BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用

魏天云

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 道路工程系，福建 福州350007）

目前，我國每年新增建筑面積達(dá)到20億m2以上，超過全球建筑面積的一半，成為全球建筑大國[1]。在建筑規(guī)劃設(shè)計、施工過程中，以及建筑產(chǎn)品拆除和廢棄物利用的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中，還存在嚴(yán)重的資源與能源浪費(fèi)現(xiàn)象。在設(shè)計與施工階段，主要參考目前已有的技術(shù)資料和設(shè)計方案，未能根據(jù)實際情況綜合考慮建筑工程節(jié)能設(shè)計，經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理以及設(shè)計計算錯誤等方面的問題，需要及時進(jìn)行返工處理，造成人力與資源的浪費(fèi)，這是傳統(tǒng)設(shè)計的弊端所在，主要受設(shè)計理念以及技術(shù)水平的限制。以往對建筑產(chǎn)品的能耗分析，不是在建筑方案設(shè)計階段，而是在施工的整個過程，到了施工的最后階段進(jìn)行能耗分析也沒意義，這是由于建筑設(shè)計方案受各種因素的制約無法變更，從而造成資源與能源的浪費(fèi)。因此，必須完善傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方案與理念，同時將現(xiàn)代科技與建筑設(shè)計方案有機(jī)聯(lián)系起來，倡導(dǎo)新型綠色建筑節(jié)能設(shè)計方案，從而實現(xiàn)降低建筑能耗的目的。

建筑信息模型(BIM)為建筑節(jié)能設(shè)計的協(xié)作管理提供了強(qiáng)大的信息支持，可以有效地降低設(shè)計與施工過程中的時間與成本，減少或避免當(dāng)前建筑設(shè)計中存在的資源能源浪費(fèi)，已在世界各國的建筑領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，由于自身的優(yōu)勢，越來越多的設(shè)計施工單位采用BIM技術(shù)，成為綠色節(jié)能建筑設(shè)計發(fā)展的新方向。

1 我國建筑節(jié)能設(shè)計現(xiàn)狀和問題

目前，我國的建筑面積每年在不斷增加，但大多數(shù)屬于高能耗建筑，而綠色生態(tài)建筑可持續(xù)發(fā)展成為衡量建筑節(jié)能設(shè)計的重要指標(biāo)，我國在這方面的應(yīng)用實踐還有相當(dāng)距離。要進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計定量分析，首先要了解影響建筑物節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵因素，如建筑的方位、體型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，然后將建筑設(shè)計中的大量數(shù)據(jù)通過人工的方式輸入到專業(yè)軟件中，由于建筑設(shè)計師缺乏軟件操作以及能耗分析的知識和經(jīng)驗，難以充分地利用軟件對建筑能耗進(jìn)行分析，造成建筑能量分析必須到施工階段進(jìn)行，但此時的分析結(jié)果反饋到設(shè)計方案，會由于種種限制因素?zé)o法變更，建筑節(jié)能設(shè)計也難以實現(xiàn)。由以上分析可以看出，建筑設(shè)計師缺乏能量分析的專業(yè)背景將直接影響建筑節(jié)能設(shè)計的應(yīng)用和推廣，造成建筑設(shè)計與能耗定量分析的脫節(jié)，這是影響我國建筑節(jié)能設(shè)計水平提高的關(guān)鍵制約因素。

2 BIM技術(shù)對建筑節(jié)能設(shè)計技術(shù)的影響

2.1 BIM技術(shù)對建筑節(jié)能設(shè)計方法的影響

主要體現(xiàn)在兩個方面，一是建筑設(shè)計從傳統(tǒng)的平面設(shè)計發(fā)展成空間設(shè)計，原先的平面設(shè)計主要是基于點、線、面等幾何元素的空間集合，現(xiàn)代的建筑設(shè)計有效利用信息科學(xué)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，改變了建筑師傳統(tǒng)的設(shè)計理念，使建筑的空間概念不斷延伸，范圍也不斷擴(kuò)大，由原先的靜態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)為立體的動態(tài)設(shè)計[2]。另外，BIM技術(shù)將建筑工程項目從設(shè)計、施工、運(yùn)維等過程重新有機(jī)整合起來，使建筑方案設(shè)計由粗放型設(shè)計轉(zhuǎn)變成集成設(shè)計。因為現(xiàn)代建筑的功能不斷增加，復(fù)雜程度也隨著增加，傳統(tǒng)的圖紙信息傳遞已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代建筑設(shè)計的需要，通過引入BIM技術(shù)，可以有效地應(yīng)對這些問題。BIM技術(shù)將各方面信息集成到一個數(shù)據(jù)庫作為共享平臺，有利于信息的修改和及時更新，同時模型的修改與完善也非常方便，從而可以通過模擬將一些問題提前發(fā)現(xiàn)并采取合理措施。

