BIM建筑性能分析应用价值探讨

何 波

(华中科技大学BIM工程中心，武汉 430074;广州优比建筑咨询有限公司，广州 510640)

建筑项目的景观可视度、日照、风环境、热环境、声环境等性能指标在开发前期就已经基本确定，这些性能指标直接关系到建筑可持续发展、使用人员的舒适度、建设成本以及运营维护成本等，但是由于缺少合适的技术手段，目前在实际项目建设过程中，大部分项目仍然以合规验算和定性分析为主要手段，很难有足够时间和费用对上述各种性能指标进行多方案分析模拟。BIM技术以其富含信息的多维建筑模型为上述建筑性能分析的普及应用提供了可能性。

1 项目景观分析

不论是商业地产项目还是住宅地产项目，环境景观是项目定位一个很重要的因数。电脑效果图的出现为地产开发项目带来巨大的影响，可以说电脑效果图在项目的开发前期、尤其是在项目的营销阶段起到非常重要的作用，它是展示项目的一个最形象、最直观、最低成本的方法之一。但是，随着电脑效果图的普及，特别是对于美化后的电脑效果图与真实环境的差异对比，人们对于电脑效果图的真实性也提出了更高的要求:不仅需要美感、也要真实。这个需求不仅来自于业主客户，也来自于开发商自己。

虽然电脑效果图可以制作得很美观、但缺少真实数据的支持。

不可否认，当今电脑技术模拟真实世界的技术水平已经达到几可乱真的境地，而且还将继续发展。好莱坞众多大片展现的电脑特效，已经可以乱真，但“逼真”与“真实”是有本质区别的!

我们说电脑效果的真实性有两方面，一是效果表现逼真、二是与真实世界相符。例如电脑模拟一个人可以到达很像人类，让你几乎看不出是电脑制作出来的，我们说这是表现逼真，但是，要电脑模拟这个人像某个真实世界的人，譬如说你自己，就会有差异，至少目前电脑的技术水平还难以达到，这就是表现逼真但与真实世界有差异，这是电脑效果的真实度方面的局限性之其一。

电脑效果的真实度方面的局限性之其二，也是我们认为最重要的一点，即使电脑效果技术可以到达了与真实世界已经差异无几的境地。但是，它的表现还是只能以“点”来表现。例如，在项目区域，有一个价值比较高的景观，譬如:一座山、一条河、一片海、或是城市的某个地标性标志建筑，当然可以做一些电脑效果图来表现项目建成后与这些环境的融合效果，我们知道这是以视点的“点”来表现，我们还可以把这些“点”连串起来，也就形成所谓的“动画”，但这些都是以视点往景观方向看的结果(如图1所示)，显然如果我们要完整评估整个项目各个位置的视点的景观价值，这种方法将工作量巨大，所以基于这种方法只能采用有限的“点”来表现，因此无法全面、科学地评估。

BIM技术的应用，可以从另一角度，或者说是与电脑效果图的“视线”的反方向来进行分析，也就是说我们把项目BIM模型与环境场景位置精确定位后，从价值比较高的景观反算出项目各位置、对于该景观的可视度。

根据需要，可以选择模型中任意的位置，准确的讲就是任意的面，通常这些面就是窗户、阳台等，经过软件分析计算，从而得出景观物体在这些面的景观可视度的数据，可以通过颜色、数值等多种不同的、直观的表现形式展现其景观可视度的情况。例如，把小区的戏水池作为景观物体，对于小区其中一栋住宅的主卧室的窗户进行分析，计算出在某个单元的某个窗户在不同楼层对于戏水池的可视度(如图2所示)。

这样就可以比较全面地评估任意位置的景观可视度，从而为项目的整体评估提供较全面、科学的依据。

2 项目环境日照分析

国家已经在建筑设计相关规范中规定了日照标准，随着人们对居住品质的要求不断提高，对日照的认识、要求也提到空前的高度，尤其是我国的北部地区，纬度较高，人们对日照的重视度也较高，据有关资料显示，日照和建筑间距信访量占城市建设相关总信访量比例不断飙升，房屋的日照纠纷已经不容忽视。而且对于地产开发，日照情况的好坏也决定了房屋的价值。因此，如何合理利用土地资源，通过科学的手段做出日照情况良好的设计是地产开发一个重要的环节。

目前，比较常见的方法是多方案比较。由于每一个方案都需要大量时间制作，因此也不可能做太多的对比的方案，所以大多数情况还得靠经验来主观衡量，从而导致了日照的准确性不够理想。另外一个问题是目前的建筑设计还是以二维设计为主，对应体型比较复杂的建筑物，常规的日照计算软件可能误差较大，这将留下日照纠纷隐患。

BIM技术的引入，大大提高了日照计算的效率，尤其是提高体型复杂的建筑物的日照精确度。由于计算效率的提高，也使多方案比较变得相对容易实现。

BIM是可以贯穿建筑整个生命周期的数据载体，在不同的阶段、不同的专业应用可以具备不同的“维度”，换句话说，它可以在不同的阶段，根据不同的需要创建保存、或提取所需要的信息，模型的详细度也随着阶段的不断深入，逐步地细化。

