BIM技術在重慶市綠色建筑設計應用研究

周崢華 王鴻韜 張建豐 鄧陳洋 虞松山

摘要：隨著我國逐漸發展，綠色建筑、節能建筑、住宅產業化逐漸成為了主流，綠色建筑和BIM系統的不斷普及，越來越多的項目采用綠色建筑設計及BIM系統，極大的減少了建造資源的浪費，實現可持續發展道路。本文通過對BIM技術在綠色建筑設計中的應用分析，結合本文中重慶市中科大廈案例的分析，說明了基于BIM技術輔助建筑節能的設計方法具有可行性，的確為建筑師在建筑節能設計中提供了很大的幫助。

關鍵詞：綠色建筑;BIM技術;設計;模擬

1緒論

1.1研究背景

隨著我國數字化經濟的高速發展，消費升級正在逼迫供給改革，推動消費互聯網向產業互聯網邁進，互聯網信息技術與傳統產業的融合已成為推動我國經濟增長的重要新動力。作為傳統的建筑行業，面對互聯網和信息化建設的不斷加快，也在不斷的向數字化轉型，引進BIM技術加快行業發展與國際環境接軌。

2011年，國家住建部發在《2011-2015中國建筑業信息化發展綱要》中，將BIM、協同技術列為“十二五”計劃中國建筑業重點推廣技術。2013年9月住建部發布《關于推進BIM技術在建筑領域內應用的指導意見》，明確指出“2016年，所有政府投資的2萬平方米以上的建筑的設計、施工必須使用BIM技術”?；诖谁h境下，BIM技術在綠色建筑設計應用勢在必行。

隨著我國逐漸發展，綠色建筑、節能建筑、住宅產業化逐漸成為了主流，綠色建筑和BIM系統的不斷普及，越來越多的項目采用綠色建筑設計及BIM系統，極大的減少了建造資源浪費，實現可持續發展道路。

1.2國內外BIM應用現狀

在英國，政府明確要求2016年前企業實現3D-BIM的全面協同。在美國，政府自2003年起，實行國家3D-4D-BIM計劃;自2007年起，規定所有重要項目通過BIM進行空間規劃。在韓國，政府計劃于2016年前實現全部公共工程的BIM應用。在香港，2014年至2015年，政府計劃將BIM應用作為所有房屋項目的設計標準。在新加坡，政府成立BIM基金;計劃于2015年前，超八成建筑業企業廣泛應用BIM。在北歐，挪威、丹麥、瑞典和芬蘭等國家，已經孕育Tekla、Solibri等主要的建筑業信息技術軟件廠商。

在中國，從2003年開始引進BIM技術開始，國家多次發布與BIM發展及應用相關文件，并將BIM技術列為建筑業重點發展技術，編制國家級BIM統一標準及規范。各地政府、大型建筑企業發布BIM相關標準及規范逐步推進BIM技術普及，實現BIM技術應用及規范化。市面上也涌現大量BIM相關產品供應商、軟件商等，為我國BIM技術發展助力。

1.3國內綠色建筑現狀

美國制定了“能源之星”標識，針對取得“能源之星”標識的產品和建筑物，進行節能補貼或減免稅收。一些貸款機構為獲得“能源之星”認證的建筑物提供低息抵押貸款和現金返還。自該制度實施以來，建筑業主的能源費用從原來的11美元/平方米-33美元/平方米，減少到6.5美元/平方米-16美元/平方米。

英國政府制定了住宅建筑能效證書和公共建筑展示能效證書制度，規定住宅建筑能效證書作為財產交易的一部分，在建設、賣買和租賃中均要出示;公共建筑要根據能耗水平將公共建筑能效證書陳列在顯要位置，接受公眾和主管單位的監督。英國政府還制定了一個詳細的節能產品目錄，如果企業和個人購買了目錄上的產品，政府將給與一定稅收優惠。

