基于BIM技術在低碳建筑中的節能應用與優化

王興

【摘 ?要】建筑行業發展迅速，自然環境問題日益暴露，此過程中不斷形成了順應社會進步的理念和技術，其中低碳建筑就是可持續發展理念施行的必然產物，BIM技術則是建筑行業進步的必然操作技術。將BIM技術應用于低碳建筑將更好地響應低碳號召，節能減排，實現行業可持續發展。論文從BIM技術、低碳建筑兩項基本概念著手分析其內在本質特征，分析BIM技術應用于低碳建筑的幾大方面，明確BIM技術應用于低碳建筑可達到節能降耗、建筑設計優化等效果，并基于目前應用情況為后續持續應用作出總結。

【Abstract】With the rapid development of the construction industry， natural environmental problems are increasingly exposed. In the process， the concept and technology that conform to social progress are constantly formed. Among them， low carbon building is the inevitable outcome of the implementation of the concept of sustainable development， and BIM technology is the inevitable operation technology of the progress of the construction industry. The application of BIM technology to low carbon buildings will better respond to the call of low carbon， energy conservation and emission reduction， and achieve sustainable development of the industry. This paper analyzes the intrinsic characteristics of BIM technology and low carbon building from the two basic concepts， analyzes several aspects of BIM technology applied in low carbon building， and makes clear that BIM technology applied in low carbon building can achieve the effects of energy saving and consumption reduction， architectural design optimization， etc.， and summarizes the follow-up continuous application based on the current application situation.

【關鍵詞】BIM技術;低碳建筑;節能應用

【Keywords】BIM technology; low carbon building; energy saving application

【中圖分類號】TU201.5;TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2022）02-0178-03

1 引言

我國城鎮化率由2017年60.24%增長為2021年64.72%，增長趨勢穩步提升，但較國外發達國家普遍80%以上水平仍有較大空間。2021年全國建筑業、房地產業增加值比上年分別增加2.1%、4.4%，盡管2020至2021年受疫情影響較之前建筑業3%以上、房地產7%以上的增長態勢有所下降，但其體量巨大，仍是國家生產總值重要組成。在其巨大體量發展背景下，較發展之初，建筑特征、類型等各方面伴隨人類生活需求、生活環境、社會科技進步等諸多因素發生變化。其中氣候變化之一的溫室效應成為目前自然生態環境棘手的問題，環境惡化、能源緊缺逐步喚起人類對自然生態環境的保護意識。占據二氧化碳排放量50%左右的建筑業近20年因此也逐步“升級更新”，“低碳建筑”被廣泛應用，成為國際主流建筑發展趨勢。因社會生產需要而逐步發展起來的信息技術之一——BIM技術，則成為“低碳建筑”高效應用的助力器，優化了建筑生產方式，并促使“低碳建筑”節能效應形成。

2 低碳建筑基本概念

低碳節能理念逐步全球推行，“世界低碳環保聯合會”“國際碳行動伙伴組織（ICAP）”“C40大城市領導組織”“聯合國政府間氣候變化專門委員會”等多項低碳節能組織建立，同時歐盟建立了歐洲氣候交易所（ECX）、歐洲能源交易所（EEX）等多項碳排放交易機制，促進全球低碳行動。根據《bp世界能源統計年鑒》的全球能源需求量與碳排放量數據統計，20世紀中葉以來，一次能源消費及碳排放在近年來得到逐步穩定。

建筑物碳排放量是由建筑物的各元素能耗及二氧化碳排放量總和組成，學術界對低碳建筑碳排放指標要求標準無明確界定。從分析低碳建筑理念發展歷程看，低碳建筑可被認定為在建筑全生命周期內，以低污染、低耗能、低二氧化碳排放的產業建設模式建設的建筑空間，具體方式如建筑材料生產使用過程中、建筑施工過程中具備節能減排行為則可以創造更合理舒適的建筑環境。廣泛被提出的綠色建筑、生態建筑、可持續建筑均屬于低碳建筑。

