BIM技術(shù)在學(xué)校綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 聰

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)在綠色建筑領(lǐng)域中發(fā)揮著重要價(jià)值，其三維可視化數(shù)據(jù)模型能夠整合建筑施工期間產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，并為設(shè)計(jì)人員提供信息模型，為各施工環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支持[1]。本文以我國某學(xué)校綠色建筑工程為例探究BIM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，為確保新時(shí)代建筑領(lǐng)域的健康發(fā)展，需要將綠色節(jié)能作為施工建設(shè)的重要理念。依托BIM 技術(shù)以及各類信息處理軟件從多個(gè)維度分析綠色建筑工程概況，最大限度地避免風(fēng)險(xiǎn)隱患對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響，發(fā)揮BIM技術(shù)在學(xué)校綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

以我國某市政府重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)中的學(xué)校建設(shè)項(xiàng)目為例，項(xiàng)目的用地面積為41 682.21 m2，總建筑面積40 120 m2，地上建筑面積23 584 m2，地下建筑面積為16 536 m2。本項(xiàng)目所在地區(qū)氣溫平均值為23 ℃，最高氣溫和最低氣溫分別集中在7 月和1 月，溫度分別為27 ℃與15 ℃。本項(xiàng)目所在地區(qū)通風(fēng)較好，平均風(fēng)速為2.7 m/s，全年日照時(shí)間相對較長，降水量相對較大。本工程周邊區(qū)域并沒有高層建筑遮擋，采光不受其他建筑影響，也不影響周邊建筑的采光需求。本項(xiàng)目地形相對平坦，地勢西高東低，標(biāo)高為134.5 ～139.5 m。

2 BIM 技術(shù)在本項(xiàng)目中的優(yōu)化應(yīng)用分析

2.1 能源利用優(yōu)化

本工程中采用主動式節(jié)能與被動式節(jié)能雙結(jié)合的方式，施工人員需從建筑體量入手，結(jié)合遮陽、采光等多個(gè)環(huán)節(jié)不斷優(yōu)化原有技術(shù)方案，并利用BIM 技術(shù)構(gòu)建三維可視化模型進(jìn)行通風(fēng)模擬以及采光模擬，確保各項(xiàng)技術(shù)方案的有效性。本工程在設(shè)計(jì)階段由技術(shù)人員對學(xué)校綠色建筑體量進(jìn)行了全方位的考量，對施工環(huán)節(jié)提出如下要求：利用建筑外廊實(shí)現(xiàn)自遮陽，避免輻射較強(qiáng)的南立面因過度日照對教學(xué)環(huán)境產(chǎn)生影響；主要教室及辦公室南北方向設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)最佳光照效果[2，3]。

2.1.1 采光模擬分析計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)教室最佳的采光效果，技術(shù)人員在采光設(shè)計(jì)期間要結(jié)合建筑模型，利用天然采光模擬分析技術(shù)，采用逐點(diǎn)照度模擬計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。

在實(shí)際應(yīng)用期間，首先需要觀察整個(gè)建筑模型，尋找房間與地面間距1 m的點(diǎn)位合并水平面，按照精度劃分多個(gè)網(wǎng)格。其次，設(shè)計(jì)人員需要輸入各種條件參數(shù)，如室內(nèi)材質(zhì)和外遮擋物等對采光質(zhì)量產(chǎn)生影響的相關(guān)參數(shù)。在此期間，設(shè)計(jì)人員需設(shè)置工作平面位置、天空模型以及分析指標(biāo)類型。最后，需利用特定算法對網(wǎng)格內(nèi)每一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代照度計(jì)算，如利用蒙特卡洛算法計(jì)算照度值與室外照度的比率，該比率為對應(yīng)節(jié)點(diǎn)采光系數(shù)[4]。為確保預(yù)期施工建設(shè)質(zhì)量，還需技術(shù)人員根據(jù)該節(jié)點(diǎn)采光系數(shù)，判斷此時(shí)教室是否達(dá)到綠色建筑施工要求，若誤差較大，則需進(jìn)行重新規(guī)劃并計(jì)算。

設(shè)計(jì)人員在采光模擬分析時(shí)需要考慮建筑周圍的遮擋物，避免對模擬結(jié)果造成偏差。在不影響學(xué)校建筑室內(nèi)空間合理利用的前提下，優(yōu)化房間的進(jìn)深或增加房間凈高，提升建筑自然的采光程度。圖1 為教室內(nèi)外不同點(diǎn)采光值變化。

圖1 教室內(nèi)外不同點(diǎn)采光值變化（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2.1.2 風(fēng)環(huán)境變化計(jì)算