德國政府建立了建筑能耗證書體系，要求開發商必須向消費者出具建筑物的能源消耗證明。最新的能源節約法也規定，住宅建筑在出售、出租時，必須出示專業機構出具的建筑能耗證書。

在我國，近年來，我國政府陸續出臺了關于綠色建筑的發展政策體系，促進我國建筑行業綠色發展和城市住區環境的改良。2016年在《住房城鄉建設事業“十三五”規劃綱要》中明確指出，城鎮新建建筑中綠色建筑推廣比例超過50%，大力推動綠色建筑發展，推動住房城鄉建設領域供給側結構性改革，2017年住建部更是明確提出建筑節能與綠色建筑發展的總體目標，實現建筑能源消費結構逐步改善，建筑領域綠色發展水平明顯提高。

1.4重慶市綠色建筑及BIM技術應用現狀

重慶市綠色建筑行業以“強化綠色建筑發展質量，促進建筑綠色化全面推進”為發展理念，大力推動地區行業建設，截止目前，重慶市綠色建筑申報項目150多個，申報面積為2651.3萬m2，完成鉑金級項目2個，20多個金級項目，7個銀級項目。重慶區域綠色建筑發展等方面開展了卓有成效的工作，大量組織培訓交流會，切實推動綠色建筑與建筑節能相關強制性標準的執行，并進行了多次國際合作與會議交流，引進資源擴大合作，實現綠色建筑發展理念的國際融合。

2BIM平臺下綠色建筑設計

2.1BIM與能耗分析軟件的結合應用

2.1.1BIM與EcotectAnalysis

用于建筑初期的綜合模擬軟件Ecotect（生態建筑大師）的建模和分析功能包含了熱環境、光環境、聲環境、日照、太陽輻射、經濟性及環境影響、可視度六類分析功能，另外還可進行可視化氣象數據分析模塊。

作為BIM的應用實例之一，Revit與Ecotect間的數據交換經過多版本優化已經做到了良好的數據交換。Revit與Ecotect的數據交換有兩種共通方式，Gbxml格式或者DXF格式，Gbxml格式主要可以用來分析建筑的熱環境＼光環境、聲環境、資源消耗量與環境影響、太陽輻射分析，也可以分析陰影遮擋、可視度等。而DXF格式用于光環境分析、陰影遮擋分析、可視度分析。

2.1.2BIM與斯維爾BECS

BECS是一款專為建筑節能提供計算分析的軟件，由深圳市斯維爾股份公司開發。構建于AutoCAD平臺，采用三維建模，并可以直接利用主流建筑設計軟件的圖形軟件，避免重復錄入，大大減少了建立節能熱工模型的工作量，體現了建筑與節能設計一體化的思想。軟件遵循國際和地方標準或實施細則，適于全國各地居住建筑和公共建筑的節能設計、節能審查和能耗評估等分析工作。

通過內置于Revit平臺的專用模型轉換插件，將BIM模型轉化如斯維爾平臺實現BIM模型與綠色建筑體系對接。

2.1.2BIM與PKPM

PKPM是一款集建筑、結構、設備（繪排水、采暖、通風空調、電氣）設計一體化的軟件，由中國建筑科學研究院研發。PKPM最大的特點是它與國內現行的建筑節能設計規范之間的緊密性。PKPM做建筑能耗分析時要完全按照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JCJ134）以及全國各主要省市的地方具體規范進行計算，用于判斷是否滿足相關節能標準的強制性規定。經計算分析后生成的建筑節能設計分析報告書完全符合標準要求。軟件會自動依據這些規范進行建筑熱工和節能的設計計算，判斷設計建筑是否滿足相應的建筑節能規范要求。

