BIM技術在綠色建筑設計中的應用分析

王帥

摘 要 BIM技術有助于建筑師們在進行建筑設計過程中，預先對建筑性能等進行模擬研究，探索更好的綠色建筑設計，有效降低建設項目的建造運行成本，實現真正意義上的綠色建筑設計。本文從綠色建筑設計的四個階段，具體分析了BIM技術在綠色建筑設計中的應用。

關鍵詞BIM;綠色建筑;設計

1BIM技術對綠色建筑設計的支持

1.1 BIM技術優勢顯著

BIM的一大優勢是可以自動調整虛擬模型從而提高設計文檔的效率， BIM軟件還可以使用參數化方法定義對象，在BIM之前，建筑師有時必須根據設計要求使用不規則曲線和曲面繪制建筑物的高度、高程和剖面，設計難度大、任務重。BIM技術的基本原理是將建筑物的一個組成部分與其屬性相關聯，然后根據該屬性用三維設計圖表示該建筑物。由于BIM的參數化和可視化功能，使建筑師們能夠通過簡單輸入參數和定義程序的方法繪制曲線和曲面，還使業主，設計單位和建筑公司可以直觀地了解建筑，并促進三者之間的有效溝通[1]。

1.2 BIM軟件體系完善

應用軟件是實施BIM的工具，為了實現BIM的深入應用，對應用軟件的研究是必不可少的。BIM體系中的設計應用軟件可以分為兩類：BIM核心建模軟件和BIM模型的協同設計軟件。

（1） BIM核心建模軟件。建筑設計階段使用的設計建模軟件主要用于創建建筑信息模型。建筑師，土木工程師，設備工程師和其他建筑相關設計師完成建筑信息模型創建的過程中涉及的軟件，包括建筑設計軟件，結構設計軟件，多系統和其他相關系統設計軟件。世界各地的許多主流設計軟件公司都在著力研究和開發BIM設計建模軟件，其中主流使用的BIM建模軟件有Autodesk Revit ，Bentley Architecture，ArchiCAD等。

（2）基于BIM模型的協同設計軟件。在建筑設計過程中，為了滿足建筑師對創新性建筑設計的需求，同時，為了保證建筑師、建造者和施工方之間有一個很好的溝通，基于BIM模型的協同設計軟件是必要的。其中主要有概念推敲軟件如SketchUp，Formz，Rhinoceros等，模擬分析軟件如Ecotect，Green Building Studio，Adobe Audition，Transcad以及Dprofiler等。

2BIM在綠色建筑設計中的應用框架

在基于BIM技術的綠色建筑設計中，主要是運用BIM技術在建筑設計中的優勢，對于綠色建筑設計中存在的問題與難點，提出BIM技術的解決方法。綠色建筑的全生命周期主要包括四個部分：決策階段、設計階段、施工階段、運營階段，BIM技術在綠色建筑設計中的應用主要表現在，建筑項目BIM前期分析以及建筑設計階段的BIM模型的搭建和性能模擬分析等。

將綠色建筑項目流程與 BIM 技術的實施流程相結合，需要在項目的各個階段對 BIM功能進行分類，主要功能包括 BIM 技術的項目前期分析功能、模型生成功能，虛擬現實功能等。綠色建筑設計周期又主要分為以下四個階段，首先是概念設計階段，其次是方案設計階段，然后是初步設計階段和最終的施工圖設計圖階段[2]。

3基于BIM的綠色建筑設計分析

3.1 概念設計階段

在綠色建筑設計的前期，我們可以運用BIM技術對建筑的氣候和環境進行模擬分析，不斷優化設計，為創作良好的建筑設計方案打下基礎。通過BIM與地理信息系統（GIS）相結合，建筑師可以將施工現場的地形和空間環境建模分析，達到土地保護和土地合理利用的目的，同時規劃現場、減少環境破壞，保護生態平衡。在概念設計階段BIM主要用于建設項目的場地建模、場地分析和道路布設這三個方面。

（1）場地建模。在Revit中包含一些簡單的建模工具，可以導入現有的矢量地形、平整場地和進行場地設計，如果需要對場地進行更為細致的分析，例如，精確的土方量計算和精確的道路坡度設計，Civil 3D 等 BIM 軟件則提供了更加有效、實用和專業化的工具。

有許多數據來源可用于構建場地模型，常用的包括地圖矢量化，衛星地圖和航空航天圖像測量等。由于基礎地理信息資源的普及，且可以免費獲得，即使無法直接訪問DEM模型，也可以使用BIM軟件（Revit，Civil 3D等）創建站點地形模型，即使地形和數字3D地形數據的基本數據非常大，這是傳統設計方法不可比擬的。

