基于BIM技术的建筑节能设计实践性初探

张美良

（上海市工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近来我国一年建成的房屋建筑面积，比所有发达国家一年建成的房屋建筑面积的总和还要多，既有城乡建筑中99%为高耗能建筑，新建成的房屋95%以上还是高能耗建筑。由于空调的快速发展，夏季高峰用电问题愈益严重。由此可见，随着能源消耗的日益加剧，全球资源面临严重短缺的问题，节能已经发展成为有关国家发展战略的关键，随着建筑能耗比例的不断增加，如何更加有效地实施建筑节能设计成为当务之急。

根据清华大学建筑节能研究中心编的《中国建筑节能年度发展研究报告2011》，我国城镇建筑冬季采暖是我国建筑能耗的最主要构成部分，也是我国建筑节能工作的重点。目前建筑节能的推广还远远达不到发展的要求，大多数建筑都是参考已有的生态建筑设计的案例和技术手法，而没有对它的方案和工程进行分析与计算，以检验设计的效果是否节能、是否经济、是否绿色等。

传统的2D软件，只能由专业人士通过手工输入的方式将建筑设计的相关数据输入到专业软件中，才能进行能量分析。大量的专业数据、繁琐的输入工作使得能量分析与模拟对于建筑师来说是可望而不可及的。能效计算通常安排在设计的最终阶段，由专业人士进行操作和分析、模拟，但此时建筑设计方案已经很难改变。随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种建筑3D CAD软件日趋完善和成熟，为绿色建筑设计中能量分析的自动化、智能化提供了基础和平台。

建筑节能设计，不仅是对建筑工程师的挑战，更是对建筑设计师的考验。目前BIM技术在欧美国家的应用日趋完善，而在我国，BIM技术在建筑节能方面的应用还存在一定的缺陷。将BIM技术与建筑节能设计相互结合，对解决能源短缺问题大有裨益。

1 背景

1.1 建筑节能研究的背景

随着经济的快速发展，能源消耗量与日剧增，全球能源短缺的状况日益突显，能源问题已经成了关乎国家发展战略的关键问题。与此同时，建筑耗能占总能耗的比例不断增加，建筑节能成为了国家节约能源战略的重要环节。由于不同建筑的建筑设计方案在能耗方面会有巨大的差别，因此需要在建筑方案阶段就对建筑进行能耗模拟，判断建筑是否满足节能要求。然而，传统的能耗分析软件对建筑进行节能分析并不是容易的事情：传统能耗分析软件需要大量的专业数据，输入繁琐，专业性强，建筑师很难花大量精力研究能耗模拟软件并完成每种方案的能耗分析工作。另一方面，在传统的设计方法中，建筑专业和设备专业是脱节的，设备工程师需要在输入建筑数据后使用能耗分析软件进行能耗分析，而分析结果并不能直接反映到建筑模型中，导致能耗分析通常安排在设计的最终阶段，不能起到及时为建筑师提供方案设计依据的作用。

随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以BIM技术为核心的多种建筑3D软件日趋完善和成熟。由于建筑朝向、围护结构性能、自然通风状况、建筑体形系数、窗墙面积比等都是影响建筑能耗的重要因素。而基于BIM技术的建筑节能设计可以通过建筑师的建筑信息模型来获取建筑朝向，构件几何尺寸、建筑材料、功能分区等建筑信息，因此可以用来进行建筑节能分析计算，使建筑全年能耗满足规定性指标或性能化指标要求。如果建筑不满足节能标准，可以将对模型的修改建议反馈给建筑师，而建筑师根据反馈意见修改建筑模型，如此反复，直到建筑满足节能标准要求为止。

因此，基于BIM技术的建筑节能还可以解决建筑设计和节能设计过程中数据转换的问题，提高工作效率；对建筑的太阳能利用、舒适度和空调系统的能耗进行分析，为建筑的规划设计节能设计提供可靠的科学依据。

1.2 目前建筑节能设计的形势

目前，我国在建筑节能方面的不足是，无法使资源得到充分利用，造成大量资源浪费，得不偿失。在当前能源短缺的形势下，建筑节能设计的推广还远远达不到预期的目标。目前的建筑设计师使用的节能设计手段，是在参考其他节能设计建筑的基础上套用已有的技术手段，没有对其进行设计的节能建筑分析和计算其是否节能、是否绿色及是否经济。

