绿色BIM 在国内建筑全生命周期应用前景分析

李 骁

(重庆大学建设管理与房地产学院，重庆 400045)

1 BIM与绿色建筑概述

1.1 绿色建筑概述

1.1.1 引入绿色建筑理念的必要性

在我国，伴随建筑业迅猛发展的是国内自然资源的巨大消耗，不可再生能源、淡水、天然材料、可耕地等正走向枯竭，温室气体的排放量和建筑垃圾产生量也大幅增加。国内建筑的总能耗已经占到全社会总能耗的30%左右;而从全球来看，40%的CO2的排放是由于建筑运行产生的。同时，建筑室内健康环境与室外环境越来越受到居住者的重视。政府和建筑从业单位都希望要以更快速、更节能、成本更低廉、风险更小的方式建造建筑物。在这些需求的驱动下，绿色建筑的理念逐渐被各界了解和接受。

1.1.2 绿色建筑的全生命周期性

绿色建筑强调的是在整个建筑生命周期中，在建设和使用流程上对环境负责和提高资源使用效率，建筑的生命周期是指:选址、场地改造、建筑设计、建造、运行、维护、翻新和拆除。并且主要由两个过程组成:第一是信息过程，第二是物质过程。施工开始以前的建筑选址、场地改造、建筑设计的主要工作就是信息的生产、处理、传递和应用;施工阶段的工作重点虽然是物质生产，但是其物质生产的指导思想却是信息(施工阶段以前产生的施工图及相关资料)，同时伴随施工过程还在不断产生新的信息(材料、设备的明细资料等);使用阶段实际上也是一个信息指导物质使用(空间利用、设备维修保养等)和物质使用产生新的信息(空间租用信息、设备维修保养信息等)的过程。

1.2 BIM与绿色建筑关系

1.2.1 BIM应用于绿色建筑的必要性

BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)简单来讲，就是根据设计图纸将整个建筑在电子虚拟三维环境中完整的建造出来，将整个建筑进行数字化，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，不仅只是几何形状描述的视觉信息(材质、构造、尺寸等)，还包含大量的非几何信息，如材料的强度、性能、传热系数、构件的造价、采购信息等。BIM的最重要意义在于它重新整合了建筑设计的流程，其所涉及的建设项目全生命周期管理，又恰好是绿色建筑设计的关注和影响对象。绿色建筑与BIM相结合带来的效果是真实的BIM数据和丰富的构件信息，这些给予各种绿色建筑分析软件以强大的数据支持，确保了分析结果的准确性。根据麦格劳-希尔建筑信息公司(McGraw-HillCon-struction)2010年美国绿色BIM市场调查报告显示，美国将BIM技术运用到绿色建筑中的驱动力更多的成为建设业主所求，可见BIM在美国应用于绿色建筑的认可度之高，必要性之重，由此预测在我国未来BIM在绿色建筑中将拥有非常广阔的应用前景。

图1 将BIM技术运用于绿色建筑项目的驱动力(根据尚未使用过绿色BIM技术的企业)

1.2.2 BIM应用于绿色建筑的全生命周期概述

由于BIM的用途决定了BIM模型细节的精度，在建筑全生命周期中仅靠一个BIM工具并不能完成所有的工作，所以目前行业内主要采用“分布式”BIM模型的方法，建立符合工程项目现有条件和使用用途的BIM模型。这些模型根据需要可能包括:规划模型、设计模型、施工模型、进度模型、成本模型、制造模型、操作模型等。BIM“分布式”模型还体现在BIM模型往往由相关的设计单位、施工单位或者运营单位根据各自工作范围单独建立，最后通过统一的标准合成。在绿色建筑全生命周期中BIM的具体应用见图2。

