基于BIM技術的綠色大型公共建筑設計研究

摘 要：采用BIM 技術可以對對建筑進行全生命周期管理，從而提高大型公共建筑的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。本文旨在探討基于BIM技術的綠色大型公共建筑設計方法，通過使用BIM軟件創(chuàng)建建筑模型，保證建筑結(jié)構、空間布局更為協(xié)調(diào)，并通過能源模擬和優(yōu)化，降低建筑實際能耗，提高綠色大型公共建筑設計的協(xié)同性和一致性，全面考慮建筑環(huán)保性能，為推動綠色建筑發(fā)展提供理論支持和實踐指導，促進可持續(xù)城市建設與發(fā)展。

關鍵詞：BIM技術；綠色節(jié)能；公共建筑設計

中圖分類號：TU 71" 文獻標志碼：A

在綠色建筑中，大型公共建筑的設計與建造尤為關鍵，其規(guī)模大、影響力廣泛，因此對環(huán)境保護和可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)設計方法往往缺乏對施工和運維階段的考慮，導致設計與實際施工存在差距，影響工程質(zhì)量和效率。而BIM技術可以對施工過程進行模擬和優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)問題并進行調(diào)整，減少施工期間的變更和錯誤，提高建筑的施工質(zhì)量和效率[1]。同時，在建筑運維階段，可以將BIM模型作為數(shù)字化管理的基礎，為后續(xù)維護和管理提供方便。因此，本文將重點關注基于BIM技術的綠色大型公共建筑設計方法，從收集基礎數(shù)據(jù)、創(chuàng)建建筑模型、能耗優(yōu)化和管理、智能控制系統(tǒng)集成等方面進行深入探討，以推動綠色建筑理念在大型公共建筑領域的應用與推廣，促進建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為未來城市的綠色化建設貢獻力量。

1 工程概況

該綠色大型公共建筑項目位于城市中心，總建筑面積為89661㎡，建筑群共分為A、B、C這3個功能區(qū)，總層數(shù)為7層。該綠色大型公共建筑設計充分考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，在外觀布局、功能分區(qū)、節(jié)能環(huán)保等方面的要求極高。在綠色大型公共建筑的設計階段，利用BIM工具創(chuàng)建三維建筑模型，最大程度利用可用空間，降低建筑能耗。在施工和實際應用階段，使用BIM技術進行智能控制系統(tǒng)集成，優(yōu)化建筑設備。利用BIM技術，將可再生能源利用、節(jié)水、節(jié)能、循環(huán)利用等理念融入建筑設計中，以實現(xiàn)高效、環(huán)保的建筑設計目標。

2 BIM技術在綠色大型公共建筑設計中的應用可行性

BIM技術是建筑信息模型（Building Information Modeling）的簡稱，它是一種基于三維模型的數(shù)字化建筑設計和管理方法[2]。BIM技術通過將建筑的幾何形狀、空間關系、材料屬性等信息整合到一個統(tǒng)一的模型中，對建筑全生命周期進行管理與協(xié)同。BIM技術在綠色大型公共建筑設計中的應用，如圖1所示。

BIM技術在綠色大型公共建筑設計中的應用可行性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，BIM技術可以在設計階段提供全面的可視化信息，幫助設計師更好地評估和優(yōu)化建筑的綠色性能。通過使用BIM軟件，設計師可以模擬建筑的能源使用情況、采光效果、通風系統(tǒng)等，評估建筑的能耗和環(huán)境影響。同時，BIM技術可以進行碳排放計算和生命周期分析，幫助設計師選擇合適的材料和技術，以減少建筑在使用和運營過程中的環(huán)境負荷。

其次，BIM技術支持多專業(yè)的協(xié)同工作，有利于設計團隊在綠色建筑設計中的合作與溝通。在傳統(tǒng)的設計過程中，不同專業(yè)之間的信息交流和協(xié)調(diào)常常存在困難，導致綠色設計的效果不佳。而BIM技術可以將建筑的幾何、結(jié)構、設備等信息整合到一個統(tǒng)一的模型中，各專業(yè)可以在同一個模型上進行設計和修改，實時共享信息和交流意見。這種協(xié)同工作的方式可以提高設計效率和質(zhì)量，保證綠色設計的一致性和可持續(xù)性。