目前的建筑设计更加偏向于注重建筑的外在是否美观，功能是否多样，在节能设计方面，往往忽略其应具备的能效设计:即通过设计，在建筑设计初始进行阶段，就开始进行节能设计，选择最佳的节能设计，以达到最理想的设计效果。这样的结果是造成了大量的人力物力资源的浪费。

由这些现象，人们可以得出在建筑的节能设计方面，建筑设计师负有直接责任，但真正的问题在于，建筑师在进行建筑节能设计时，由于设计技术的限制，使得建筑设计师在进行设计时，无法对设计方案进行良好的节能分析，使建筑设计无法达到理想的节能效果，使得节能的设计建筑无法真正的应用到生活中去。

2 BIM及相关软件

2.1 BIM简介

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对该工程项目相关信息的详尽表达。一个完善的建筑信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。BIM可简要的描述成：通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，在这里信息不仅是三维几何形状信息，还包含大量的非几何形状信息，如建筑构件的材料、重量、价格和进度等等。BIM具有单一工程数据源，可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享。

运用BIM技术，建筑师作设计的过程，就是建造一个真实建筑的过程。这个虚拟的建筑模型，包含了大量建筑材料和建筑构件特征等信息，是一个包含了建筑全部信息的综合电子数据库。在这样一个真实的智能的建筑模型中，建筑师可以任意地输出平面、剖面、立面，以及各种细部详图、建筑材料、门窗表，还可以输出预算报表、施工进度等等。

2.2 BIM相关软件的应用现状

利用计算机技术进行节能设计已成为当前建筑设计的主要方法，尤其是在进行建筑能量分析和节能设计方面。进入21世纪以来，全球石油危机后，节能设计成为热点研究问题，许多国家都对此作出了重大贡献，开发出了许多的节能分析软件，如美国的DOE2，加拿大的HOT2000，我国的DeST等。

在我国，《公共建筑节能设计标准》于2005年7月1日开始实行，将节能设计作为强制执行的设计标准。但与此同时，传统的建筑能量分析方法仍然无法满足实际需要。其主要的原因是缺乏可以为建筑师使用的，在初始阶段进行能效分析的相关软件。如果可以将先进的计算机技术与建筑设计相互结合，使建筑设计师可以在建筑设计的初始阶段进行能效分析，那么就可以设计出满足节能设计的建筑，最大限度地减少资源的浪费，真正实现绿色建筑设计。而解决这一问题的关键在于如何创立一个包含全部建筑信息的模型，与一个能够有效识别这些信息的软件。

3 BIM技术下的建筑节能设计

3.1 目前两者结合的问题与前景

目前，世界上主要的性能化分析软件大概有350种，但由于各种软件的使用标准不同，在使用中，几乎每一种都要重新建模，输入相关数据，导致大部分的设计师没有精力来学习每一种软件的使用。在建筑设计中使用BIM技术，建立虚拟的真实建筑，包含大量的建筑材料和建筑构架信息，是一个大容量的建筑信息库。在这样的虚拟建筑模型中，建筑师可以对模型进行任意的平面、立面，以及各种详细资料的获取，还可以进行预算报表的输出，计算施工进度等。这种技术的使用使设计师在设计的任一阶段均可以对建筑进行设计方案的更改，充分考虑建筑的绿色节能。随着数字化的来临，BIM技术日趋完善和成熟，在缩短时间，节能方面与2DCAD软件不可同日而语。从2DCAD到基于BIM技术的3DCAD，是未来计算机应用月建筑设计的发展趋势。

现如今，越来越多的建筑设计师开始使用BIM技术进行建筑设计。我国的一些建筑设计机构也开始尝试使用BIM技术来进行建筑设计，减少建筑建造过程中的能源浪费。BIM技术为建筑的绿色节能设计提供了一个良好的展示平台。

3.2 BIM技术在建筑节能设计中的实践

运用BIM技术，设计师是可以在设计过程中获得大量的建筑信息，如建筑在节能设计方面的数据，在使用中，只需要将设计模型导人相关的软件，即可获得相应的数据分析结果。原始的设计软件在设计过程中需耗费设计师大量的时间和精力，设计师在进行设计时往往因为精力有限而顾此失彼，BIM技术的使用，将设计师从繁重的设计工作中解放，节省了大量的时间和精力。