在项目方案阶段，BIM建模可以是概念模型，它可以只有大致的尺寸和造型，但却可以提取出面积、容积率等基本数据(图3)。

只要具备项目的地理位置、朝向，把项目概念模型放入该地形图中，就可以计算出任意时间的日照情况(图4)。

由于基于BIM的概念模型具备比较随意的拉伸、旋转、变形等参数化控制，所以，可以根据日照计算结果，很方便地进行调整模型，而关联的面积、容积率等数据也随即变化。所以，我们可以及时地获取到不同设计方案的日照结果和面积、容积率等数据。(图5)

此外，还可以针对某一天进行计算分析，得出这一天日照在各个时间点的阴影情况(如图6)。这样可以很直观地评估建筑物之间阴影的情况，从而可科学、方便地优化和调整楼宇之间的位置、高度、体型。在已经固定的规划设计要求范围内，创造出更高品质项目。

3 项目风环境分析

空气是人类赖以生存的必要条件，但随着城市化的发展，城市面积逐步扩大，城市人口增加，各种影响空气质量的排放也随即增多，工厂、汽车等废气排放给城市带来难以避免的空气污染问题。虽然、国家、政府乃至企业都在积极推行技术改造、节能减排，但短时间内还很难从根本上解决空气污染的问题。从大的城市环境来讲空气质量问题是客观存在的，对于房地产开发来说，虽然大环境不好改变，但在客观存在的前提下，采用先进的分析手段，通过调整建筑设计的朝向、造型、自然通风组织等方法，充分利用大自然的风向流动，改善项目的风环境，减少空气龄的时间，从而提高空气质量，满足人们对健康环境的追求。此外，良好的自然通风，在南方夏季炎热的天气还可带走建筑物的热量，减少冷负荷，达到一定的节能作用，这将在后面章节再详细讨论。

提高空气质量一个重要的手段首先是改善建筑物外环境的空气自然流动，减少室外空气龄的时间，因为只有外部空气质量改善了，才有条件提高室内的空气质量，否则，如果室外空气质量都不好，室内空气质量改善也就无从说起。

因此，在项目规划设计时，就要先进行项目环境的风环境分析。首先，把周边环境的基本体量模型建立起来，再加上项目本身的方案模型，根据当地的气象数据，进行风环境模拟分析，得出空气的流动形态，然后再进行设计调整。

风环境模拟分析主要内容包括:空气龄、风速和风压。

(1)空气龄分析

主要是分析空气在某一点的停留时间，空气停留时间越长，说明空气流通就越差，通过计算模拟后，可以得出空气龄分布图(图7)。从这张图的空气龄的分布情况看，红颜色区域表示空气龄比较长，空气就比较混浊，而蓝色区域表示空气龄比较短，空气质量相对较好。

对于住宅项目，通过对空气龄的分析，调整优化户型布局，可以提高其性能，从而提高项目品质和开发商销售效益。

而对于大型公共商业项目，良好的自然通风设计可以减少机械强制通风所需的能耗，同时合理的通风空调设计可以提高人的舒适度，提高商业项目的品质。

(2)风速分析

风速分析主要是考虑两方面的因素:一是公共商业建筑室内通风空调区域的风速给人造成的不舒适;二是城市高楼集中区域，自然风受到高楼的阻挡在局部区域产生强风，从而导致行人行走困难，附件商店、广告牌被吹翻等问题，国外还出现过因高楼局部产生瞬间强风使行人受伤导致民事诉讼。

夏季人体感觉比较舒适的风速在0．5～1m/秒，通常风速的允许极限是在10m/秒，而风速在14～17m/秒就会导致步行困难，按照中国气象报社2010年发布的数据，平均风速在17．2～20．7m/秒为8级大风，可以折毁树枝，对户外的商店摆设、广告牌等就可能造成损坏。所以，通过项目环境的风速分析，避免高楼局部区域产生的强风，可以提高项目的品质，降低项目的风险。

(3)风压分析

项目环境的风压分析，与前面讲到的空气龄、风速是互相关联的，通常风速大，风压也大。风速大，空气流动快，空气龄就短。项目环境的风压分析，对于主要利用自然通风的住宅是比较有作用，尤其是在我国南方夏季气温较高地区，良好的自然通风是提高舒适度的基础。

对于自然通风的室内空气流动，主要是靠室内外空气压力差产生——换气动力。所以，如果住宅在夏季季候风的迎风面上形成一定的风压，就会产生室内空气流动的动力，只要打开窗户，外边新鲜空气就进入。当然，户型设计也很关键，如同上述的空气龄分析一样，良好的平面布局，合理的门窗位置，都是改善室内空气自然流通的关键因素。综合上述所讲的空气龄、风速、风压三个方面的分析模拟，项目设计就可以综合考虑项目的使用功能，景观视线，自然采光，空气自然流动的路线等因素，提高项目的品质。

