BIM技術在綠色建筑中的設計應用及案例分析

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

進入21世紀，特別是黨的十九大勝利召開后我國進入社會主義新時代，“十三五”規劃提出“創新、協調、綠色、開放、共享”的五大發展理念已深入人心，以提高建筑物資源和能源利用效率，降低建筑物對自然環境的污染排放物為目標的綠色建筑理念已成為政府及全行業的關注重點。BIM技術在降低建筑項目全壽命周期能耗，改善與提升可持續綠色建筑全壽命周期實施績效等方面逐步發揮出巨大潛能。本文基于BIM技術與綠色建筑相關內涵，從綠色建筑的設計和相關案例角度分析了BIM技術與綠色建筑全壽命周期管理的適配性和可能性，并就現階段BIM技術在綠色建筑中的應用提出了相關建議。

1 BIM技術概述

BIM技術是一種具有提升創新、設計和施工效率的全新理念技術，對踐行我國可持續綠色建筑發展具有重要意義。BIM技術包含建筑信息模型技術(Building Information Model)、建筑信息建模技術(Building Information Modeling)、建筑信息管理技術(Building Information Management)三個相互聯系卻又相互獨立的功能模塊。其基本內涵包括：(1)從靜態的角度來說，BIM 是一個融合所有信息的數字化模型。利用該模型可實現虛擬仿真以及信息共享，即建筑信息模型，稱為BIM模型。(2)從動態的角度來說，BIM 是一個不斷更新、輸入與提取信息的行為過程。在這個過程中，模型逐漸被完善以滿足各方需求，即建筑信息建模，稱為BIM 建模。(3)從管理的角度來說，BIM 提供了一個透明化、協同化的工作環境，便于信息共享與集成管理，及時找出問題所在，做出正確決策，提高管理效率，即建筑信息管理，稱為BIM 管理。BIM 技術為綠色建筑的全壽命周期管理提供信息集成化管理的工具，為綠色建筑提供數據和技術上的支持，既保證了數據的準確性，又為不同參與方的協同與創新提供了開放性的信息集成，能夠顯著提高綠色建筑設計、分析、施工等方面的效率和質量。

2 BIM技術結合綠色建筑評價標準的應用研究[1]

《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)指標標準體系由節地與室外環境、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與材料資源利用、室內環境質量、施工管理和運行管理7類指標組成。每類指標均包括控制項和評分項，評分項總分為100分。為鼓勵綠色建筑技術創新及推動我國節能型產品應用，還統一設置了加分項。綠色建筑評價按總得分確定評價等級，總得分為各指標加權得分與加分項附加得分之和。3個等級的綠色建筑均應滿足本標準所有控制項要求，且每類指標的評分項得分不應低于40 分。以下從《標準》的七大指標角度來探討BIM 技術在綠色建筑中的應用。

2.1 節地與室外環境

該指標有項目選址、場地安全、節約利用土地、光污染、環境噪聲、人行通道無障礙等方面的要求。合理利用BIM技術，可對建筑場地周圍環境及建筑物空間進行模擬分析，從而得出最合理的場地規劃、交通物流組織、建筑物及大型設備布局等方案； 另外通過日照、通風、噪聲等分析與仿真工具，可以協助管理人員有效優化與控制光、噪聲、水等污染源。

2.2 節能與能源利用

該指標包括優化設計、圍護結構熱工性能、通風與供暖系統、節能電氣設備、照明功率等方面的要求。將專業建筑性能分析軟件導入BIM模型，優化設計建筑的形體、朝向、樓距、墻窗比等，并進行能耗、熱工等分析，根據分析結果調整設計參數，達到對自然能源的較高的利用率，減小能耗，節約能源的效果。

2.3 節水與水資源利用

該指標中對管網漏損、建筑平均日用水量、合理利用非傳統水源等方面做了相關規定和評分標準。利用BIM技術虛擬施工，可在室外埋地下管道時采取有效措施避免碰撞或沖突導致的管網漏損； 在BIM動態數據庫中，可清晰地了解建筑物的日用水量，及時找出用水損失過多的原因； 利用BIM模型統計雨水采集數據，根據此數據庫確定不同地貌和材質對徑流系數的影響，充分利用非傳統水源。