图2 目前BIM在建筑全生命周期中的应用

1.3 BIM在国内外绿色建筑中应用现状

1.3.1 BIM 在国外应用现状

BIM在绿色建筑的应用在发达国家受到广泛专注和良好的使用效果，尤其美国在此领域研究投入了更多的精力。2005年，绿色建筑开始进入美国建筑市场，全年2%的新建项目成为绿色建筑。到2008年，新建项目中已有12%的商业建筑项目和8%的住宅建筑项目成为绿色建筑。该期间，美国绿色建筑运营成本下降了13.6%，而这些建筑成为绿色建筑后，综合价值上升了10.9%。

1.3.2 BIM 在国内应用现状

国内建筑的节能与可持续性发展虽然很滞后但在某些地区及某些方面已向“绿色建筑”这一目标迈进，全社会的环保意识也在不断增强，营造绿色建筑、健康住宅正成为越来越多的开发商、建筑师追求的目标。例如万科中心——中国LEED认证铂金奖得分最高的建筑，其通过BIM技术在雨水回收，人工湿地的生物降解，建筑光伏电系统，屋顶的除湿、冷却系统，自可转动式悬挂立面外遮阳系统，日光照明分析，蓄冰空调技术、地板送风系统、新风热回收技术、二氧化碳监测系统等高效节能系统的运用，使其能耗控制在极低的水平。

2 绿色BIM在国内建筑全生命周期应用前景分析

2.1 绿色BIM与规划选址、场地分析

规划选址、场地分析是研究影响建筑物定位的主要因素，是确定建筑物的空间方位和外观、建立建筑物与周围景观的联系的过程。在规划阶段，场地的地貌、植被、气候条件都是影响设计决策的重要因素，往往需要通过场地分析来对景观规划、环境现状、施工配套及建成后交通流量等各种影响因素进行评价及分析。传统的场地分析存在诸如定量分析不足、主观因素过重、无法处理大量数据信息等弊端，通过BIM结合地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)，对场地及拟建的建筑物空间数据进行建模，通过BIM及GIS软件的强大功能，迅速得出令人信服的分析结果，帮助项目在规划阶段评估场地的使用条件和特点，从而做出新建项目最理想的场地规划、交通流线组织关系、建筑布局等关键决策。目前国内规划部门对于城市可建设用地的地块并没能进行完整的地块性能分析，现如今城市规划编制和管理方法无法量化，诸如地块舒适度、空气流通性、噪声云图等指标。导致国内规划部门不能在可建设用地中优选出满足人们健康绿色的生产生活地块来建造建筑。然而BIM的性能分析通过与传统规划方案的设计、评审结合起来，将会对我国城市规划多指标量化、编制科学化和城市规划可持续发展产生积极影响。

表1 规划选址、场地分析具体量化方法

绿色BIM在规划选址、场地分析中的应用即为城市规划微环境生态模拟的应用。BIM可以准确测量生态与建设用地的信息和性能，建筑师可以利用BIM将很多生态因素如绿化、水体整合到一个建筑的形式和功能中去，使生态系统恢复以后将再次为我们提供宝贵的环境服务。比如场地平面图中通过对比可渗透表面和不可渗透表面来进行可视化分析。利用Revit Architecture软件中的面域功能描绘出不同区域的不同渗透特征。之后再运用色彩方案就能对位置进行可视化分析，同时在明细表中可以统计出可渗透表面和不可渗透表面的面积和二者比值，从而保证该地区地下水的补充在场地前期设计中就得到充分考虑(图3)。有了Revit的信息化模型，可以在相关性能化模拟分析软件中对于建筑阴影变化和场地全年太阳辐射量进行分析模拟，以便帮助设计师确定场地的植物配置。比如，将Revit模型通过IFC格式导入Ecotect软件中进行相关分析模拟(图4、图5)。同时Revit分析工具可以引导建筑师精确模拟自然特点，如现有地质分类、天然土堤、裸露岩石、周围的植被和人造结构;模拟风、雨、雪等恶劣自然环境;模拟噪声;还可以模拟夏季遮阳和冬季使用太阳能取暖。不仅如此，Revit的数据库还可以引入基地周围环境，包括建筑、社会、经济的信息。这些技术正是如今在国内高速发展的建筑业所需要的，国内的居民也希望拥有经过详细选址场地分析后的地块所建造出的高舒适度健康的建筑。