最后，BIM技術在建筑施工和運營階段也有助于綠色大型公共建筑的管理與監(jiān)控。通過與建筑信息模型進行集成，可以對建筑的能源消耗、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量等進行實時監(jiān)測和分析，以便及時發(fā)現(xiàn)并解決問題[3]。同時，BIM技術還可以用于建筑的維護計劃和設備管理，提高運營效率和節(jié)約資源。這些功能使綠色大型公共建筑可以更加智能、高效地運行，減少不必要的能耗和環(huán)境污染。

3 基于BIM技術的綠色大型公共建筑設計方法

3.1 收集基礎數(shù)據(jù)

當利用BIM技術對綠色大型公共建筑進行設計時，收集基礎數(shù)據(jù)是一個關鍵的步驟，包括對項目所處環(huán)境進行調(diào)研和數(shù)據(jù)收集，例如氣候條件、地形狀況、建筑周圍的環(huán)境特征等。同時，還須收集與建筑設計相關的數(shù)據(jù)，例如場地信息、建筑物參數(shù)等。使用DJI Phantom 4 Pro無人機進行航拍，獲取建筑周邊地區(qū)的空照圖片，并通過后期處理獲取高程、坡度等地形數(shù)據(jù)。使用FARO FocusS150激光掃描儀對建筑物進行掃描，獲取準確的建筑物三維數(shù)據(jù)，包括立面、平面、結(jié)構等信息。配置激光掃描儀的掃描分辨率為每像素0.01mm，掃描密度為1000點/㎡，以提供更精細的細節(jié)，最大掃描距離達到150m，有效掃描范圍約為水平360°和垂直300°，保證點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和密度。對掃描數(shù)據(jù)進行濾波、配準、拼接等操作，將不同位置的掃描數(shù)據(jù)進行精確對齊，點云之間距離的計算公式如公式（1）所示。

d（P，Q）=（1-N）·∑||Q-T（P）||2 （1）

式中：d（P，Q）為點云P和Q之間的距離；N為點云中的點數(shù)；||Q-T（P）||2為每個對應點的平方歐氏距離，即Q中的點與通過T變換后的P中的對應點之間的距離。給定兩個點云數(shù)據(jù)集P和Q，假設它們經(jīng)過對齊后的剛體變換矩陣為T，衡量兩個點云之間的相似程度[4]。通過優(yōu)化變換矩陣T，實現(xiàn)點云精確對齊，收集綠色大型公共建筑設計所需的基礎數(shù)據(jù)，以便后續(xù)生成高質(zhì)量的三維模型和點云數(shù)據(jù)，促進綠色建筑設計的實施和優(yōu)化。

3.2 創(chuàng)建建筑模型

基于收集到的數(shù)據(jù)，利用Revit軟件作為BIM工具，將數(shù)據(jù)迅速轉(zhuǎn)化為三維模型。定義建筑模型的整體結(jié)構，確定建筑的整體形狀、樓層數(shù)量、布局等，并根據(jù)設計需求進行初步分析和規(guī)劃[5]。利用Revit軟件工具繪制建筑各個樓層的基本幾何形狀，包括墻壁、樓板、柱子等。根據(jù)設計需求，在模型中添加建筑內(nèi)部元素，例如門窗、樓梯、電梯等，并將各類系統(tǒng)（例如供電、供水、通風等）的組件添加到模型中，保證系統(tǒng)元素與公共建筑結(jié)構、空間布局相協(xié)調(diào)。創(chuàng)建建筑模型的流程圖，如圖2所示。

為了更好地模擬建筑物的真實性能和特征，需要為建筑模型分配材料和屬性。根據(jù)建筑構件的功能和要求，為其分配適當?shù)牟牧蠀?shù)和屬性信息，例如強度、導熱系數(shù)、反射率等。在創(chuàng)建建筑模型的過程中，利用交叉熵損失函數(shù)，衡量模型結(jié)果與真實標簽之間的差距，保證模型的準確性、完整性和一致性。計算過程如公式（2）所示。

ζ=-∑（ψ·log（ψ'）） （2）

式中：ψ為真實標簽；ψ'為模型結(jié)果。log為自然對數(shù)。通過獲取損失值ζ，能夠有效地衡量模型預測的準確性，并且在反向傳播過程中提供明確的梯度信息，從而有助于對模型進行訓練和優(yōu)化。