3 國內外低碳建筑發展

建筑理念層面，從19世紀末開始萌芽“有機建筑論”以來，逐步出現了生態建筑學、綠色建筑、可持續建筑等發展理念，經兩個世紀發展至今逐步形成低碳建筑發展理念（見圖1）。全球自然環境日益惡化背景下，低碳建筑已成為建筑發展主趨勢。

國外低碳建筑發展主要為歐洲國家。英國最早于2003年提出“低碳經濟”發展理念，并逐步被全球所接受，回溯其低碳建筑發展源頭為生態可持續性建筑，即追溯崇尚自然生態的綠色精神，后續逐步演變形成技術綠色建筑、生態建筑、零能耗建筑、零碳社區等理念，具體表現為強化圍護結構自保溫效果、利用風能的地域性優勢、利用太陽能可持續能源等方面。2021年世界十大建筑排名英國占據3項，作為標桿之一的英國貝丁頓零化石能源發展社區（BedZED）更是提出以社區低碳規劃建設為理念，建設延長建筑壽命至120年的“永續建筑”，其所需的電能、采暖等基礎能源均為綠色能源，雨水、生態水可循環，不僅建筑物本體可低碳，更將低碳凝聚于生活方式與社區，達到低碳交通、家居節能精細至每戶的效果。德國被動式新型房屋，如德國“漢堡之家”，基本屬于模塊化預制，基礎結構以上基本可直接組裝完成，其材料運用基本為節能材料，建設時間較短且節約能源，以自然條件為基礎獲取建筑能耗最小，節能減排成效顯著。

改革開放以來，高耗能、高排放基礎上我國經濟快速發展，持續增加的能源需求、碳排放量一定程度上制約著經濟發展進度，我國每年向大氣中排放二氧化碳超60億噸，居世界各國之首，其次為美國、俄羅斯，2020年我國碳排放增加0.6%，在全球碳排放總量份額增加至31%，控制溫室氣體排放面臨較大壓力。我國低碳建筑應用主要指建筑節能，發展始于20世紀80年代，初期在北京、哈爾濱等地小型試點，到90年代初期以北京為代表多個城市推行，制定建筑節能率30%標準，21世紀初全國范圍內開始逐步施行節能建筑，以節能50%為標準，后續逐步發展至65%節能率，目前部分國家甚至建設形成“零碳建筑”，我國仍需不斷提高完善節能標準，大力推行建筑節能發展。

4 BIM技術基本概念

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技術廣泛應用于制造業、建筑業，是目前建筑行業較常見的應用技術，可逐步解決建筑生產效率較低的問題。BIM概念最早由20世紀80年代美國的Chuck Eastman提出，21世紀初期BIM技術開始運用于工業，我國最早于2006年香港地區推行BIM標準技術，在2011年制定頒布BIM技術應用大綱，2014年逐步印發各項BIM指導意見，BIM市場規模從2014年4.1億元增長至2020年12.5億元，目前國內已形成了良好的BIM應用市場環境，BIM技術應用得到重視，了解、使用并促使其發展是我國建筑行業信息化轉型的必然趨勢。

BIM技術是由信息化數據庫、全生命周期、多維模型多項特征概念組成的龐大的集合，具備信息完備性、對象參數化、可視化3D模型、導出成果多元化四大特點。實施過程中通過數字化表達建設項目全部信息、建立建筑3D模型虛擬表現建筑物、協同共享信息分析模型、提供數據支撐參與建筑項目全過程。

BIM技術應用具體形式主要是BIM軟件，常見的主要有Sketchup、Revit、CATIA等，區別于建筑初期使用較多的CAD軟件，在點、線、面的二維構件基礎上升級為柱、梁、墻、板等基礎建筑及結構構件，通過編程構建建筑數字化，模擬建筑物理、功能特征，將具體的建筑或結構構件用一系列參數屬性來表示，具體的BIM軟件可通過建筑設計、可持續分析、造價管理、模型檢查管理、維護管理、可視化分析等環節達到對建設全過程的優化控制。