在利用Revit自帶工具進行場地建模時，通過對CAD文件中基地標高數字格式進行轉換，并把其導入Revit文件后，這些數字能夠快速生成三維模型，建筑設計師便能更直觀地看到場地的地形地貌。

（2）場地分析。建筑建設的場地大多數是不平整的，在建筑設計之前，需要對建筑場地進行模擬分析，盡量選擇較為平坦和采光良好的地段，合理分布建筑體量和規劃場地要素，為今后建筑的建設后使用創造便利的條件。常見的場地分析包括場地的高程分析、坡度分析和朝向分析等。

（3）道路布設。道路是連接場地建筑的橋梁，對于復雜的建筑物道路設計，需要考慮交通方便、斷面設置情況以及消防和疏散等因素。在BIM Power Civil軟件中，站點的道路設計可以根據設計高度自動生成路面，實現平面、縱向截面、橫截面模型的協同設計，從而幫助設計師快速設計、分析和構建模型。設計人員可以通過該模型探索各種選項和設計條件，并消除傳統設計過程中的許多麻煩的繪圖任務，最后，比較分析出最有效的場地道路布設方案。

3.2 方案設計階段

在概念方案出來之后，BIM技術可以使方案得以更快更好地展示、溝通和決策，并得以成功轉化為能夠落地具有實施性的方案。其中BIM應用主要集中在建筑形體分析、建筑性能模擬分析和可視化分析與表現三個方面。

（1）建筑形體分析。在建筑形體設計中，人們要求建筑物實用美觀，又要求建筑物具有精神象征，如北京奧林匹克體育中心——它就像一座鳥巢，是具有復雜標志的建筑物。對于建筑設計而言，需要同時考慮建筑的外形因素和內部結構特征這兩個方面的因素，在綠色建筑設計方面，還要考慮建筑形體產生的建筑的性能能耗情況等。BIM用數據驅動的體量模型可以洞察潛在的建筑性能，這些性能對綠色建筑設計有巨大作用。因此，需要建筑師使用BIM技術的參數化設計來進行建筑體量建模以及其形體分析。

（2）建筑性能模擬分析。使用BIM技術模擬綠色建筑項目設計階段的生態性能對于決定建筑物的使用功能和整個建筑物的布局很有用。模擬建筑的生態性能分析是實現綠色建筑階段節能設計的重要工具，其通過模擬工藝設計過程和反饋，實現節能環保綠色建筑目標。在比較建筑方案時，為了選擇合理的設計角度，設計人員可以從場地風環境和能耗模擬兩個方面來選擇最佳的建筑設計方案。

（3）可視化分析與表現。BIM技術在設計階段的應用，有一點是與以前的設計流程完全不同的，即設計與三維表現的同步性展示。它將設計圖與三維模型統一起來，使設計師可以從三維思考設計，并同時與平面設計和造型設計相互結合，一并進行實時修改，擺脫了以往流程中設計師將平面設計與造型設計相分離的可能。

BIM的三維可視化設計優勢有：可以任意改變視點，視點可以是室內或室外。建筑物的整體效果可以顯示為觀察點或鳥瞰圖;Revit 軟件有一個稱為“設計選項”的功能，設計人員可以為不同部件設計多個場景，并可以隨時切換進行比較，為設計和模型的修改帶來了極大的便利。

3.3 初步設計階段

在進入綠色建筑初步設計階段后，建筑師一方面要考慮建筑空間為人類活動提供適當的使用性能，盡可能消除影響使用功能的不利因素;另一方面則要考慮外景自然環境對建筑使用性能造成影響的因素，如風、光、熱等。最后從各方面綜合考慮是自然能源最大化利用、常規能源最大化節約，并充分改善建筑的使用性能。BIM設計的核心價值正是體現在隨設計深化逐步展開細節的使用性能模擬和優化過程。

（1）風環境模擬分析與優化。通常使用Fluent，SAR-CCM +，Phoenics等軟件對建筑進行風環境的模擬。根據場地現狀環境提取合理的風環境數據，并施加在建筑模型上，然后將BIM模型導入到SAR-CCM +軟件中，在軟件中劃分模擬的區域并制定風壓力，最后設計 K-E湍流模型和相應的收斂條件來進行風環境的模擬，并根據風環境模擬報告反映的信息，如氣流在建筑內部流動和運行的趨勢，流量的大小、主導方向、分布和構成等，為單體建筑自然通風系統提供節能策略建議，不斷優化建筑的功能布局、窗口位置和空調設置方案的合理性，保證達到綠色建筑標準對室內環境深度優化的要求。