本工程中計(jì)算通風(fēng)參數(shù)時(shí)，技術(shù)人員需要將提前準(zhǔn)備好的BIM 信息模型導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件中，從流體力學(xué)層面分析風(fēng)速及熱島區(qū)域。為確保技術(shù)人員能夠從多個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，本工程還利用了歐特克軟件研發(fā)有限公司旗下的虛擬風(fēng)洞模擬軟件，以此模擬室內(nèi)外的風(fēng)環(huán)境[5]。依托虛擬風(fēng)洞模擬軟件，能夠從3D 視角實(shí)時(shí)觀察建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)環(huán)境的變化情況。

為避免學(xué)校教室空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)盤管出現(xiàn)霉菌，本工程嚴(yán)格遵循學(xué)校布局原則，合理調(diào)整窗口外的遮陽裝置。所有教室空調(diào)系統(tǒng)均采用地源熱泵技術(shù)，空調(diào)系統(tǒng)末端結(jié)構(gòu)為干式風(fēng)機(jī)盤管，能夠有效避免干式風(fēng)盤在實(shí)際運(yùn)行期間，因內(nèi)外溫差產(chǎn)生冷凝水造成盤管內(nèi)出現(xiàn)霉菌。

2.1.3 熱工分析

熱工分析主要包括探究建筑表面溫度、日照輻射量以及日照時(shí)間，設(shè)計(jì)人員需要從總平面布局角度出發(fā)，優(yōu)化調(diào)整建筑遮陽與保溫方案，減少熱導(dǎo)效應(yīng)對室內(nèi)熱舒適度產(chǎn)生的不良影響。日照分析側(cè)重于學(xué)校建筑群組之間相互遮擋的適應(yīng)關(guān)系，根據(jù)每個(gè)教室對室內(nèi)日照的實(shí)際需求合理設(shè)計(jì)學(xué)校綠色建筑的整體布局[6，7]。技術(shù)人員依托Ecotect Analysis軟件開展日照分析，模擬學(xué)校建筑全年日照總時(shí)數(shù)以及形成日照時(shí)間分布圖，從而優(yōu)化調(diào)整建筑間距，節(jié)約土地資源利用的同時(shí)，有效避免建筑群遮擋影響建筑日照需求。對學(xué)校教學(xué)樓太陽熱量收集情況以及熱輻射進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，全面分析各教學(xué)樓不同季節(jié)溫變情況，并對當(dāng)前教學(xué)樓施工構(gòu)件熱工性能提出優(yōu)化措施。

2.1.4 水循環(huán)利用

在水循環(huán)利用中，本工程施工建設(shè)期間采用了統(tǒng)一場地用水規(guī)劃以及水量平衡策略，如利用滴灌系統(tǒng)以及節(jié)水用具作為學(xué)校節(jié)水設(shè)備的主要組成部分，以此顯著降低水資源浪費(fèi)現(xiàn)象。技術(shù)人員利用BIM 信息模型對學(xué)校不同區(qū)域的消防分區(qū)進(jìn)行了多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)自動噴淋系統(tǒng)以及給排水系統(tǒng)的自動選型，凸顯學(xué)校綠色建筑中給排水系統(tǒng)的智能化特征。

2.2 材料管理優(yōu)化

與傳統(tǒng)施工建筑不同，本工程施工期間在施工材料選擇方面依托BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了施工材料精細(xì)化成本控制，有效避免了施工材料浪費(fèi)對單位經(jīng)濟(jì)效益造成的損失。本工程中建筑立面結(jié)構(gòu)主要采用玻璃幕墻、石材、大面積絲網(wǎng)鏤空殼體與氟碳噴涂鋁合金板材。為實(shí)現(xiàn)成本精細(xì)化控制，技術(shù)人員根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)工程量清單的詳細(xì)要求，利用工程算量軟件計(jì)算各建筑模型所需的施工材料實(shí)物量并不斷縮小誤差，得出各項(xiàng)施工材料概算的最佳計(jì)算結(jié)果。

2.3 施工管理優(yōu)化

施工管理期準(zhǔn)備階段主要包括場地和環(huán)境控制。本工程中排水系統(tǒng)將污水引流至三級沉淀池，隨后排向市政管道，避免對城市污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生影響。在施工現(xiàn)場周邊區(qū)域架設(shè)防噪墻，并嚴(yán)格管控工地照明燈與電焊設(shè)備。重點(diǎn)區(qū)域中安裝水表，嚴(yán)格控制各職能部門工作期間的用水量，采用標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)能電動工具滿足所有施工人員生活需求。在各項(xiàng)施工環(huán)節(jié)開展期間，為提高施工質(zhì)量，技術(shù)人員依托BIM 平臺中的可視化和仿真軟件進(jìn)行管線預(yù)埋安裝模擬及施工進(jìn)度模擬，結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況明確各項(xiàng)潛在施工隱患。另外，還應(yīng)及時(shí)與施工人員進(jìn)行協(xié)商，最大限度避免風(fēng)險(xiǎn)隱患對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.4 運(yùn)營管理優(yōu)化

