體建筑有一個更加直觀地把握，便于結構選型、構件調整。結構設計中實時了解建筑信息并與建筑設計師配合、建筑對造型以及空間利用率等的需求，對結構設計會產生質的不同。在與市政設計的配合中也是如此。

設計中更重要問題是如何將精細化BIM信息模型中的信息利用起來。保證信息的穩定傳遞，利用BIM信息對建筑進行模擬分析，將建筑物在計算機中進行預運行，驗證建筑設計的合理性，使用建筑物理模擬仿真軟件進行模擬仿真，充分利用建筑三維優勢，通過使用模擬軟件對光照(Ecotect)、風環境(Fluent)、荷載(Abaqus)、人員疏散(Pathfinder)形成直觀的建筑運行狀況，發現建筑運行中的不足，協助設計師直觀的在三維模型上修改自己的設計，并且對設計修改進行不斷地模擬驗證，達到最優設計，形成設計師自查與多專業互查的全新設計模式。

5.2經驗教訓

設計過程信息流通不暢是本次設計中遇到的最大問題。建筑、設備、造價等信息很難逆向傳遞到結構設計中，結構設計信息也不得不通過二次建模來進行傳遞，而且二次建模的意義相當有限，大部分應用都僅到碰撞檢查的程度。各專業之間是如此，結構專業內部的信息流通也存在諸多問題。隨著BIM技術的不斷發展，大數據時代的來臨，龐雜的數據處理能力和軟件之間的兼容問題會得到極大的改善。雖然BIM技術的研究和探索才剛剛開始，各個專業協調和整合并不完善，但相信顛覆性的模式創新會在未來的建筑行業當中創造出更大的價值。

各個專業之間不僅要專業化，更要信息化，保證設計過程在同一平臺下的信息共享。結構專業中結構選型、節點設計、穩定性分析等專業化設計也能夠實現信息、數據的共享，避免各個軟件之間的不兼容性，更好地進行各個專業以及專業內部的一體化協同設計。

將BIM理念下的三維協同設計產物與綠色建筑物理模擬相結合，充分利用BIM信息的豐富性與綠色建筑物理模擬的先知性，為建筑設計提供科學的依據，為設計師提供了強大的技術支撐。本次設計理念與方法在高校內乃至行業內都屬首創。由于水平及軟硬件的制約，成果有限。但基于BIM理念的綠色建筑新思維將傳承下去，通過使用BIM技術，為綠色建筑的設計注入量化數據依據，讓綠色建筑真正“綠”起來。

參考文獻

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New Thinkings on Eco-friendly Building based-on BIM Concept

Zhou Wubo，Xu Jiayou，Sun Tangyu，Li Mingzhu，Li Mingzhao，Han Yanfeng

(JilinJianzhuUniversityofJilinProvince，Changchun130118，China)

Abstract:By the fine design of BIM and using a unified data source,the sustainability of the whole process of the design data can be maintained，the design can be optimized，and the design works can achieve the requirements of green building.Besides，digital simulation software are used to stimulate and analyze the lights，the winds，the environments，the load，and the personnel evacuation through Ecotect，Fluent，Abaqus and Pathfinder.The results of simulation can optimize building window，the building shading，the building aseismicity，and the evacuation of buildings and renewable energy utilization as well.This method not only improves the design quality but also ensures the design of safety and energy saving，and eco-friendly sustainability,which facilitates the library′s indoor and outdoor environment for both study and life,and thus realizes the harmony among human beings，the architecture and the nature.

Key Words：Green Buildings; Building Physical Simulation; Flow Field Analysis; Internal Force Analysis; Personnel Evacuating; BIM; Ecotect; Fluent; Abaqus; Pathfinder

【作者簡介】周吾波(1995-)，男，吉林建筑大學建筑環境與能源應用工程、工程管理雙學士學位,LEED AP BD+C。主要從事BIM、FM、綠色建筑相關研究。

【中圖分類號】TU17

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)03-0048-05