BIM技術在綠色建筑設計中的應用探究

周 欣

（揚州工業職業技術學院， 江蘇 揚州 225127）

0 引言

碳達峰和碳中和的提出是我國應對全球氣候變化的一項重要措施，對此各行各業都需要積極開展行動，尤其是鋼鐵、化工、建筑等行業要率先實現溫室氣體排放碳達峰。除了要進一步深化相關政策措施以及完善我國的碳排放權交易市場以外，行業自身也要站在長遠發展的角度，推動相關理念和技術的創新，最大程度減少碳排放。對于建筑行業來說，隨著人們生活水平的提升，對于生活環境的要求也在不斷提高，除了對建筑基本的居住需求以外，還要求建筑應當有效地解決建設和使用過程中的能耗問題，盡可能地節約資源，減少污染。因此，發展綠色建筑是我國未來建筑設計和施工的主要方向。近年來不少的建筑企業都將BIM技術應用于建筑工程項目的設計與管理當中，能夠在提高管理效率的同時保證建筑的質量。從對當前行業發展以及社會需求來看，BIM技術與綠色建筑設計相結合是行業發展的必然趨勢。

1 綠色建筑及BIM技術相關理論分析

1.1 綠色建筑理論

綠色建筑理論最早是指在建筑設計和施工的過程中應當結合建筑所在地的實際情況進行合理安排，盡可能減少建筑本身對周圍環境的影響。隨著人們生活質量和生活環境的變化，再加上理論研究的不斷深入，綠色建筑已經不僅局限于建筑單純的綠化設計，而是一種綠色生態建筑的環保理念。現階段，各國針對綠色建筑的定義以及綠色建筑設計和施工有著各自的標準。我國的《綠色建筑評價標準》中綠色建筑的定義指出，在建筑的整個生命周期中，從建筑材料的生產再到拆除后的處理都應當符合生態環保的理念，滿足節能、降耗以及提高資源利用率的要求。一般來說，綠色建筑的特點主要包括兩個方面：一是綠色建筑的建設和運維應當做到以人為本，綠色建筑建設的實施者以及服務的對象都是人，因此建筑設計應當遵循“人性化”的理念。同時還應當遵循建筑所在地的實際環境，最大化利用自然資源，減少能耗。二是綠色建筑具有完整的生命周期，設計、施工和運維應當是一個整體，針對綠色建筑的管理應當圍繞其整個生命周期[1]。放眼國際，在綠色建筑的評估中，美國的LEED體系、英國的BREEAM體系是當前較為成熟的評價體系，不論是專業性還是完善性都值得我國學習。基于“雙碳”理念的提出，我國對于綠色建筑評價體系的研究應在吸收其他國家經驗的基礎上，結合我國國情不斷完善，促進我國綠色建筑設計逐步趨向成熟化和規范化。

1.2 BIM技術理論

BIM技術的誕生主要基于計算機等技術的不斷發展，是一種針對建筑工程項目管理的信息模型技術。BIM技術并不是一種軟件或者工具的代稱，而是包括與建筑工程信息化管理相關的各種軟件的總稱。與BIM技術相關的主流軟件主要包括繪圖類、分析類、預算算量類、施工管理類以及三維渲染類等五個方面。BIM技術對于提高建筑設計、建設和運維的質量具有一定作用，其特征主要體現在以下三個方面：（1）三維可視化，在設計階段通過BIM技術的三維可視化手段能夠將設計圖紙以三維的形式呈現出來，便于設計人員以及業主更加直觀地看到設計成果，同時能夠更好地分析設計存在的問題。（2）能夠增強項目團隊的協作意識，基于BIM技術搭建的數據信息共享和合作系統，能夠為項目的參與方提供一個數據上傳和共享的平臺，加強設計階段與施工階段的配合[2]。（3）能夠及時準確地提供工程項目建設全過程的建筑信息，與建筑工程相關的造價以及進度等信息均能夠通過BIM技術進行模擬，工程人員能夠實現對建筑工程的動態化和可視化管理。

2 BIM技術在綠色建筑設計中的應用價值

2.1 提高能源的利用效率

現代綠色建筑愈發強調對能源的最大化利用，提高能源的利用效率也是“雙碳”理念中的內容。上文中提到BIM技術具有可視化、協同化和信息化的特點，通過BIM技術手段，能夠有效模擬太陽光在區域內的輻射情況，根據太陽光照的環境分析，設計人員可以在設計階段優化太陽能的使用，有效地對太陽能設備的安裝位置和角度進行設計，能夠實現對太陽能的最大化利用和儲存，以太陽能這種可再生能源替代天然氣等能源，從而達到節約資源的目的。同時也可以對室內采光進行合理設計，最大化地利用太陽光照替代人工照明，減少用電能耗。其次在BIM技術的幫助下，設計人員能夠根據建筑所在環境計算出建筑的能耗量，并通過對建筑物不同布局設計下的采光和采暖情況進行對比分析，對設計方案做出調整，以此確定能耗較低的方案[3]。