作為國內權威性建筑設計軟件，BIM軟件與PKPM的結合，在與傳統建筑設計對接，保證計算分析成果準確性等方面有著重要意義。

通過BIM平臺-Revit將BIM模型轉換為PMCAD模型模塊，實現模型對接。

2.2BIM與綠色建筑設計

在綠色建筑規劃設計階段，傳統綠色建筑設計往往根據大量二維施工圖紙，建立綠色建筑分析模型，在這個過程中，模型的完整性完全取決于二維圖紙信息是否完整、有無缺漏，可視化條件差、查閱不方便。而BIM技術的介入，將信息可視化，實現信息與模型同步，保證分析模型各項內容完整性，且設計師可方便獲取各類相關信息，制定綠色建筑設計方案。

BIM的參數化能力極大的加快設計師工作效率，減少大量重復工作且準確率更高，保證了設計與表達的一致性和準確性。

利用BIM技術可視化能力、信息集成能力，快速對建筑各項內容進行分析設計，使得各項分析形成數據聯動，加快設計師從總體到局部的優化工作，從而達到綠色建筑的設計要求。

2.3BIM與模擬分析

建筑性能指標在開發期就已基本確定（可視度、日照、風/環境、聲環境、能耗、通風等），但是由于缺少合適的技術手段一般項目很難有時間和費用對上述各性能指標進行多方案分析模擬，并且重復建模的工作量也導致模擬的工作繁重，BIM模型技術為性能分析的普及應用提供了支持。

傳統綠建模擬分析中，很多是通過根據國家規范及地方規范直接進行相關計算得到設計優化數值，無法直觀的表達模擬優化后的實際效果，通過BIM技術的加入，實現數據可視化。

傳統室內采光模擬中，對于室內采光可以通過一套算法對室內各個角落的光照度進行計算，但想要更高的效率，就可以運用BIM可視化手段，將項目位置、時間、天空模型等信息利用云渲染的功能得到更加準確的分析圖：

圖片左側是照度分析，右側是真實渲染，左下角則是照度從暗到明的圖例。這張圖片背后是一個長長的結構化數據表格，有四列數據，分別是每個點的XYZ坐標值，以及這個點的照度計算值。不再需要看數據表格，也不需要知道照度的計算方式，從可視化處理后的圖上就能直觀的看到什么地方該加窗戶，什么地方該加燈。

在BIM技術中，我們可以運用Revit平臺實現各類模擬分析需求，Revit會自動給由墻和板封閉起來的區域加上一個叫空間的屬性，可以通過分析板塊中的熱負荷和冷負荷模塊，來設置每個空間的功能、人員密度、照明需求、加熱和制冷的溫度控制等等信息。

通過這些數據的設置，軟件會幫你算出建筑性能分析表，給你一份能耗分析報告，進而幫你優化空間的區分，指導照明和暖通設備的設計。

這種分析、計算、模擬、優化的工作，在傳統的工作方式中叫做CAE，它的歷史比BIM悠久，只不過原先因為CAD軟件無法提供它所需要的數據，無法跟設計同步進行，一般都是在整個設計完成后，再用單獨的軟件來做，達不到知道設計的效果。

而BIM則是把CAD工作整合到設計流程中，把它需要的底層數據直接整合到構件屬性里，用關聯性來提升了分析模擬的效率。

像Revit這樣的BIM專業軟件，有大量把數據加工成信息的功能。這些數據全部都藏在每一個族的族參數里。

比如一個簡單的風管族，就有尺寸、風壓、摩擦、流量、損耗系數等等幾十個參數。

只要是參數，就都可以進入明細表進行數據計算，也有一些參數是在加入了風系統之后，和其他構件的參數互相關聯進行更高級的計算。

3BIM技術結合綠色建筑在實際工程中的運用

3.1涪陵中科大廈

3.1.1項目簡介

重慶市涪陵中科大廈項目位于涪陵區西部新城區的工業園區項目用地面積4133m2，建筑面積為38129.47m2，地上面積33080.11m2，地下面積5048.36m2，其中地上1、2層為配套商業、3-8層為辦公室（公寓式），9-26層為辦公室，26層以上為電梯機房及高位消防水箱。