2.4 節材與材料資源利用

該指標對材料的強度、耐久性、可循環利用以及擇優選擇建筑形體等方面做了相關的評分標準。在BIM模型中輸入材料的信息，對材料從制作或出庫到使用情況的全過程進行動態跟蹤，從而了解材料的去向，避免浪費； 利用BIM技術強大的數據統計及分析功能，預估材料的用量，優化材料的分配； 借助BIM模型分析并控制材料的性能，使其在成本范圍內更接近綠色目標； 通過BIM技術進行沖突和碰撞檢測，避免了因遇到沖突而返工所造成的材料浪費。

2.5 室內環境質量

該指標包括室內噪聲、隔聲性、采光、戶外視野、通風、空氣質量等方面的內容。在BIM模型中，通過改變門窗的位置、大小、方向等，檢測室內的空氣流通狀況，判斷是否對空氣質量產生影響； 通過噪聲和采光分析，判斷室內隔音效果和光線是否達到要求； 通過調整樓間距或者朝向，改善室內的戶外視野。將相關軟件導入BIM可視化模型進行模擬分析，優化設計方案，使室內環境質量達到最佳效果。

2.6 施工管理

該指標包括制訂施工節能方案、嚴格控制設計文件變更、土建裝修一體化等內容。在施工中，BIM 技術主要應用在沖突檢測、模擬施工、計算工程量以及造價管理四個方面。沖突檢測可以避免不必要的返工，在一定程度上控制設計文件的變更。模擬施工可優化設備、材料、人員的分配等施工現場的管理，減少因施工流程不當造成的損失。通過BIM模型中記載的結構構件和材料的詳細信息，既可快速計算出工程量，又可對構件進行精確加工。在BIM進度模型的基礎上導入造價軟件，可控制成本和施工進度，統籌安排資源，節約能源。

2.7 運營管理

該指標要求定期檢查、調試公共設備設施，應用信息化手段進行物業管理、設備設施、能耗檔案的記錄等。BIM模型整合并傳遞建筑全壽命周期的信息，滿足運營管理階段對信息的需求。通過BIM模型可迅速定位建筑出問題的部位，獲得相關構件的信息，實現快速高效維修，并記錄維修情況。BIM技術可實現對建筑的相關設備設施的使用情況及性能進行實時跟蹤和監測，可實現全方位、無盲區管理； 同時，BIM技術可以記錄并控制建筑能耗，進行能耗分析。

3 BIM技術在綠色建筑設計中的應用

3.1 對綠色建筑設計方案的優化管理

建筑項目的設計工作是項目建設的核心和關鍵。數據顯示建筑項目前期的設計工作對項目投資影響占到80%以上，因此對項目進行優化設計時降低項目投資成本是關鍵。BIM技術可以方便設計師們對建筑模型進行優化設計。通過BIM模型將設計方案以三維圖案的形式顯示，方便對設計方案的理解和觀察，提高不同專業的溝通效率，減少設計過程中出現的設計錯誤和疏漏，有效控制項目的成本。例如對于大型公共建筑項目的管線碰撞問題，運用BIM技術可有效解決管線和建筑之間的信息關聯、精確定位管線走向，從而達到管線的最優化設計。

3.2 提高綠色建筑能源材料的利用效率

BIM技術能將建筑設計完整的呈現出來，準確的記錄和描述建筑信息，有助于完善建筑設計，向綠色建筑設計的道路發展。綠色建筑提倡與自然和諧共生，強調減少污染和保護生態環境，為住戶提供一個舒適、使用率高的空間，滿足居民對高質量建筑和高品質生活的需求，通過BIM技術權衡建筑材料在一定的環境下使用和消耗量，需要參考建筑的大小、形態、朝向等數據，在BIM技術得出的參考數據中計算所需的材料大小和材料數量，進一步細分計算還需要考慮材料的品牌與質量。