在进行建筑方案的设计时，利用建筑信息模型和相关的分析软件，使建筑的能量分析过程得到进一步简化，节约设计时间，是建筑设计师在进行建筑的节能设计时迫切需要解决的问题。目前GBS技术为设计师提供了这一方面的便利，GBS技术可以从BIM模型中直接导入，利用其中包括的建筑信息来建立热模型，将其转化为XML格式。在不同的地区其建筑标准和法规有相应的不同，GBS技术与BIM技术相结合，可以根据当地的法律法规，对建筑类型进行智能设定。采用DOE技术进行不同时段的逐时模拟，将相关数据全方位的展示出来，如建筑的能量消耗等于绿色节能有关的内容，在这个过程中，建筑师只需在GBS中输入建筑相关的类型和地理位置，即可得到关于建筑的大量计算数据。还可以对建筑的能耗进行进一步的计算分析。建筑设计师在进行设计时利用BIM技术GBS技术结合，来建立模型，可以得到与建筑相关的节能数据分析，在进行建筑的建造时，即可避免许多的能源浪费。

除GBS外，Riuska软件也可以与BIM技术相结合，导入BIM技术模型，获得大量的建筑信息，为设计提供便利。BIM技术的使用是当今建筑设计领域的一大进步，建筑的节能绿色设计是如今建筑设计的发展趋势，两者相互结合，最大限度地节约了资源，减少了资源的浪费。

建筑物能耗约占全球能源消耗量的40%，优化建筑设计和性能是减少温室气体排放的首要重点。对于希望降低运营成本、提高公用事业开支的业主来说，提高能源效率也是一个亟待解决的问题。据统计，全国既有建筑近400亿m2。建筑中99%为高耗能建筑，每年新建房屋近20亿m2，95%以上仍是高能耗建筑。单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。

建筑的节能设计，不仅对建筑环境工程师、设备工程师提出挑战，更重要的是对建筑设计师的挑战。建筑节能设计的一个重要方面就是降低建筑能耗。因此，绿色建筑越来越受重视，而绿色建筑产业也蓬勃发展。BIM的最重要意义在于它重新整合了建筑设计的流程，其所涉及的建筑生命周期管理(BLM)，又恰好是绿色建筑设计的关注和影响对象。

4 BIM技术对建筑节能设计的价值

BIM技术已被国际项目管理界公认为是一项建筑业生产力革命性技术，为解决项目管理两项根本性难题，即工程海量数据的创建、管理、共享和项目协同，带来了很好的技术支撑，BIM技术带来的价值有以下几个方面。

4.1 碰撞检查

在复杂的工程设计中，设计师、施工方工程师都无法查清对二维的蓝图中涉及的冲突问题。并且实际上，几乎所有的大大小小工程都会因为施工中的碰撞问题而需要返工，重新设计和重新施工。然而返工产生的材料损失、机械台班的损失和窝工引起的资源消耗是巨大的。利用BIM技术应用软件创建好的BIM模型，软件可自动检查碰撞情况，甚至是软碰撞情况(低于规定间距即报警)，提供碰撞检查报告，寻找出最佳的解决途径，从而根本上杜绝因碰撞引发的资源浪费、能耗和工期损失。

4.2 精确施工和计划

当前项目的施工计划，由于预算工作的手工作业还相当粗放、精确性低，资源(人、机、材)计划不准确，这些计划的不精确导致资源较大浪费。利用BIM技术，进行精确断料、装饰块体的排版、模板的木工翻样，进行优化下料，可大为减少废料，减少材料损耗。在计划上，可以通过虚拟的施工来判断所需要的资源及配备情况，从这个意义来讲，大大节约了资源，避免了浪费。

4.3 协同提升效率

由于工程的复杂性和项目团队的临时性，工程项目建设中因协同困难产生的工期延误而导致的资源浪费相当大。利用BIM技术、信息共享的原理，大家都向最新的BIM实时获取准确数据的能力大为提升，项目协同能力提高，在一定程度上加快了工期推进，降低了资源消耗。

5 结语

随着我国经济的飞速发展和能源问题的日益严重，建筑业存在的问题越显突出，尽管BIM应用还不够广泛，但它已运用于大型复杂结构方案的设计。

利用BIM技术，可以在设计过程中创建包含建筑全部信息的虚拟建筑模型，优化建筑性能；在施工中，可以利用BIM技术来设计合理施工路线和模拟在施工中可能遇到的突发状况，提前做出相应的准备；在绿色节能方面，可以充分利用CAD技术和BIM技术来保障绿色建筑设计的科学性和合理性；在设计的任意阶段将其直接导入相关的能耗分析软件中，就可以方便地得到分析结果，从而及时调整设计方案。随着BIM技术的不断发展和完善，BIM在建筑行业所起到的作用越来越大，它将在建筑行业发挥巨大的作用，促使建筑业发生根本性的变革。