5 BIM技術在低碳建筑中的應用

經不完全統計，建筑行業生產耗能占全行業能耗約40%，排放的溫室氣體量占全行業約30%，建筑行業的低碳節能行動迫在眉睫。

5.1 BIM技術應用于綠色建筑

BIM技術應用廣泛，應用層面主要有節能分析、建材分析、環境分析，具體如園林綠化設計、綠色建筑評價、綠色材料施工監測、規劃設計、可持續運維等，涉及建筑、結構、水、暖、電多專業。本文對綠色建筑的BIM應用主要從綠色建筑設計、綠色建筑評價、綠色建筑運營階段3方面進行分析。

5.1.1 BIM技術應用于綠色建筑設計

綠色建筑設計主要指綠色建筑節能設計，從環節上分為設計前期、概念設計、初步設計、深度設計（施工圖）、運營維護5個階段，通過BIM技術應用于設計階段，合理有效確定建材用量，分析建筑室內外環境設計，資源合理優化配置。

設計前期為節能需求及節能目標確定階段，如室內溫度、空氣、聲音、照明等生活需求，采暖制冷、通風、采光等節能目標。概念設計即對設計前期內容確定初步概念性方案并評估，此階段開始使用軟件模型模擬建筑結構形式、平面布局、圍護結構等因素，整合專業信息，考慮室內外環境平衡優化等因素，對初步建筑圍護、采光通風、建材、被動措施等方面提出初步設想。初步設計階段即在概念基礎上落實明確，從主要建筑能耗影響因素，如建筑圍護結構、建筑材料設備及人為因素等方面著手，通過軟件測算模型計算，敲定落實具體設計方案，此環節和概念設計環節緊密相關。深度設計最終呈現具體的施工圖方案報告，并對初步設計進行細節上的優化，形成最終建筑節能設計成果。最后運營維護即為建筑使用過程中的維護，對后期相關設備進行調試等工作。

5.1.2 BIM技術應用于綠色建筑評價

綠色建筑評價是基于綠色建筑全生命周期運作特點、針對工程項目全要素范圍提出的系統模型評價方法，通過定性、定量分析方法，明確所需評價維度，確立評估指標及相關權重的評價體系，如分析建筑綠色采光、能效利用、可持續材料使用等綜合指標體系，不斷探索綠色建筑方向，滲透建設全過程。針對評估體系標準，國外主要有英國BREEAM、美國LEED、加拿大Green Building Tool等，我國主要是《綠色建筑評價標準》和《綠色奧運建筑評估體系》等，各具特點，實際應用具備一定參考性。

5.1.3 BIM技術應用于綠色建筑運營

運營階段占比建筑全生命周期時間最長，綠色建筑運維區別于傳統建筑運維的項目竣工開始，其滲透于建筑全生命階段，前期目標制定設計、日常運維均需可持續發展理念滲透。BIM技術應用于運營階段，其信息化、精確化、可視化多項特點對綠色建筑特別是綠色公共建筑運維節能管理提供技術支持，如BIM控制平臺可統一調控空調、新風、照明、電梯等電力設備，通過相關控制可實現水資源精確轉化，同時可監控物業管理信息數據，合理調配利用資源減少浪費。

5.2 BIM技術應用于建筑材料低碳減排

廣義上講，建筑碳排量分為建造碳排量、使用碳排量和拆除碳排量3部分。建筑全生命周期階段大致包括設計階段、建造階段、運維階段、拆除階段、廢物處置階段，均與碳排放密切聯系。設計階段指導低碳實施，其碳排放占比較低;建造階段則主要是建筑材料準備及其施工過程產生碳排放;運維則主要是空調、采暖、采光等各項設備碳排放;拆除及廢物處置則產生于具體動作實行過程中。除設計階段、運維階段外，各階段碳排放均與建筑材料有關，區別僅在于建筑材料種類、數量、范圍差異，因此研究建筑材料低碳有其必然意義。