（2）熱模擬分析。初步設計階段的熱模擬分析主要運用Ecotect、Fluent和清華日照分析等軟件，針對建筑在一定氣候中的溫度、風速和太陽輻射等參數進行建筑表面溫度分析、建筑表面日照輻射量分析和日照時間分析等，以此優化總平面布置、建筑遮陽和保溫設計方案，減少建筑的“熱島效應”，改善區域熱環境，提高建筑室內熱舒適度。

（3）光仿真分析。人在不同的使用功能的建筑中需要不同的光照條件，光環境不僅會直接影響到人們的工作生活質量，某些不良的光環境如照度不足、光污染等情況還會嚴重危害到人們的身心健康，可見對建筑環境特別是綠色建筑環境進行光仿真分析的重要性。在初步設計階段，光仿真分析一般分為建筑物的自然光和人工照明模擬分析以及可視度分析。

（4）聲仿真分析。為了保證建筑環境的安靜舒適，有必要對建筑進行聲仿真分析，包括分析建筑的隔音、吸音和消音效果等。在初步設計階段，聲仿真分析主要考慮建筑表面的噪音分布，以及周圍環境對建筑環境的噪音影響等。仿真分析結果一般為室內等聲線圖和聲壓分布圖，以此為科學合理設置建筑物的布局，建筑物間距的確定，隔音屏障的設置提供指導[3]。

3.4 施工圖設計階段

建筑施工圖設計階段的主要設計內容是各專業人員基于BIM建筑模型進行建筑的結構、建筑、設備、暖通等方面的協同設計，并把部分建筑材料供應、施工技術和設備等工程施工的具體要求反應在BIM及其相關數據庫中。這種以數字化BIM為信息載體的方式，相較于傳統的圖紙傳遞信息方式，能夠使工程信息快速、準確地得到查詢、更新、刪除和保存，提供工作效率，較少重復、無效工作的時間消耗。總體而言，在施工圖設計階段的綠色建筑BIM應用主要包括以下幾個方面：

（1）管線綜合和碰撞檢查。在有限的建筑內部空間中，隨著管道數量的不斷增加，傳統的二維設計很難準確地表示三維空間效果，容易出現誤差并且造成不同構件之間的碰撞，影響施工進度，浪費時間并影響工程造價。并且由于校正過程缺乏直觀和有效的方法，往往造成修改用時較長，耽誤整個建筑設計總時間。BIM技術在進行管道沖突檢查方面具有得天獨厚的優勢，運用BIM技術上的碰撞檢測功能，可以對建筑的管道進行沖突檢查，發現其中的問題并及時解決。 碰撞檢測一般是在Autodesk Navisworks Manage軟件上進行的。

（2）優化施工方案。BIM技術的可視化特性保證了設計人員可以直接從BIM模型中提取建筑信息，并根據施工圖設計的變化直接更改三維模型。如在集成管道布局中，可以使用視覺設計的優點清楚地顯示管道的位置標高，并且直觀地了解地板的高度分布，以及他們碰撞情況等，以此來科學合理地安排地板下的設備和管道，減少專業之間的沖突。BIM技術的應用提高了建筑設計的正確性和精確度，完善和優化施工方案，間接提高了施工現場的生產效率，降低了后期施工協調可能造成的成本增加和工期延誤。

（3）設計成果交付。BIM模型包含了建筑的所有信息，是一種集成化的信息管理平臺。在BIM模型上可以得到建筑材料、構件形狀、建筑總體尺寸等信息，并可以根據需求直接輸出相應的數據，如三維效果圖、模擬分析圖等。總之，BIM 模型上的數據是對建筑設計數據的匯總，運用BIM可以全面統一的提交設計成果，避免了傳統二維制圖成果交付的低效煩瑣，使復雜節點的說明更加的清晰生動和高效。

4結束語

傳統建筑設計存在著一定的局限性，利用 BIM 技術解決綠色建筑設計中遇到的問題更有優勢。BIM 技術給綠色建筑設計流程、方法以及思維等帶來了巨大改變，應用 BIM 技術進行綠色建筑設計可行且高效。

參考文獻

[1] 許蓁.BIM應用·設計[M].上海：同濟大學出版社，2016：107.

[2] 王慧琛. BIM技術在綠色公共建筑設計中的應用研究[D].北京：北京工業大學，2014.

[3] 于威，高柔媚.BIM技術在建筑綠色節能中的應用[J].中國房地產業，2019（9）：181.