3.3 提高綠色建筑室內環境質量

綠色建筑房屋設計也是建筑設計的重中之重，從朝向、采光、地域、氣候情況等角度綜合考慮進行設計，比如采光，國家規定住宅建筑的日照不得小于2小時，所以室內光照時間和窗戶使用的材料也是計入建筑設計中的。如果是熱反射玻璃反熱度較高，就可能影響到周邊居住環境，窗戶材料的選擇的重點不是為了遮光，而是為了更好地調節光線，以便保證室內光線與溫度能更平穩，同時滿足室內采光的要求，充分利用太陽光線，從而改善室內光線。自然采光是最節能的方法，采光還可以通過人工照明的方式，即室內燈具位置的設計，不同位置的安裝燈具，對室內光線都會有不一樣的照明效果，通過BIM技術不斷的調節，將燈具安裝在最科學的位置，做到環保節能，減少光污染，提高室內環境質量。

4 BIM技術結合某綠色建筑工程案例分析及相關建議

4.1 工程概況[2]

某綠色建筑工程項目主要功能包括展廳、臨時展廳、兒童樂園、科普教室、科技實驗室、報告廳、穹幕、巨幕、4D 動感演示廳、辦公會議、餐飲及配套附屬用房等，建筑地下1層，地上4層，局部有夾層。總建筑面積58 995m2，建筑高度49.6m，其中地下建筑面積13 955m2，地上建筑面積45 000m2。該項目應用BIM技術后提高了項目整體的施工質量以及工作效率，從而減少了后續施工期間的返工，保障了施工周期，節約了項目資金。

4.2 BIM技術在綠色建筑設計中的具體應用

4.2.1 節約能源及利用能源

節約能源和利用能源在評價綠色建筑的標準中是一項十分重要的內容。通過建立一個可視化的建筑三維BIM模型引入分析能量消耗的軟件，或者轉換格式引入分析能量消耗的軟件，并在相關規范和標準的基礎上，結合當地實際氣候氣象數據，對模擬的結果作一個科學合理的調整或優化建筑維護結構和設置相應的參數。此外，通過BIM 技術可以分析室外太陽輻射的分布區和太陽輻射強度。因此，在用于優化和完善太陽能設備的設計方面，可最大程度實現對可再生資源的科學利用。

4.2.2 提高材料的利用效率

綠色建筑的建筑材料應盡可能選擇可再生和可循環利用材料，在無污染和安全的前提下使用可循環使用材料的比例應超過建材總量的10%以上。建筑單位應提供可循環使用材料的匯總表和利用比例計算表，將上述參數輸入到BIM軟件的材料利用明細表模塊，計算可循環使用材料的種類和重量，從而判斷建筑設計是否達到設計節能要求。

4.2.3 改善并提高室內環境質量

(1)室內自然通風模擬

模擬分析該項目建筑的通風情況，通過調整通風口位置、尺寸、建筑布局等改善室內流場分布情況，并引導室內氣流組織有效的通風換氣，改善室內舒適情況。

(2)自然采光模擬

對該建筑所處區域內的天光的可用性進行分析，并對我國綠色建筑設計自然采光的要求進行參考，模擬好建筑所處內外光環境，并對建筑自然采光設計進行指導，同時，為了對室內自然采光效果進行改善，則需要對建筑布局、圍護結構的可見光透射比進行調整，并按照采光的效果對室內的布局布置進行調整。

(3)熱環境模擬分析

根據規劃及建筑方案，建立該建筑地內水系、草地、道路、建筑模擬模型等，模擬計算中根據實際氣候條件進行邊界條件的參數設置。采用合理優化建筑單體設計、群體布局和加強綠化等方式減弱熱島效應。

(4)環境噪聲模擬分析

對該建筑場地的現狀進行分析，并利用計算機對環境進行模擬，建立相應的幾何模型，通過材質的變化，房間內部裝修的文化情況對建筑聲學的質量進預測，并預測好建筑聲學改造方案的可行性。