中科大廈項目為新建公共建筑，建筑功能為辦公樓，建筑層數26層，項目結構類型為框架核心筒結構（樁基礎）。中科大廈的外墻相當有特色，讓人過且不忘。建筑外墻采用預制清水混凝土墻板，不鋪貼任何飾面材料，設計靈感源于浩瀚江水，以波瀾的烏江水為主要元素，賦予大廈外立面以動態的肌理美感，打破傳統的外立面處理方式，遠遠望去陽光下猶如波光粼粼的江面，美不勝收。并且，大廈建筑所需的鋼梁、鋼柱以及樓板、樓梯、內外墻板，樓內的衛生間全部都在工廠內生產，建筑工人只需將這些構件進行吊裝和拼裝。該建筑預制樓梯110余跑、預制衛生間沉箱140余個、預應力混凝土帶肋疊合板3070余片、預制清水外墻板1890余片，裝配率達到82.68%。它是國內首個采用鋼管約束混凝土外框架——核心筒結構體系與外掛清水混凝土PC墻板維護體系的重點示范建筑。

3.1.2綠色生態設計概況

建成后的中科大廈將成為中國首個采用鋼管約束外框架——核心筒結構體系，也是中國首個自主建筑的預制清水混凝土外墻板工程，更是國內第一個在建筑全生命周期滿足綠色建筑三星級和LED綠色建筑體系認證要求的裝配式建筑。

3.1.2.1節地與室外環境

項目位于涪陵區西部新城區的工業園區CBD園區環道。用地范圍內無高壓線穿過，無地下室，無值得保留的名木，植被和古跡。建設用地面積為4133m2，其綠地率21.90%，建筑密度31.00%，容積率8.00。

項目為公共建筑，建筑性質為辦公、商業及車庫，具備了2種公共服務功能，項目中商業部分、辦公（公寓式）等公共空間向社會公眾開放，室外活動場地在非辦公時間向周邊居民開放。

聲、光、熱：項目場地應執行《聲環境質量標準》（GB3096）中要求的4a類標準要求，根據《中科大廈建設項目環境影響登記表》的內容，項目晝間和夜間滿足聲環境質量標準（CB3096）中要求的4a類標的要求。

噪聲分析如圖3.2—3.4所示：

各個工況下的過渡季室外風環境模擬如下所示：

景觀綠化：項目綠地率為21.9%，大量選用適宜當地氣候和土壤條件的鄉土植物，喬木與灌木采用大量鄉土植物，其比例分別為100%和99.99%，架空層平臺的覆土深度大于1.5m的技術要求，并采用種植屋面，其種植屋面的面積為472.84m2，可種植屋面的面積為844.77m2，種植屋面占可種植屋面面積比例為55.97%。

地下空間利用：項目總用地面積4133.00m2，地下建筑面積為5048.36m2，地下一層建筑面積為1908.03m2，地下建筑面積與總用地面積之比為122%，地下一層建筑面積與總用地面積之比為46.17%。

透水鋪裝：項目采用大量透水磚，其面積為1176.79m2，硬質鋪裝面積為1604.84m2，透水鋪裝面積占硬質鋪裝面積比為73.32%;

3.1.2.2節能與能源利用

建筑節能設計：建筑布局合理，重點控制建筑的體型系數、窗墻比、材料熱工性能等，從建筑的外墻，屋面，窗戶方面等進行節能設計，滿足重慶市《公共建筑節能（綠色建筑）設計標準》（DBJ50-052）的要求。建筑物能耗：通過PKPM能耗分析，項目采用高能效的空調機組，使空調系統的能耗降低了20.83%。

節能高效照明：項目各場所的照明功率密度值、統一眩光值、一般顯色指數及照度值均滿足《建筑照明設計標準》（GB50034）的要求，其中照明功率密度值不大于目標值;項目車庫照明采用集中分區調控，午夜應自動關閉部分回路;設備房、設備房走道采用分組就地控制;樓梯間照明采用聲控或人體感應探測控制，火災時由火災自動報警系統強制點亮樓梯間照明;門廳、電梯廳等處的照明采用智能照明燈燈光控制或光控結合人體感應探測控制。