2.2 減少材料的浪費現象

近年來，隨著我國城鎮化的速度不斷加快，建筑物的高度在不斷提升，與此同時，人們對于建筑功能的需求也在不斷提高，建筑的復雜程度日益增加。但是由于部分建筑物建設時間久遠以及設計、施工單位建設水平較低等原因，不少的建筑都存在設計方案不合理的問題。尤其是在建筑電氣工程設計方面，設計的不合理可能導致建筑管線施工混亂，給業主的安全使用帶來隱患的同時也增加了后期的改造成本，造成了浪費。目前不少的建筑企業在綠色建筑設計的過程中會采用BIM技術的管網碰撞檢測功能，在這一功能的幫助下設計人員能夠有效地查明管網設計中存在的問題，極大地降低管網設計和施工的難度系數，保證建筑電氣工程的質量，避免返工造成的浪費。在建筑設計規模化和復雜化程度不斷加劇的環境下，BIM技術的有效應用不僅能夠較為直觀地呈現出設計人員的理念，保證建筑的設計質量，而且能夠為設計人員和施工人員提供成本預算等重要的建筑信息以控制建造與維護成本[4]，這是因為BIM技術還具有傳統項目管理手段不具備的材料統計功能，能夠根據建筑設計需求快速地計算出工程建設所需要的材料類型以及數量，得出的結果相對精確，使其符合綠色建筑評價標準對建筑材料使用量的要求，并且避免不必要的材料浪費。

2.3 改善室內的環境質量

室內環境設計是綠色建筑設計中的重要環節，室內環境建設的質量能夠在一定程度上反應建筑的整體質量。在“雙碳”背景下，人們對于建筑采光的要求勢必也會提高，需提升自然采光的效果，運用BIM技術能夠有效地指導門窗的安裝設計以及燈具的安裝。在建筑標準中，自然光照射的時間不得低于2h，因此除了房間朝向和布局的設計以外，包括門窗材料以及安裝的位置等都需要考慮。不僅材料應當具有節能環保的特點外，還需要保證對自然光線的綜合利用效果，對光線能夠進行科學的調節，滿足人們日常生活和工作對于光照的需求[5]。此外，在室內環境中的風環境以及聲環境的管理中，BIM技術的應用也能夠滿足人們對于房間通風以及降噪的需求，以營造良好的室內環境，增加舒適性。

3 BIM技術在綠色建筑設計中的應用策略

3.1 BIM技術對綠色建筑設計提供的技術支持

“雙碳”理念的提出標志著我國生態文明建設到了一個新的高度，是我國經濟社會一場系統性的變革，包括建筑行業在內都要將“碳達峰”和“碳中和”作為其長遠發展的一項重要內容。在雙碳”背景下，綠色建筑設計的要求勢必也會得到提高，與之匹配的技術水平也需相應的得以提升。就目前而言，BIM技術對綠色建筑設計的技術支持主要體現在以下三個方面：（1）BIM技術的技術基礎相對較為成熟，BIM技術參數化的特點能夠保證建筑工程項目信息化管理工作得以實現。尤其是BIM技術在綠色建筑設計中憑借建筑構件的關聯性設計，能夠有效地減少方案的更改頻率，準確度得以提高，使設計效率和品質均得以提升，作為信息的集成平臺，能夠保障項目建設的經濟、進度以及質量目標得以實現。（2）相對于其他的技術手段，BIM技術具有較為明顯的應用優勢。為應對建筑工程的規模以及空間復雜程度的不斷提升，BIM技術在綠色建筑設計中可以同時快速地建立三維模型和二維圖紙，真實反映設計內容，有利于多個模擬軟件進行分析，避免了重復建模，能夠有效地減少設計人員的工作量，相關的綠色設計措施也得以快速準確地應用。（3）現階段BIM技術應用軟件體系趨于完善，通過BIM核心建模軟件以及BIM協同設計軟件能夠完成綠色建筑設計階段絕大多數的工作，包括Autodesk Revit和Bentley Architecture在內的技術軟件經過多年的發展已經相對成熟且穩定。

