現有建筑物與BIM技術之間的聯系及應用

楊威 胡晚亭 謝汪陽

中國建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000

建筑信息模型（BIM）是以智能三維模型的形式將建筑物的物理和功能屬性表示出來。BIM提供了一個平臺，使得參與建筑項目的不同專業人員之間能夠共享有關項目的資源知識，從而幫助他們在工作中作出有效的交流及決策。3D模型的開發始于1970年代，基于早期的管理軟件計算機輔助設計（CAD），但建筑行業在使用3D模型方面比較滯后，因為他們仍然更喜歡使用2D模型，并且因為當時的設備成本過高原因，從而3D模型技術無法在發展中國家萌芽。在 2000年代初期，建筑業引入了BIM模型，建筑師和工程師把BIM技術也應用到了一些試點項目。現階段，建筑行業的專業人士和學術界對BIM模型非常感興趣，因為BIM在有效節省建筑資源方面具有許多優勢。

1 BIM技術可優化信息的內容及綠色評級系統

1.1 需要考慮使用BIM技術來進行優化的信息

使用BIM開發的能源模擬模型應盡可能減少建筑物中有害氣體的數量和排放到大氣中的有害氣體。結構設計也是另一個必須考慮的重要要求，用于翻新建筑物的材料不應成為對環境造成污染的原因。

通過對以往的研究進行討論，得出的結論是，在翻新、改造和生命周期管理中使用BIM對可持續性的影響首先取決于要為建筑物設計一個匹配的3D模型，然后不同的專家會在需要時使用模型中的信息提出解決方案。根據所進行的案例研究，采用BIM進行施工后管理已被證明可以節省資源和時間。它還提高了改造后建筑物的質量[1]。BIM在已經完成的項目的改造過程中的使用，效果十分出色。

1.2 綠色建筑評級系統

自從全世界開始倡導建設綠色建筑以實現可持續性以來，綠色建筑評級系統也隨之誕生。這些評級系統可以確定建筑物的可持續性或綠色程度的等級。綠色建筑評級起源于英國，基于最初的評級系統，世界上的其他國家也根據本國的標準制定了適合自己國家的評級系統。盡管綠色建筑評級系統已經使用了大約三十年，但是直到近年來建筑業才對環境和可持續性的綠色建筑加以關注。

值得注意的是，部分評級不能適用于所有類型的建筑物，因為其中部分評級標準僅與特定類型的建筑物相關聯，這意味著許多國家有多個評級系統正在使用，這給利益相關者帶來了對綠色建筑評估及其評級的困惑，對綠色建筑的發展造成了不小的阻礙。據統計，到2006年，世界市場上大約有34種環境評估工具或綠色評級系統。中國目前使用的綠色建筑評級系統（GBAS）已經存在了較長的時間，屬于在世界范圍內比較成熟的評估系統。

2 BIM技術于改造項目中的優勢體現及困難

在對如何實現綠色建筑問題和可持續性以及如何使用BIM對其進行優化以使建筑實現更具有環保性的研究之后，可以發現BIM技術能夠將現有建筑物翻新為更具有可持續性能的綠色建筑。眾所周知，施工過程對環境有廣泛的影響，例如二氧化碳排放，噪音污染、材料及資源消耗等。BIM軟件提供了各種解決方案，這些解決方案可以有效地減輕翻新和施工過程中的這些環境影響（埃爾根，阿金奇和加內特 2016）。目前，可以測量房屋碳足跡的BIM模型已經被開發使用，這類模型的使用可以使得工程師和設計師能夠就如何對建筑物進行建模以向大氣中釋放較低水平的碳和其他氣體提供參考。基于BIM的軟件還能夠對在施工期間由于各分部分項之間缺乏協調，返工和因為不同系統集成不良而產生的建筑廢物進行監控并作出提醒。

現有的研究表明，BIM技術有助于減少翻新項目中的廢物產生，這是可持續建筑的一個突出方面體現。例如上海中心大廈，已經表現出使用基于BIM的生命周期管理方法的許多好處，其能夠實現低于8%的材料浪費率，目前世界上發達國家的平均材料浪費率為10%。

在建筑物的運營階段，對建筑物的綠色環保性能進行監控非常重要，這有助于建筑設計師，業主和承包商做出環保決策（沃爾克，施騰格爾和舒特曼 2014）。BIM軟件（如建筑物的能耗評估）提供了能源績效指數的圖形可視化參數。