2.2 BIM對建筑節(jié)能設(shè)計思維的影響

利用BIM技術(shù)的模擬功能，可以預(yù)先對建筑設(shè)計方案的科學(xué)性、合理性以及系統(tǒng)性作出評估。設(shè)計施工單位以及用戶可以利用BIM技術(shù)的可視化技術(shù)，虛擬現(xiàn)場施工，掌握施工進(jìn)度以及工程造價，確保建筑設(shè)計方案達(dá)到最優(yōu)。建筑設(shè)計師可以根據(jù)BIM技術(shù)提供的大量建筑數(shù)字化信息，改變設(shè)計理念，創(chuàng)新設(shè)計方式。

2.3 BIM對建筑方案創(chuàng)作的影響

在BIM產(chǎn)生之前，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方案主要是手工繪圖，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計算機(jī)CAD繪圖，改變了傳統(tǒng)的繪圖方式，極大地提高了繪圖效率。數(shù)字化信息化時代的來臨，BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其三維建筑設(shè)計理念的優(yōu)越性不斷得到認(rèn)可，逐漸取代了傳統(tǒng)的二維設(shè)計，建筑師可以將更多精力集中到建筑設(shè)計本身，使傳統(tǒng)的空間排列組合轉(zhuǎn)化為非線性參數(shù)化設(shè)計。

3 BIM技術(shù)對建筑節(jié)能設(shè)計的價值

BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中具有非常高的應(yīng)用價值，主要體現(xiàn)在以下三個方面[3]：一是進(jìn)行碰撞檢查。當(dāng)一些建筑工程方案較為復(fù)雜，建筑師和工程師進(jìn)行節(jié)能設(shè)計時，很難從二維藍(lán)圖中發(fā)現(xiàn)沖突問題，等到實際施工階段，發(fā)生碰撞問題而不符合要求，需要進(jìn)行返工處理，重新進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計，造成材料損耗，影響機(jī)械臺班，出現(xiàn)窩工現(xiàn)象。若能應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行節(jié)能方面的設(shè)計，可以利用BIM技術(shù)的碰撞模擬功能，提前發(fā)現(xiàn)建筑方案中的碰撞問題，及時采取合理的應(yīng)對措施，優(yōu)化建筑設(shè)計方案，避免由于碰撞造成的損失。二是進(jìn)行精確施工和計劃。傳統(tǒng)制作項目施工計劃時，主要采用手工進(jìn)行預(yù)算，不可避免地存在計算準(zhǔn)確性低，難以對相關(guān)的資源作出合理規(guī)劃，造成資源與能源的極大損失。若采用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計時，則可精確地制定計劃和控制施工進(jìn)度與成本，最大限度的節(jié)約資源。通過模擬虛擬施工過程，準(zhǔn)確地分析出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和資源的利用情況，從而減少資源的浪費(fèi)。三是協(xié)同提升效率。有些情況由于建筑工程項目非常復(fù)雜，臨時組建建筑項目團(tuán)隊，極大地影響建設(shè)工期，造成損失。而采用BIM技術(shù)，不但可以共享大量的建筑資源信息，獲得準(zhǔn)確的有用數(shù)據(jù)，而且利用BIM技術(shù)直接進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計與計算，可避免設(shè)計人員的重復(fù)建模，提高設(shè)計效率，同時，BIM技術(shù)提供完整的項目設(shè)計內(nèi)容、施工計劃組織等信息，保證項目各階段運(yùn)行協(xié)調(diào)，縮短項目從設(shè)計、施工到竣工的時間。

4 應(yīng)用模糊評價法評價BIM技術(shù)的優(yōu)勢

建筑節(jié)能設(shè)計未實施BIM技術(shù)之前，項目設(shè)計階段多方參與，溝通與協(xié)調(diào)之間存在很大問題，前期規(guī)劃設(shè)計與后期施工出現(xiàn)偏差，施工過程主要通過安排大量的技術(shù)人員到現(xiàn)場監(jiān)控施工過程，對于現(xiàn)場信息的收集與反饋通常采用手抄的方式記錄施工過程并采用人工的方式傳遞相關(guān)信息，因此，現(xiàn)場信息的收集與傳遞速度慢，而且需要大量的人力與物力，造成施工過程的監(jiān)控成本提高。為了合理評估BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用效果，將信息共享性、集成設(shè)計性以及工程師評語作為主要衡量指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)分析法，將信息共享性、集成設(shè)計性以及工程師評語等指標(biāo)邊界不清、不易定量的因素定量化，對建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)用BIM技術(shù)情況進(jìn)行綜合評價分析，從而確定應(yīng)用BIM技術(shù)的重要性。選擇建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)用BIM技術(shù)之前和應(yīng)用BIM技術(shù)之后兩種情況做為研究對象，應(yīng)用模糊綜合評價法進(jìn)行分析[4-5]。