图3 规划区域地下水分析

图4 建筑物阴影变化分析

图5 太阳辐射量云图

2.2 绿色BIM与建筑设计

2.2.1 室内环境质量分析

由于人们大部分活动时间都在室内，室内环境质量就成为了绿色建筑设计的一个重要领域。室内环境质量在以往的设计过程中只依据居住者的经验和感觉。BIM的工具和方法，使建筑师能准确地整合多种不同形式的空间、材料、系统，使其适应不同人群生理、心理的健康需求。一个室内环境质量绿色建筑设计的BIM模型，可以精确模拟建筑物的室内和室外表面与空气之间的相互作用;并使建筑能够为其居民提供照明、采暖、通风、空调、给排水等服务。高素质的建筑师可以凭借经验创造良好的室内环境，但是当设计条件十分复杂，在把握正确的设计大方向后，依然需要BIM进行精细化设计指导，以求准确创造适宜的室内环境。通过Revit建立的信息模型，可以通过IFC或者GBxml标准文件进入Ecotect或者IES＜Virtual Environment＞等软件中进行声、光、热、空气质量等方面的科学分析(图6)，进而对建筑的能耗进行模拟分析(图7)。

图6 建筑物室内环境模拟

图7 建筑物能耗模拟分析

2.2.2 绿色建筑外围护结构设计分析

BIM还可以帮助设计师针对每一特定部分建筑维护结构的得失热量进行分析，包括:外围护结构得热和散热量、门窗得热、散热和冷风渗透量、室内围护结构热传递量等等(图8)。用BIM模拟建筑物朝向以及外围护结构的开窗设置(窗墙比和开窗位置)，进而分析房间自然采光、通风(图9)和空气调节以及被动式太阳能采暖。例如:BIM可以帮助建筑师对比多种建筑体量布局的差异，发现各种可能的室内光照情况，以及对室内环境的影响;也可以帮助建筑师研究包括遮阳在内的各种反光装置对采光的影响;还可以帮助建筑师研究各种墙和天花板处理方法(曝光材料，颜色，阴影)，同时考虑到颜色对人的心理影响，从而体现建筑师的精确化、细致化设计。

图8 建筑物维护结构得失热量分析

2.3 绿色BIM与建造施工

在建造施工过程中，借助BIM的冲突检测、施工模拟及工程量统计等功能，可达到避免浪费、节约资源的绿色目标。通过BIM建立三维信息模型，在设计及施工阶段对各专业管线进行综合及冲突检查，是BIM比较直观、突出的功能之一。尤其是对于较复杂项目，BIM自动检测建筑与结构及各类机电管线的冲突，及时在设计阶段进行优化修改，避免在现场发现冲突后返工造成的时间、材料的浪费。由于BIM是带有材质、尺寸信息的数字模型，在模型信息量足够的前提下，可以方便地计算出各类材料的用量。对于预制构件，BIM更为精确加工及连接提供了强有力的技术支撑。借助于BIM技术，准确测算建筑材料用料，避免预制构件的设计尺寸错误，也达到了减少材料浪费的目的。在建造过程中，借助于BIM技术，还可以对施工现场的管理预先进行模拟.对建材的堆放位置、方法和建筑设备的位置、工作流程进行优化，提出最节省时间、资源的方案，合理调配建筑材料、施工设备、人员等建设资源。对于个别重要、复杂施工部位，可精确模拟预演现场施工过程，减少因施工顺序、施工技术不合理造成的返工和浪费。