BIM技術給參與項目維護和施工的不同利益相關者之間提供了一個共同的集成平臺，因此加強了他們之間的溝通和協作。社會可持續性發展可以通過這種方式加強，因為共同平臺為不同的利益相關者提供了一個加強聯系的機會。然而，由于利益相關者缺乏對與之相關的好處的認識，缺乏對運營和管理的信息交換的正確定義，并且沒有充分的定義符合建筑行業標準和從業人員指南，因此BIM在項目管理中的使用仍然有限[2]。

3 BIM功能可針對的主要環保問題

3.1 水資源的使用問題

根據現有研究的數據，BIM技術可以根據建筑物中的居住人數以及建筑物的目的或類型來估算現有建筑物的用水量。BIM相關的工具除了能夠將模擬估算結果轉換為水成本報告并幫助房屋給排水系統進行優化之外，還有助于建筑物的建設方對給排水系統的未來翻新工程做出決策。然而，BIM工具對用水量的估計并不是十分精準，因為實際中還會有一些客觀因素因素存在，如項目的地理位置和居住者的使用行為變化等。

3.2 自然通風系統

在世界范圍內，建筑工程消耗的資源占資源使用的最大百分比。BIM應用可以用于評估和優化現有建筑物的通風系統，改良能源消耗方式，并提高建筑物的熱舒適度（巴爾察維亞斯 1999）。BIM技術也能夠模擬計算自然通風對建筑物的供暖和制冷系統的影響。

BIM技術可以應用在通風系統中的另一個方面是它可以幫助建設單位或者設計單位通過BIM模擬出來的結論選擇使用混合或自然模式的通風方式，例如交叉通風，單側通風，開放式通風等（德尼茲，埃辛 2015），有助于各方為現有建筑物選擇最有效和最可靠的機械通風方法。因此，BIM模型的使用可以減少通風產生的能源浪費，這對推行可持續發展理念也有著重大的意義。

3.3 太陽輻射和照明情況分析

BIM軟件可以對建筑物的內部和外部照明情況進行分析，它可以顯示一天中不同時間段太陽相對于建筑物的位置，通過對太陽位置的分析，設計單位可以優化窗戶的位置及其尺寸，從而優化建筑的照明情況（帕姆，愛德華2016）。BIM中的軟件還可以評估太陽的熱量增益和損失以及建筑物表面上輻射熱的交換，工程師和設計師可以根據BIM軟件計算出的數據選擇最佳材料。建筑物的內部和外部遮陽方式可以使用BIM軟件來確定。BIM軟件用于通過采用詳細的照明條件分析來提高日光和視覺舒適度的利用率（庫斯 2015）。BIM還能夠概述照明條件的性能，以便工程師和設計師能夠在翻新和改造之前評估其性能。

盡管有上述所有好處，但發現BIM與照明和太陽輻射模擬的集成有一個主要問題被不同的利益相關者提出，那就是模擬信息不足。大多數研究認為，BIM軟件中的信息是創建用于照明模擬工具（如DAYSIM和Radiance）的文件所必需的。

3.4 熱舒適性

建筑物的舒適性應由居住者的居住舒適性來判定。許多現有建筑的設計在沒有考慮熱舒適能力。決定熱舒適水平的主要因素包括氣溫、代謝率、穿著、風速和濕度。BIM應用程序通過模擬上述因素來評估熱舒適度。

在Revit中生成的模型（如IES-VE）可以模擬居住者在不同因素影響下對建筑熱舒適度進行的評價，可以得出對建筑物熱舒適性不滿意程度的百分比，通過模擬得出的評價及不滿意度就可以作為評價建筑物熱舒適性的參考。

4 BIM技術在能源效率方面的應用

4.1 能源模擬和優化

基于BIM模型，可以使用能源分析軟件（如EnergyPlus、eQuest、DesignBuilder 等）對建筑物的能源消耗進行模擬。這些軟件利用建筑物模型的信息，結合氣候數據和能源系統參數，模擬建筑物在不同條件下的能源消耗情況。能源模擬可以評估建筑物的整體能耗水平，包括供暖、制冷、通風、照明等方面。能源模擬可以提供關于建筑物能源性能的詳細信息，如能源消耗量、能源成本、CO2排放量等。通過對不同設計方案和策略進行模擬，可以比較它們的能源效益，從而選擇最佳的設計方案或改進措施。能源模擬還可以用于預測建筑物的能源消耗趨勢，評估節能措施的有效性，并為能源管理和決策提供依據[3]。