3.2 基于BIM技術的綠色建筑設計策略

3.2.1 概念設計階段

在早期的概念設計階段中，設計人員不僅要了解業主的需求，同時還要對建筑所在地的地質情況、氣候條件以及水文條件等進行勘測，此外還要對建筑所在區域的規劃與設計標準有所了解。在進行概念設計的過程中，設計人員需要綜合上述信息，對綠色建筑可能對當地環境產生的影響進行分析，在盡可能保留環境原始條件的基礎上進行設計，避免周邊生態環境的破壞。在實際的設計工作中，設計人員可以借助BIM技術對建筑所在地的環境條件進行模擬，對不符合業主需求以及綠色建筑評價標準的部分及時進行更正。可以將BIM技術與GIS技術（地理信息系統）相結合，使得設計人員能夠更加精確地獲取工程項目所在地的空間環境信息，以此為基礎進行設計。現階段的綠色建筑設計中，BIM技術在概念設計中的應用主要集中在三個方面：（1）在場地建模中的應用，其中Autodesk Revit中的部分功能能夠滿足設計人員對于簡單場地建模的需求，包括土方量的計算以及道路的坡度的設計，均能通過該軟件完成。另外Civil 3D等軟件能夠為設計人員提供相對完善的數據來源，這樣便于設計人員進行場地模型的構建，準確度得以提高。（2）在場地分析中的應用，Civil 3D等軟件能夠幫助設計人員進行高程分析，通過技術的處理，使地形呈現出不同的顏色，反映其高程高低的變化。此外與高程分析相類似，BIM技術軟件的三維視圖功能還能夠實現對坡度和朝向的分析，以滿足綠色建筑設計要求。（3）在道路布設中的應用，我國城鎮化速度的加快給建筑工程項目的道路布設帶來一定的難度，尤其是在房屋建筑相對密集的區域。在概念設計階段，設計人員在考慮周邊交通環境、斷面設置以及消防疏散等因素的同時可以借助BIM技術開展道路設計，能夠根據環境信息以及設計高度自動生成布設方案，完成繁瑣的繪圖任務[6]。

3.2.2 方案設計階段

在概念設計階段，設計人員對建筑的具體形態相對較為模糊，隨著設計工作的不斷深入，再加上外部環境的變化以及業主要求的變更，模型也可能發生頻繁地調整。BIM技術的應用能夠有助于完善設計人員的設計理念，使得設計人員能夠通過建筑內外空間兩個角度對建筑設計方案進行優化。“雙碳”背景下人們對于綠色建筑的功能要求不斷提高，因此在綠色建筑的設計階段，設計人員勢必要轉變以往重外形、輕功能的設計理念，從建筑形體與建筑性能兩個方面對BIM技術的有效應用進行思考。對于綠色建筑來說，早期的形體設計方案對于整體設計會起著至關重要的影響作用，隨著建筑工程逐漸規模化和復雜化的趨勢，綠色建筑的形體也將越來越復雜。因此設計人員應當將BIM技術同時應用于概念和方案設計中，幫助設計人員對建筑朝向以及長寬比等關鍵環節進行構思。而在建筑性能的模擬中，設計人員需要對建筑場地、風環境和建筑能耗方面進行模擬，在綠色建筑設計的基礎上確定最佳的設計方案。

3.2.3 初步設計階段

在開展了上述工作后，設計人員需要依據建筑模型對設計方案進行精細化處理，對綠色建筑的設計方向需要進一步深入。在初步設計階段中，應當基于BIM技術搭建協同化平臺對建筑模型進行設計，確保整體設計工作的專業性和系統性。對于設計人員來說，不僅要考慮綠色建筑的各項性能，同時也要考慮各項使用性能對于生態環境可能帶來的影響：（1）要對風環境進行模擬和優化，目前工程領域通常會采用Phoenics等軟件開展模擬，根據模擬結果為建筑自然通風系統的設計以及優化提供數據支撐；（2）進行建筑熱工分析，通過Ecotect等軟件對環境溫度等參數進行模擬分析，綜合提升建筑的隔熱、保溫能力，減少建筑能耗[7]；（3）進行建筑采光分析，分別從自然光、人工照明以及可視度的方向進行模擬，通過朝向、開窗位置與大小的調整提高自然光的利用率，節約能源，或是采取設置遮陽板等措施解決光照分布不均的問題，營造適宜的學習、工作和生活場所；（4）進行聲仿真模擬，通過SoundPLAN等軟件對建筑的隔音和消音等功能進行評價，從而便于設計人員對室內聲環境進行優化，同時指導隔音材料的采購，避免不必要的浪費。

3.2.4 施工圖設計階段

施工圖設計階段通常需要包括建筑、結構與機電等方面的設計，對于后續的施工來說有重要的指導作用。BIM技術在施工圖設計階段應用策略主要包括以下幾個方面：（1）在管線碰撞檢查方面，BIM技術憑借其參數化的特點能夠開展基于管線布設的碰撞檢測，便于設計人員及時發現設計方案中存在的碰撞節點，包括建筑實體部分的碰撞與不符合規范要求的間距設計，對沖突的位置進行及時的調整，降低返工率，減少材料浪費[8]；（2）在優化施工方面，將BIM技術應用于施工圖設計階段能夠提高設計的精確性，控制成本預算，提升施工效率，確保工程能夠如期完工；（3）在設計成果交付方面，BIM技術的應用能夠實現對建筑工程項目的設計數據進行匯總，特別是復雜的項目，避免出現遺漏。

4 結束語

綜上所述，在“雙碳”背景下人們對建筑行業的發展提出了更高的生態環保要求，在綠色建筑的設計中，設計人員不僅要重視對建筑形體與功能的設計，同時也要重視建筑的環保性能。通過BIM技術的應用，綠色建筑的設計工作能夠得到極大的簡化，建筑模型信息更加可靠，降低返工率，提高工程建設的效益。同時憑借BIM技術可視化、協同化和信息化的優點，設計人員可以提高能源的利用效率、減少材料的浪費現象和改善室內的環境質量，對于今后我國建筑行業的健康發展具有重要的推動作用。