2.4 绿色BIM与运行维护

所有的建设项目，最后都要进入运营使用阶段。建设项目的设计和施工，都是为了运营。因此，投入运营是建筑各专业的最终目标，同样也是BIM的最终目标。被誉为“BIM之父”的 Chuck.Eastman在《BIM 手册》中认为运维管理(Operation＆Maintenance)作为全生命周期运营管理的后期包括运行管理和维护保养，他是面向建筑设施硬件及其系统作为主要管理对象的，近似于现在被广泛应用的设施管理(Facility Management)。提高建筑物的运作和维护水平，设法利用设施提供舒适安全的工作生活场所，对于改善建筑物内人群的健康状况和提高生产率意义重大，目前市场上能够进行运行维护模拟的BIM工具有以下几类:⑴人群行为(crowd behavior)⑵疏散模拟(evacuation)⑶运行模拟(operation)⑷能耗模拟(energy)⑸应急预案(emergency plan)⑹环境模拟(environmental)通过模拟工具计算建筑设施性能绩效指标和能源消耗情况，为我们进一步降低能源消耗和设备消耗等提供分析的理论依据，达到全生命运营周期中绿色建筑的目标。中国的建筑业和设施运维管理行业是最近20年才发展起来，国内建筑业普遍建造速度很快但运维效率很低。因此在未来BIM在运维管理中的应用将大大提高建筑后期运行维护的资源使用效率，达到低能耗低成本的绿色全生命周期建筑。

2.5 绿色BIM与翻新改造

一个建筑物的寿命，大致等同于其结构寿命，而建筑系统的构件、机电各系统、装饰系统及固定装置等的寿命都小于结构系统，所以翻新改造是不可避免的。而每次翻新改造都需要之前的建筑信息以及预测未来运营的情形，所以翻新改造是BIM在建筑全生命周期内价值的一个集中体现。如果改造之前就拥有丰富信息的BIM模型，那对改造项目节能降低能耗将会产生巨大的绿色效益。BIM模型的丰富信息和可视化功能可运用来“主动改造”来提升建筑绩效，包括延长设备寿命、提升使用效率、改善空间、节省能耗等。

3 结论与建议

绿色BIM的应用对于实现建筑全生命期管理，提高建筑行业规划、设计、施工和运营的科学技术水平，促进我国建筑业全面信息化和现代化，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景.但我国绿色BIM的应用相当匮乏，绿色BIM市场在国内存在着巨大的发展空间。因此在引进、吸收国外先进理念与相关技术的同时，，发展绿色BIM还应注意以下问题:

1.绿色BIM的前期规划设计的应用更多的受到规划行政部门的限制，希望政府高度重视以及大力投入绿色BIM在规划选址、场地分析的应用，使城市建设真正走上可持续发展的道路。

2.绿色BIM只是绿色建筑设计的工具，如何用好这个工具完全依靠它的使用者。但是，在国内，大部分的建筑师和设计机构因为各种主观和客观的原因，忽略了建筑的可持续性，甚至没有设计绿色建筑的专业知识和能力，使“绿色”成为了空谈或者“理念”。

3.BIM的软件在国内引进时间不长，而且并没有完全在建筑设计、建造以及管理的各个专业中使用，导致绿色建筑信息模型在这一系列环节中传递受阻，无法真正达到建筑全生命周期绿色的效果。

4.建筑的运行维护是建筑全生命周期的最重要的环节，成熟的设施运营管理企业成为当今中国急速发展的建筑业中不可或缺的项目方。运行维护管理的存在将是绿色建筑得以可持续“绿色”的重要保障。

5.BIM这项技术在使用过程中发生了诸如软件本土化不够等问题，很多国内的建筑规范标准没有进入模型的信息中，使BIM没有完全发挥出它应有的能力。纵然基于BIM技术的绿色建筑还有这么多的问题，但是BIM技术和绿色建筑都一定是大势所趋，二者的有机结合也一定会被建筑师很好运用到未来的实践中去。

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