將建筑模型導出為可供其他軟件使用的IFC格式，以便后續(xù)進行協(xié)同設計。通過Revit客戶端或Revit云端，多個成員可同時訪問建筑模型，實時共享設計信息，編輯和查看模型的特定部分，通過迭代的方式逐步完善設計方案，以保證建筑模型正確創(chuàng)建。

根據(jù)不同項目的需求和標準，對最小間距等檢測規(guī)則和限制條件進行設置。計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：（x1，y1）為第一個元素的中心點坐標；（x2，y2）為第二個元素的中心點坐標。利用Revit軟件提供的模型檢查工具，例如“審閱”“查找和標記”或“沖突檢測”等，對建筑模型進行檢查和驗證，自動分析模型中各元素（例如結(jié)構、機電、管線等）的位置、尺寸和屬性等信息，查詢并解決構件重疊、尺寸錯誤和沖突等問題，提高設計的質(zhì)量和效率。在完成必要的調(diào)整和修正后，再次運行碰撞檢測工具，以確認模型中的沖突和錯誤已得到解決。如果再次檢測結(jié)果顯示沒有沖突，即可確定模型已經(jīng)通過了碰撞檢測。通過及時發(fā)現(xiàn)和解決這些沖突，避免后期施工和運營階段的問題，實現(xiàn)高效、準確和協(xié)調(diào)的綠色大型建筑設計，從而提高設計質(zhì)量和效益。

3.3 能源優(yōu)化和管理

結(jié)合建筑的實際情況，利用Revit軟件進行能源模擬和優(yōu)化，對建筑的能源需求進行分析。通過收集和整合建筑各種數(shù)據(jù)，例如使用功能、建筑材料、設備配置等信息，得出建筑的能源使用情況和未來的能源需求。建筑能耗EC的計算過程如公式（4）所示。

EC=∑（Pi·Ai·Ci·Di·Ri·Ti） （4）

式中：Pi為建筑物各個功能區(qū)域的能耗比例；Ai為對應區(qū)域的面積；Ci為對應區(qū)域的能耗系數(shù)；Di為對應區(qū)域的天氣系數(shù)；Ri為對應區(qū)域的建筑朝向系數(shù)；Ti為對應區(qū)域的運行時間系數(shù)。利用BIM工具計算建筑物的碳排放量，CO2排放量V的計算過程如公式（5）所示。

V=·c （5）

式中：為能源消耗；c為碳排放系數(shù)。基于碳排放量目標，采取相應的減排措施，例如使用可再生能源、改善能源利用效率等。為保證公共建筑達到合格的舒適和實用程度，計算室內(nèi)環(huán)境舒適度PMV，如公式（6）所示。

PMV=m-w-k-z-r （6）

式中：m為新降溫指數(shù)；k為內(nèi)部工作熱量；z為冷風參數(shù)；r為輻射溫度。根據(jù)PMV的數(shù)值范圍，可以判斷舒適度的級別，設定PMV在-0.5～+0.5表示舒適。將能耗最小化、室內(nèi)舒適度最大化、設備利用率最優(yōu)等作為優(yōu)化目標，將建筑材料、設備類型、控制策略等作為基因，編碼成二進制字符串的表示形式。將隨機生成一定數(shù)量的個體作為初始種群，每個個體都代表一組參數(shù)的可能取值。使用建筑模型對每個個體進行適應度評估，獲取綜合能耗指標EI，計算過程如公式（7）所示。