4.2.4 運營與管理分析

BIM技術的核心是參數化的三維可視化模型，這是各個相關專業信息的結合，可以把建筑物涉及到的不同專業中的各種參數加以可視化，并可以與整個建設過程中的信息保持一致，同時能實時提供相關的各種項目的資料。提供的這些數據具有極高的完整性而且可靠性，并能進行實時協作、長時間持續提供經營管理現階段綠色建筑對工程信息的要求。例如項目運行一段時間后需要清洗空調通風系統，此時就要熟悉和掌握所有的空調系統規模、空調管道的位置、以及圍繞該系統的其他功能管線位置都要熟知，之后才能決定投入的相應的人力物力和必要的工具。通過BIM 模型就可以實現它并且能夠高品質地滿足這些要求。

4.3 BIM技術在綠色建筑應用中的相關建議

利用BIM技術進行綠色建筑的開發與管理已在歐美等發達國家的建筑業中廣泛關注，多數應用案例有效兼顧可持續性與經濟性的目標，并獲得了良好的應用績效。我國BIM技術應用于綠色建筑中還處于初步階段，BIM技術在綠色建筑中的應用還存在不足，相關建議如下：

(1)項目類型應用的局限性

目前BIM技術與綠色建筑的結合大部分使用于新建大型復雜項目，忽視了在改建項目或者運營維護類項目中的應用。然而，已建項目的綠色建筑節能改造受國家或區域經濟情況以及相關政策等因素的影響較小，具有更大的市場潛力。將BIM技術與綠色建筑的思想用于運營維護類項目，可以控制項目的能耗，節約成本，獲得市場競爭優勢。因此，應擴大綠色建筑與BIM技術結合的應用面，而不應僅局限于大型新建項目。

(2)缺乏選材方面的應用

現有實踐多數利用BIM技術對綠色建筑進行采光、能耗等分析來優化設計方案，而在材料選用方面的應用較少，并且現有綠色建筑選材的相關綠色分析軟件多為專門的工具式軟件，較少與BIM技術結合應用。而BIM技術的優勢在于它擁有一個具有完備、準確信息的數據庫，記載了建筑所使用材料的屬性以及能耗情況。利用BIM技術盡量選用可循環利用的材料，既可以節約能源，減少建筑垃圾，從長遠的角度看，還可降低成本。

(3)軟件的本土化、集成度及界面友好性相對不足

BIM軟件技術相對不足主要表現在：第一，BIM中大部分軟件都是國外開發的，不一定適用于我國； 第二，BIM平臺軟件集成度不高，難以滿足一些特殊專業的需求； 第三，BIM軟件本身操作較為復雜，其界面友好性難以達到部分非BIM版的綠色軟件的相應水準，導致部分用戶傾向于使用相對簡單的非BIM 版的綠色軟件。因此，要利用BIM技術推動綠色建筑的發展，首先要考慮我國的國情，加強軟件本土化； 其次要加強開發實用性及可操作性強的軟件來吸引廣泛用戶； 最后要注重為不同軟件之間的數據傳輸建立標準，以便于交互使用數據，提高效率。

5 結論

本文從《綠色建筑評價標準》的七大評價指標和綠色建筑設計應用角度出發，結合某工程案例分析研究了BIM技術在可持續綠色建筑全壽命周期中的應用，對現階段的應用情況提出了相關建議。BIM技術為綠色建筑可持續發展提供強大技術支撐，進一步加強BIM技術研究非常必要且潛力巨大，是建筑業的大勢所趨。加強BIM技術與綠色建筑分析軟件在全壽命周期中應用的適配性，并考慮將BIM技術應用于我國綠色建筑評價體系，根據《綠色建筑評價標準》中控制項及評分項規定的內容控制建筑的綠色程度，獲得相應的綠色評分和綠色等級。同時，將BIM技術在綠色建筑中的應用擴展至全壽命周期各個階段，而不僅局限于設計階段，并加強應用的綜合性，從整體上提高項目的管理水平。

[1] 孫陳俊妍， 周根，葛宇佳等.BIM 技術在可持續綠色建筑全壽命周期中的應用研究[J].項目技術管理.2017, 15(2): 65-69.

[2] 楊春秀.BIM技術在綠色建筑設計中實踐應用[J].規劃與設計.2017(3)： 32-34.