在能源優化過程中，BIM模型可以與優化算法和工具集成，以尋找最佳的能源設計方案。通過對建筑物模型進行參數化和參數優化，可以探索不同的設計變量和策略，以找到最佳的能源性能方案。

例如，可以通過調整建筑物的外墻保溫材料、窗戶類型和尺寸、建筑方向等參數來優化建筑物的能源消耗。通過與BIM模型的集成，優化算法可以自動調整這些參數，并評估每個設計方案的能源性能。優化過程可以迭代多次，直到找到最佳的能源優化方案。能源優化還可以結合其他建筑系統的優化，如照明系統、空調系統、太陽能系統等。通過綜合考慮不同系統的優化需求，可以實現整體能源效益的最大化。

4.2 可再生能源的集成

可再生能源的集成是指將太陽能、風能、地熱能等可再生能源系統整合到建筑物中，以減少對傳統能源的依賴，實現能源的可持續利用。BIM技術在可再生能源集成方面發揮了重要作用。首先，BIM可以支持可再生能源系統的建模和設計。通過BIM軟件，可以對太陽能光伏系統、風力發電系統或地熱能系統進行建模，包括組件、設備和連接方式。這使得設計團隊能夠更好地規劃和布局可再生能源系統，以最大程度地利用可再生能源資源。其次，BIM技術可以用于模擬和評估可再生能源系統的性能。通過能源模擬軟件的結合，可以對建筑物在不同條件下的能源消耗和可再生能源供應進行模擬分析。這有助于評估可再生能源系統的潛在貢獻，包括發電量、系統效率和經濟性等指標。基于這些模擬結果，設計團隊可以進行系統優化，確保可再生能源系統的有效集成和最佳性能。

4.3 節能設備和控制系統的優化

節能設備和控制系統的優化是通過BIM技術在建筑設計和運營階段對能源消耗進行分析和改進，以實現能源效率的提升和節能目標的達成。首先，BIM可以在建筑設計階段支持節能設備和控制系統的選擇和布局。通過BIM模型，設計團隊可以模擬和評估不同節能設備的性能和影響，包括高效照明系統、智能空調系統、節能建筑外殼等。BIM可以提供對設備和系統的三維可視化，幫助設計團隊更好地理解和決策，以選擇最佳的節能設備和控制系統。其次，BIM技術結合能源模擬軟件可以對節能設備和控制系統進行性能模擬和優化。通過能源模擬，可以評估不同設備和系統配置對能源消耗的影響，并進行能源效益分析。這有助于設計團隊調整設備參數、優化控制策略，以最大程度地降低能源消耗并滿足節能目標。BIM模型與能源模擬的結合還可以提供對建筑能源效率的可視化，幫助設計團隊和利益相關者更好地理解和評估節能措施的效果。第三，BIM技術可以支持節能設備和控制系統在運營階段的監測和管理。通過將BIM模型與建筑物的自動化系統和數據采集系統進行集成，可以實時監測和分析節能設備的運行情況和能源消耗數據。這有助于發現潛在的能源浪費和性能問題，并及時采取措施進行調整和優化。通過運營階段的數據反饋和分析，可以不斷改進節能設備和控制系統的性能，提高能源效率。

5 結語

BIM技術在建筑的運行維護和設施管理方面具有很大的潛力。然而，BIM在運營和設施管理方面的效益還沒有完全實現，這是因為大多數現有建筑沒有BIM模型，為現有建筑創建BIM模型是一個非常具有挑戰性的過程。本文從現有建筑的設施管理和運營的角度分析了現有建筑的BIM的現狀，并對BIM技術在綠色建筑可持續發展方面的應用進行了展望。可以看到，BIM技術在建筑運行階段可以在許多方面體現出優勢，例如，應用BIM技術可以更好地進行設施管理的生命周期分析，可以分析可持續和高效的能源使用情況，可以改善成本效益，加強安全運營和管理，減少維修工作。

通過本文中的分析可以發現，BIM為建筑業實現一些目標提供了很大的幫助。BIM為不同專業及職能的工作人員提供了一個及時有效溝通的良好平臺，不僅大大提高了他們的工作效率和質量，還為當事人節省了大量的成本。通過BIM對建筑物的生命周期進行分析，當一些建筑構件達到使用壽命結束時，可以有選擇地回收，從而節省了未來建筑施工的成本，也對環境起到了很好的保護作用。