EI=W1·E1+W2·E2+W3·E3+…+Wn·En （7）

式中：E1、E2、E3…En 分別為不同的能源指標，例如建筑能耗、碳排放、室內(nèi)環(huán)境舒適度等；W1、W2、W3…Wn為對應能源指標的權重，用來調(diào)整各項指標的重要程度。通過不斷迭代執(zhí)行，直至達到預設的迭代次數(shù)或達到一定的收斂條件，得到能源優(yōu)化的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。根據(jù)能源模擬結(jié)果，對建筑的朝向、外墻隔熱、采光設計、建筑構造和設備選型等方面進行優(yōu)化：優(yōu)先選擇合適的朝向，例如朝南或朝陽的方向，以最大程度地利用自然光和太陽能資源，減少對人工照明和空調(diào)系統(tǒng)的需求，從而節(jié)約能源。選擇高效的外墻隔熱材料，例如保溫板、中空玻璃、雙層幕墻等，提高建筑外墻的隔熱性能。合理布置窗戶位置和面積，選擇適當?shù)恼陉柎胧绨偃~窗、遮陽篷等，最大限度地利用自然光照，減少人工照明。選擇節(jié)能環(huán)保的建筑材料，例如使用高強度、輕質(zhì)的鋼結(jié)構或預制混凝土結(jié)構，減少資源消耗。在建筑構造中避免冷、熱橋效應，提高整體保溫性能。使用高效的供暖和制冷設備，例如熱泵系統(tǒng)或地源熱泵系統(tǒng)，選擇節(jié)能型燈具、水暖器具。

通過合理選擇建筑材料、采用節(jié)能設備、優(yōu)化建筑外墻保溫等方式，降低綠色大型公共建筑的實際能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

3.4 智能控制系統(tǒng)集成

通過BIM技術與智能控制系統(tǒng)集成，可以實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)建筑的能源消耗、溫濕度等參數(shù)，提高能效性，對建筑設備進行遠程監(jiān)控、調(diào)控和優(yōu)化。需要在建筑內(nèi)部和外部合適的位置安裝各種傳感器，例如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等，并進行采樣頻率、傳感器類型、數(shù)據(jù)精度等參數(shù)設置，以提供給智能控制系統(tǒng)。采用“有線+無線”的網(wǎng)絡傳輸方式，將數(shù)據(jù)實時傳輸至云平臺或本地服務器。在智能控制系統(tǒng)接收到傳感器數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理和分析。在Revit軟件中，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法對數(shù)據(jù)進行趨勢分析、異常檢測等操作，以獲取建筑內(nèi)部環(huán)境的狀態(tài)和趨勢。卷積操作的計算過程如公式（8）所示。

C[i，j]=∑∑（I[x，y]·F[i-x，j-y]） （8）

式中：C[i，j]為輸出特征圖中的像素值；x和y為輸入特征圖中的像素索引；i和j為輸出特征圖中的像素索引。對建筑外立面進行圖像分析，對溫度、濕度、光照等信號進行濾波和特征提取，用來評估建筑的能源效率、室內(nèi)舒適性等指標，從而優(yōu)化設計和控制方案。根據(jù)溫度和濕度數(shù)據(jù)來控制空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)光照數(shù)據(jù)來控制照明系統(tǒng)，根據(jù)CO2濃度來控制通風系統(tǒng)等。當進行建筑異常檢測時，使用自編碼器等網(wǎng)絡結(jié)構進行重構，將重構誤差與設定的閾值進行比較，得到異常得分β，計算過程如公式（9）所示。

β=γ/ （9）

式中：γ為重構誤差；為閾值。如果重構誤差超過了閾值，即異常得分大于1，就可以判斷為異常，并觸發(fā)相應的建筑環(huán)境異常檢測和警報功能，從而提供建筑環(huán)境的異常檢測和警報功能，對建筑進行智能化監(jiān)控、自動化控制。此外，智能控制系統(tǒng)提供可視化界面和用戶交互功能，使用戶可以直觀地了解建筑環(huán)境的狀態(tài)，用戶可以通過手機應用、電腦界面或者觸屏設備來監(jiān)控和調(diào)整建筑設備的工作狀態(tài)，并進行手動干預。從而對建筑能源消耗進行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，提高能效性，優(yōu)化建筑設備的運行，實現(xiàn)綠色建筑的目標。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM技術作為一種集成化的建筑信息管理工具，通過數(shù)字化建模和多維數(shù)據(jù)交互，能夠提供全面的建筑信息，對建筑生命周期進行全程管理，使其從設計、施工到運營和維護都能夠得到有效優(yōu)化和控制。此外，BIM技術還能夠提高建筑設計團隊的協(xié)作效率，減少誤差和沖突，為項目的可持續(xù)發(fā)展提供堅實的基礎。未來，希望BIM技術能夠進一步應用于建筑行業(yè)，推動建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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