項目變壓器采用D，ynll接線組別的低損耗、低噪聲節能型干式變壓器，且配電變壓器能效限定值及節能評價值應符合《三相配電變壓器能效限定值及節能評價值》CB20052中規定的2級要求。項目采用的水泵、風機等設備，及其他電氣裝置滿足相關現行國家標準的節能評價值要求。

3.1.2.3節水與水資源利用

項目西面市政給水管網引入1根DN150的引入管，作為本工程生活給水水源?？蓾M足本工程生活，消防水量要求。根據甲方提供資料，市政給水水壓在黃海標高318m處水壓為0.6MPa。水壓不足樓層采用二次加壓供給。項目全部用水均取自市政給水管網，生活給水系統采用豎向分區：其中地下-1-11層為低區，由市政給水管網直接供水，其中-1-2層經由地下室減壓閥組減壓后供給，3-8層經由8層減壓閥組減壓后供給，9-11層市政直供;12-26層為高區，由設置在地下室水泵房內的無負壓給水加壓設備供給;12-18高1區，19-頂層為高2區，當配水支管壓力超過0.35MPa時，采用減壓閥減壓供水。項目按照用水性質不同，對生活用水、商業用水、綠化澆灌、道路澆灑、車庫沖洗等設置水表單獨計量，空調冷卻水補水管設置水表單獨計量。

項目采用1套雨水收集回用系統，主要收集屋面及部分場地內的雨水，收集的雨水通過雨水管網進入雨水收集回用系統，多余的雨水和棄流的雨水排入市政雨水管網，雨水回用水主要用于綠化澆灌、道路沖洗，其雨水回用水水質滿足《城市污水再生一城市雜用水水質>（GB/T18921），并在雨水回用給水支管上分別設水表單獨計量。項目公共衛生間的節水器具均采用符合現行標準《節水型生活用水器具》CJ164/T中用水效率1級的要求，項目綠化澆灌采用噴灌等節水灌溉方式，并在節水灌溉系統的基礎上，設置土壤濕度感應器、雨天關閉裝置等節水控制措施。

3.1.2.4節材與材料資源利用

結構形式：項目結構采用框架核心筒組合結構。項目屋面采用清水混凝土預制裝飾板等純裝飾構件，其裝飾性構件造價占工程總造價比例為0.213%，滿足小于0.5%的要求;預拌混凝土：按照國家和重慶市的相關規定，現澆混凝土采用預拌混凝土，減少施工現場噪聲和粉塵污染，并節約能源、資源、減少材料損耗。

項目采用大量工廠化生產的預制構件，包含預制鋼梁、預制鋼柱、清水混凝土預制外墻掛板，清水混凝土預制裝飾板等，制構件總重量與建筑地上部分重量的比例為60.13%;高強建筑結構材料：項目大量采用HRB400的高強度鋼，鋼筋混凝土結構中的HRB400級鋼筋與受力普通鋼筋重量主筋的比例95.26%，Q345及以上的鋼材占總鋼材用量的比例為96.4%;高耐久性的高性能混凝土：項目高耐久性的高性能混凝土用量占混凝土總量的比例為50.52%，項目鋼結構采用耐候性防腐涂料，其性能指標滿足《建筑用鋼結構防腐涂料》JG/T224中II型面漆和長效型底漆的要求;

3.1.2.5室內環境質量

建筑周圍的公共活動區域和綠地大部分區域（大于60%）能獲得日照。項目整體布局考慮建筑的日照間距、采光的視野和通風的要求，建筑間距符合《重慶市城市規劃管理技術規定》的要求，并確定建筑工程規劃許可證。通過對項目主要功能房間（辦公室）的采光模擬分析，各主要功能房間（辦公室）的采光系數均大于3.6%，滿足《建筑采光設計標準》（GB50033）的要求。