（1）確定建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)用BIM情況的評價因素集：以信息共享性、集成設(shè)計性以及工程師評語為3個主要的考慮因素，即U={信息共享性、集成設(shè)計性、工程師評語}。

（2）確定因素的評價矩陣：按照建筑節(jié)能設(shè)計應(yīng)用BIM情況評價因素集，通過4位專家對其應(yīng)用情況進(jìn)行評價。

（3）確定評價集：將建筑節(jié)能設(shè)計過程的評價等級劃分為優(yōu)、良、中、差4個等級。

實施BIM之前的評價矩陣為：

實施BIM之后的評價矩陣為：

（4）確定評價因素間的權(quán)重：按照信息共享性、集成設(shè)計性以及工程師評語3個方面的因素在建筑節(jié)能設(shè)計過程中的重要程度，采用不同權(quán)重：

A={信息共享性，集成設(shè)計性，工程師評語}={0.35，0.35，0.3}

（5）模糊綜合評價分析：針對以上分析的兩種情況，按照B=AR，表1是建筑節(jié)能設(shè)計實施BIM技術(shù)前后最終模糊綜合評價結(jié)果。

表1 建筑節(jié)能設(shè)計實施BIM前后模糊綜合評價結(jié)果Table 1 Building energy efficiency design fuzzy comprehensive evaluation results before and after the implementation of BIM

由表1可知，建筑節(jié)能設(shè)計實施BIM技術(shù)之后的評價良好以上的達(dá)到77.5%，說明其占有絕對優(yōu)勢，這是因為建筑節(jié)能設(shè)計采用BIM技術(shù)之后，通過將BIM的API接口與建筑節(jié)能設(shè)計、分析軟件進(jìn)行動態(tài)鏈接，使建筑節(jié)能項目的前期策劃、材料設(shè)備、施工管理、運(yùn)行維護(hù)等數(shù)據(jù)有機(jī)地集成在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、完整性和一致性，有效地解決了建筑節(jié)能設(shè)計過程中的信息共享性差的問題，采用BIM技術(shù)可以對建筑節(jié)能設(shè)計進(jìn)行柔性管理，因此建筑節(jié)能設(shè)計過程中必須大力推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用。

5 BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用

BIM技術(shù)在建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用，主要是將計算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)以及數(shù)字化技術(shù)與建筑設(shè)計完美結(jié)合，有助于建筑設(shè)計師做出合理的分析與判斷，深入的研究建筑節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計出符合節(jié)能要求的各類建筑，盡可能地降低能源的消耗，節(jié)約資源，做到綠色建筑節(jié)能設(shè)計。

5.1 建立建筑模型

應(yīng)用BIM技術(shù)，建筑設(shè)計師在節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)可以設(shè)計節(jié)能建筑模型，通過BIM技術(shù)的可視化功能可以直觀地觀察方案設(shè)計的細(xì)節(jié)，以便及時對方案作出調(diào)整和優(yōu)化。節(jié)能建筑模型的創(chuàng)建方法主要有三種，第一種是采用交互智能轉(zhuǎn)換法創(chuàng)建節(jié)能建筑模型，第二種是根據(jù)建筑工程師提供的建筑模型信息來創(chuàng)建節(jié)能建筑模型，第三種是采用智能交互法創(chuàng)建節(jié)能建筑模型[6]。這些節(jié)能建筑模型均是基于正確使用BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，為節(jié)能建筑的設(shè)計提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

5.2 建筑節(jié)能設(shè)計數(shù)據(jù)計算

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行節(jié)能建筑模型設(shè)計，建筑設(shè)計師可以從中獲得大量的建筑信息資源，即只要將建筑模型導(dǎo)入到相關(guān)分析軟件，通過簡單操作就可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果[7]。這種簡單便捷的獲取信息數(shù)據(jù)的手段，可以讓建筑設(shè)計工程師騰出更多的時間和精力用于節(jié)能建筑設(shè)計的環(huán)節(jié)中。目前，BIM技術(shù)與GBS技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計，利用建筑信息生成熱模型，通過相關(guān)的分析軟件，簡化建筑能量分析過程，縮短設(shè)計時間，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)設(shè)定建筑類型。

6 結(jié)論

科學(xué)合理的建筑節(jié)能設(shè)計可以有效地節(jié)約能源，避免過大的能源消耗。我國已將建筑節(jié)能設(shè)計作為建筑設(shè)計的一個重要內(nèi)容。通過BIM技術(shù)，將建筑工程的全部信息轉(zhuǎn)化為虛擬的數(shù)字化建筑模型，借助相關(guān)的能量分析軟件，可以快速獲得能量分析結(jié)果，實現(xiàn)從建筑設(shè)計到工程竣工的全方位檢測分析，從而及時調(diào)整設(shè)計方案，優(yōu)化建筑節(jié)能設(shè)計，提升建筑節(jié)能設(shè)計的效率。

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