我國水泥、鋼鐵等高能耗高碳材料年產量曾多次位居世界第一，近年萬元國內生產總值二氧化碳排放下降率也越來越少（見圖2），而每年建筑行業則有大量碳排放，作為建筑碳排放重點之一，建材低碳效果則需要重點關注。

建筑行業主要建材消耗有水泥、鋼鐵、混凝土、磚、玻璃等幾大類，各類建材在不同階段碳排放不同（見表1）。從建材使用全過程看，建材碳排放追蹤不僅要跟蹤生產過程，還要追蹤前期選擇及后續施工過程，這期間往往環節、流程繁復，種類數據量龐大。

建筑信息化技術即BIM技術，是在早期由美國提出的BEES軟件的延伸，通過建立3D模型、4D甚至ND模型發揮模型信息關聯、信息數字化、信息完備特點，可跟蹤從建筑材料產品最初的生產制成運輸到施工現場施工、使用及報廢全過程碳排放。BIM技術應用于建材低碳還具有經濟性，其數據集成特點可幫助企業形成信息數據綜合平臺，數據共享，可省去調取查閱數據工作量，并且可監測跟蹤建材節能指標，優化現場施工及機械設備，滿足降低工程成本的經濟效益。

建筑使用功能角度分析，建筑裝飾與人類居住生活的直觀感受聯系緊密，建筑裝飾材料按照使用部位可分為墻體、地面、頂部、裝飾線、頂部材料、緊固件、連接件和膠粘劑等幾大類。建筑裝飾材料較主要建材使用量雖占比不高，但在建筑使用部位、施工環節、材料類型等方面有著突出的復雜性，且涉及下游行業分散，涉及專業較多，并且有的建筑在裝飾材料生產、施工至使用過程都會對環境不利，影響低碳減排。BIM技術應用于建筑裝飾材料低碳主要側重于建筑裝飾設計，結合建筑裝飾工程特征，設計匹配的信息數據并明確構架，構造形成建筑裝飾材料使用階段各類模型，以模型數據為基礎分析各項節能指標，同時結合綠色低碳節能需求目標對相關數據信息進行分類整理優化，建設綠色低碳的建筑裝飾。

6 BIM技術應用于低碳建筑的相關建議

目前國內傳統建筑的BIM技術應用范圍逐步廣闊、應用程度逐步深入，對于比傳統建筑各項節能指標要求更高的低碳建筑則更需要BIM技術的深入應用。通過外在層面的行業規范及政策監督、內在層面企業開發過程中綠色低碳可持續理念持續滲透的內外作用下，確保BIM技術和低碳建筑建設相輔相成。一方面，BIM技術便于建筑低碳化建設;另一方面，建設低碳建筑的技術需要側面帶動BIM技術多向發展，形成行業良好生態發展循環，同時促進自然環境良好呼吸。

7 結語

低碳建筑不是憑空出現的概念，是建筑行業自身特點順應低碳能源可持續發展的必然產物。在國外倡導建設“零碳建筑”“零碳社區”背景下，我國建筑行業低碳化勢在必行。在已被廣泛應用于傳統建筑建設的BIM技術加持下，建筑低碳化將會有顯著成效。在BIM技術具體應用層面，本文強調在軟件使用基礎上充分發揮BIM技術全面數據集成能力、持續數據更新能力、靈活數據處理能力、可視化數據管理能力，將綠色建筑應用、建筑材料碳排放監測作為重點，關注碳排放重點環節，從各維度上節能減排、減碳降耗，以實現從節能減排的技術創新形成建筑低碳產業化生產創新。

【參考文獻】

【1】李州揚.BIM技術在綠色建筑運營階段的效益分析[D].大連：大連理工大學，2021.

【2】金海，楊靜，李曉輝，等.基于BIM的建筑材料碳排放計量與實例分析[J].水泥技術，2020（02）：54-58.