BIM理念下住宅建筑外圍護結構集成設計研究

趙宇飛，郝慧敏，陳雄，籍存德

（廣東石油化工學院 建筑工程學院，廣東 茂名525000）

1 引言

據資料統計，2018 年，全國建筑業企業完成總產值約2 350 000 億元，同比增長9.9%，但建筑業增加值的增速仍低于國內生產總值的增速，行業利潤率連續兩年下滑，可以預見的是，2019 年這種態勢將會持續，建筑行業面臨重大變革，由粗放型建設轉型為集約型、可持續發展模式【1】。而設計階段基本決定總成本的70%，成為改革的先頭軍。建筑外圍護結構能耗高、能效低是建筑業可持續發展面臨的重大挑戰，傳統的節能設計已無法滿足現況。

住宅建筑外圍護結構是建筑物的重要組成部分，包括外墻、門窗、屋面等構造【2】，而住宅建筑外圍護結構的設計是整個工程設計非常重要的一個環節，基本決定了建筑的節能形式是主動節能還是被動節能，以及預期達到的節能效果。而目前，節能設計與建筑設計脫節，節能設計變成彌補式被動工作，阻礙了建筑工程設計的發展。因此，住宅建筑外圍護結構集成設計研究亟待解決。

BIM（Building Information Modeling）技術的出現，為傳統建筑設計注入一股強心劑。眾所周知，目前BIM 主要應用于工程設計，同時還應用于工程建造與管理的數據化工具，它的出現，對住宅建筑的信息化、可視化模型的整合起到至關重要的作用，使得工程技術人員可同時對建筑信息模型做出正確理解和響應【3】，住宅建筑常用的軟件是Autodesk Revit、Benetly Building 及ArchiCAD 等。各類軟件可實現建筑各專業協同集成設計，成為工程設計人員、高校學者、軟件開發人員等研究的重點。

本文通過總結歸納建筑外圍護結構的特點，利用BIM 模型對建筑不同外圍護結構構造進行節能分析，形成基于BIM的住宅建筑外圍護結構的材質庫，實現集成設計的策略。

2 住宅建筑的外圍護結構

住宅建筑外圍護結構的隔熱、保溫性能關系到節能效果和性能，如果外圍結構無法達到保溫指標，則會增加能耗，住宅建筑外圍護結構的傳熱過程是非穩態模式，受到諸多因素影響，外墻、門窗、屋面等構成了整個的空間體系，外圍護結構的構建保溫性能直接影響室內熱環境【4】。常用的方式有外墻內、外保溫，門窗及玻璃材質，屋面類型和材質，房屋朝向等，不同材質的導溫、傳熱系數等熱工性能不同，不同的建筑構造、朝向等均會影響室內熱環境。傳統設計模式是建筑設計完成后，再進行建筑節能的設計，此時建筑方案已很難進行大的更改，不利于建筑節能的設計。

3 集成設計

建筑設計是一個復雜的過程，涉及建筑功能、造型和空間要求等各方面要求，同時也涉及不同專業不同階段的有機結合。現有的單向流水式的設計流程已不適用于住宅建筑外圍護結構的設計。集成設計有別于傳統的設計方法，主要區別在于設計不同階段多專業的協同配合【5】，在工程設計初期即考慮建筑的主、被動節能方式和各外圍護結構不同材質的性能，從而優化工程設計。集成設計需要各專業共同配合，解決既定功能要求下的節能目標，更好地服務于設計項目的需求。暖通空調、設備機械在概念方案階段開始參與，簡要計算能耗，將結果反饋給建筑設計師，建筑設計師根據各專業反饋，統籌考慮，確定外圍護結構的構造、材質以及建筑朝向等，充分發揮設計階段對節能的有效性。

4 BIM集成設計的實現

基于BIM 理念的住宅建筑外圍護結構節能設計已成為研究的熱點，并且已經進行了初步的應用。操作的主要方法是利用BIM 建筑數據可交換的IFC 標準，以gbXML 格式或DXF文件自動導入到能耗分析軟件中，進行測試和分析【6】。常用的能耗軟件主要包括：Ecotect、Energy Plus、ANSYS 等。

在集成設計時，BIM 的主要價值在于可實現可視化三維模型下的協同設計，各專業均可通過BIM 直接或間接地實現各自的目標，其主要優點在于可全面系統地考慮各專業對設計目標的需求，以及如何實現該目標的途徑，建筑設計師在此基礎上，進行建筑設計各項工作的完善與深化工作，實現了各專業的協同集成設計。而目前，設計人員對該方式的思路比較清晰，但如何實現充分的信息共享，提高設計的效率方面還有待考究。

事實上，住宅建筑的協同集成設計可認為是通過BIM 三維載體，依托網絡，實現住宅建筑外圍護結構設計的溝通，這更是一種管理模式，其核心內容在于住宅建筑外圍護結構的數據表達，不僅局限于三維實體，還包括構成三維實體中住宅建筑外圍護結構的構建物理信息，各專業通過本專業目標的需要，對外圍護構建物理信息的深化和豐富，完成了集成化的設計模型，這是BIM 理念價值的集中體現【7】。因此，BIM 協同集成設計各專業的方法和渠道、內容與實體，是實現BIM 理念下集成設計的重要因素。從公司層面，根據國家、省部級及行業規范、標準、導則等制定設計的方法，以及BIM 技術應用的策略和各專業切入節點，優化溝通渠道，打造BIM 軟件集成平臺，形成基本的操作流程，制定不同階段的會審和責任機制，建立BIM 協同集成設計的方法和各專業溝通渠道，搭建BIM集成設計的基本框架。因此，每個項目的設計人員均可通過公司集成設計平臺上傳、下載模型信息，并進行分析和反饋，使設計的效率和效果得到顯著提升。BIM 集成設計還體現在設計的內容和實體上，各專業通過BIM 集成設計平臺，設置各專業的項目樣板，對住宅建筑外圍護結構的外墻、門窗等構件進行規范化處理，統一設置各構件的熱工性能參數，形成基于BIM 的外圍護結構的材質庫，根據能耗分析結構，選用合適的材質，從而實現住宅建筑外圍護結構集成設計策略。

5 結論

本文通過對國內建筑業形式剖析，以及住宅建筑外圍護結構設計概況和對BIM 技術的介紹，論述BIM 協同集成設計各專業的方法和渠道、內容與實體的可操作性，得到以下結論：

1）通過BIM 技術，可實現住宅建筑三維實體與其他常用能耗軟件的無縫對接，并進行測試和分析。

2）BIM 理念下住宅建筑外圍護結構集成設計實現，需從公司層面制定相關制度，建立基本框架，進行頂層設計，然后通過項目層級得以實現，各專業設置項目樣板，規范流程，從而實現住宅外圍護結構的集成設計策略。