4 项目环境噪音分析

安静是良好环境的其中一个重要条件，现代城市人白天工作紧张，家是最好的港湾，辛苦一天能睡个安稳觉是身心修复的最佳办法。然而随着城市建设的高速发展，建筑密度增大，道路行驶的汽车增多，城市噪音污染也随即增大。2008年8月19日国家环保部颁布了新的《社会生活环境噪声排放标准》，明确规定医院病房、住宅卧室、宾馆客房等以休息睡眠为主、需要保证安静的环境，最高级别是夜间(22时至次日6时)噪声不得超过30分贝，白天(6时至22时)不得超过40分贝。当然，衡量噪音的分贝值对于大多数非专业人士来讲是一个抽象的数值。为了使读者能够有感性的认识，表1列举了摘自百度百科的关于音量分贝类比:

表1 音量分贝类比

项目环境噪音分析，就是把项目周边已存在的、我们无法改变的现状:诸如道路、人群活动比较多的广场、娱乐场所等产生噪音比较大的噪音源放入到项目模型中进行分析模拟(图9)。

通过分析模拟，对受噪音影响比较严重的户型，选择双层玻璃、隔音楼板和隔音墙体、吸音材料、调整窗户方向避免噪音直线传播等措施。增加挡音墙、种植隔音效果较好的树木等等，改善整体项目噪音环境。

5 项目环境温度分析

人体对于空气的温度是比较敏感的，人感觉舒适的温度还与湿度、风等要素有关，我国的设计规范要求室内温度夏季在24～26℃ ，冬季在16～20℃。然而我们都知道，如果要采用非自然的保温措施，是需要消耗大量能源的。

2010年10月28日中国建设报在《我国的建筑能耗现状与趋势》提到:“我国北方城镇采暖能耗占全国建筑总能耗的36%，为建筑能源消耗的最大组成部分。单位面积采暖平均能耗折合标准煤为20kg/m2·年，为北欧等同纬度条件下建筑采暖能耗的2～4倍。能耗高的主要原因有3个。一是围护结构保温不良。二是供热系统效率不高，各输配环节热量损失严重。三是热源效率不高。由于大量小型燃煤锅炉效率低下，热源目前的平均节能潜力在15% ～20%。”

因此，良好的建筑围护结构保温，是节省能耗的一个重要措施。此外，按照我国《公共建筑节能设计标准》提到:“在冷却工况下，室内计算温度每升高1℃，能耗可减少8% ～10%。”用通俗一点的说法就是在夏天制冷时，我们把室内温度设定每升高1℃，能耗可减少8% ～10%。对于南方需要空调降温时间比较长的地区，如果自然通风环境良好，就可以减少空调制冷时间，同时如果室外自然温度较低时，室内制冷的能耗也相应下降。

项目环境温度分析，主要有两项工作:一是项目小区域的温度分析;二是室内温度分析。通过建立项目区域BIM模型，结合相关气候数据属性，分析模拟出项目区域的热环境情况，如图10红色区域为温度比较高的地方。

根据分析结果，调整环境设计，譬如调整建筑物布局，改善自然通风路线，增加水景、绿化等措施，以降低局部区域温度等等。

由于目前建筑设计在采暖、制冷的设计计算时，主要是考虑建筑自身的设计和计算，对于建筑外部空间的热环境分析是很少顾及的。而实际上外部空间的热环境对室内温度的影响是很大的，尤其是南方夏季温度较高地区，生活体验也都告诉我们，如果室外通风良好、绿化、水景较多，感觉就凉爽一些。因此，项目区域的温度分析，是保障项目整体环境的一个重要手段。

对于室内温度分析，我们在BIM模型里，加入建筑围护结构的热特征值，诸如导热系数、比热、热扩散率、热容量、密度等数据，除了通常的冷热负荷计算，也就是室内设定的温度范围内，冬季的供暖和夏季的制冷最大值计算外，还进行全年的室内温度分析，优化室内温度的设定值。

前述已经提到，我国《公共建筑节能设计标准》提供的参考数据:“在加热工况下，室内计算温度每降低1℃，能耗可减少5% ～10%;在冷却工况下，室内计算温度每升高1℃，能耗可减少8% ～10%。为了节省能源，应避免冬季采用过高的室内温度，夏季采用过低的室内温度……”。因此，通过全年的室内温度分析，优化室内温度的计算值，继而优化供暖和制冷系统，实现在满足舒适度的前提下减少能耗，节约使用成本。

图13 全年能耗分析结果

［1］何关培．BIM在建筑业的位置、评价体系及可能应用［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(1):109-116．

［2］李腾．BIM在绿色建筑评估体系的室内环境应用中的可行性研究［J］．土木建筑工程信息技术，2010，2(3):20-24．

［3］纪谷文树编．李农，杨燕，译．建筑环境设备学(日)．

［4］何关培新浪博客，http://blog．sina．com．cn/heguanpei

［5］欧特克(中国)官方网站:http://www．autodesk．com．cn/

［6］云朋，编著．ECOTECT建筑环境设计教程．