制度建設(shè)和智能化系統(tǒng)建設(shè)是本工程中運(yùn)營管理工作開展的重要方向。技術(shù)人員依托運(yùn)維管理平臺開展運(yùn)維工作前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了本工程中所有辦公樓的照明系統(tǒng)、語音對講系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及門禁系統(tǒng)的集成控制。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測每個(gè)教室內(nèi)的空氣溫濕度情況，若發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度過高，則內(nèi)部輸入輸出模塊就會自動向空調(diào)傳輸指令，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)溫濕度智能化控制。

此外，本工程中在每個(gè)教室內(nèi)都安放了空氣質(zhì)量傳感器，若傳感器發(fā)現(xiàn)同一時(shí)刻二氧化碳濃度過高，將會向系統(tǒng)返回預(yù)警信息并自動控制通風(fēng)系統(tǒng)及時(shí)送風(fēng)。依托BIM 技術(shù)的程序化管理體系能夠?qū)崿F(xiàn)不受時(shí)空間限制的自動化管控，無論是移動端設(shè)備還是電腦端設(shè)備都能夠發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)管控[8，9]。

3 BIM 模型分析

3.1 碰撞分析

依托BIM 技術(shù)的碰撞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行椭┕と藛T規(guī)避各項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工質(zhì)量。本工程中由于涉及大量的機(jī)電暖通系統(tǒng)以及給排水系統(tǒng)的安裝，為避免上述2 種系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題出現(xiàn)安全隱患，需利用BIM 技術(shù)的碰撞試驗(yàn)進(jìn)行分析。實(shí)際應(yīng)用期間，技術(shù)人員在Revit 軟件中將機(jī)電暖通系統(tǒng)模型、給排水系統(tǒng)模型導(dǎo)入同一文件，并在碰撞檢驗(yàn)功能命令窗口中選擇協(xié)作命令，以此實(shí)現(xiàn)對上述2 種構(gòu)件的碰撞檢查。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，會自動在顯示器上為設(shè)計(jì)人員生成詳細(xì)的沖突報(bào)告名單，名單中的高亮位置為構(gòu)件碰撞的詳細(xì)位置，沖突報(bào)告名單如表1 所示。

表1 沖突報(bào)告名單

此時(shí)技術(shù)人員便可與負(fù)責(zé)管道維修施工環(huán)節(jié)的技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交底，在特定區(qū)域內(nèi)留下預(yù)留管線位置[10，11]。還可利用碰撞檢測分析建筑整體結(jié)構(gòu)與管線之間，以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位的控件之間是否存在碰撞沖突現(xiàn)象。本工程建設(shè)面積屬于大中型，若為超大型建筑，則可利用BIM 平臺中的可視化和仿真軟件進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，并將所得的各類數(shù)據(jù)報(bào)告單獨(dú)導(dǎo)入Excel 表格中。

3.2 工程量分析

技術(shù)人員可以在Revit 軟件中根據(jù)明細(xì)表顯示各類圖元及數(shù)量的相關(guān)信息。通過數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)整理的方式向客戶和其他職能部門工作人員傳達(dá)項(xiàng)目工程量的有關(guān)數(shù)據(jù)，也可將明細(xì)表導(dǎo)入其他軟件中，利用不同格式方便有關(guān)人員查閱。上述過程能夠?qū)崿F(xiàn)本工程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的精細(xì)化與信息化管理。

Revit 軟件為本工程的墻明細(xì)表提供了大量的數(shù)據(jù)選項(xiàng)，設(shè)計(jì)人員可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行個(gè)性化編輯。這些數(shù)據(jù)貫穿整個(gè)建筑項(xiàng)目的全生命周期，可結(jié)合實(shí)際情況靈活變換。依托BIM 技術(shù)還能夠構(gòu)建清晰直觀的材質(zhì)提取明細(xì)表（表2），該表中包含面積、厚度等各類參數(shù)，也可將該表導(dǎo)入其他軟件進(jìn)行分析。

表2 材質(zhì)提取明細(xì)表

4 結(jié)語

本文以我國某學(xué)校綠色建筑工程為例，分別從水循環(huán)利用、材料利用以及能源利用等多個(gè)維度，探究了BIM 技術(shù)在學(xué)校綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。本工程依托BIM 技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了施工材料的精細(xì)化處理，并結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化技術(shù)方案，滿足實(shí)際施工需求。