绿色实践中的BIM应用——以若尔盖暖巢项目为例

闻金石，郭 佳，钟辉智

（1.中国建筑西南设计研究院有限公司前方工作室，成都 610000；2.中国建筑西南设计研究院有限公司绿色建筑设计研究中心，成都 610000）

绿色实践中的BIM应用
——以若尔盖暖巢项目为例

闻金石1，郭 佳1，钟辉智2

（1.中国建筑西南设计研究院有限公司前方工作室，成都 610000；2.中国建筑西南设计研究院有限公司绿色建筑设计研究中心，成都 610000）

建筑信息模型（BIM）作为一种有效的建筑设计辅助手段，已经在建筑设计、施工以及后期运营等领域得到广泛的应用，但是在前期方案的优化过程中，BIM信息交互的优势却往往被忽视，无法得到有效的利用。在若尔盖暖巢项目的绿色实践中，我们尝试将BIM的设计手段引入到方案前期，从对能源的选择到对建筑的朝向布局、建筑的形体特征、洞口位置、尺寸以及建筑墙身构造等方面的数据进行模拟与比较，通过科学理性的方式帮助建筑师在设计的选择上做出正确的判断。希望通过若尔盖暖巢项目，结合BIM的技术优势和绿色节能建筑的设计特点，探索出一种值得推广的绿建设计方法。

高寒高海拔；绿色实践；被动式太阳能采暖；BIM应用

0 引言

在自然资源有限且日益枯竭的今天，实现被动式设计是各位学者和建筑师倡导已久的话题。被动式设计即更主动利用可再生能源，尽量减少使用机械和动力设备来实现建筑与环境的自平衡。

我国高寒高海拔地区泛指青藏高原以及四川西部，这一地区幅员广阔，气候特殊，自然资源状况独特，解决这一地区冬季室内基本热环境是很多学者长期研究的重点。该地区采暖的策略和技术措施应有别于我国北方地区的系统和方式。

1 理论基础

关于高寒高海拔地区的研究分为两个区域，西藏地区与川西地区，对这两个地区的系列研究，为高寒高海拔地区的建筑热环境建立了评价指标与标准。例如中国建筑西南设计研究院通过研究[1]确定了室内热舒适性标准；清华大学建立了以最冷月平均室温和最低室温的评价指标。另外一些对建筑局部的热工性能化研究也对工程有极强的指导意义，例如中国建筑西南设计研究院通过对窗墙面积比、外窗类型、外墙传热系数、外墙材料的不同排列次序以及天窗活动保温板厚度（热工方案）等影响被动太阳能建筑设计的因素进行了动态模拟研究[2]。清华大学分析了在藏西南边远地区实现无辅助热源直接受益式太阳能采暖的可行性[3]，也对设计策略具有方向性的指导。

以上研究为高寒高海拔地区冬季利用被动太阳能采暖奠定了一定的理论基础，但这些研究并未在项目方案设计阶段就与相关专业密切配合，在建筑设计过程中到底该如何着手并不清晰。

2 若尔盖暖巢项目——在限制条件下的实践

若尔盖暖巢项目（图1、2）位于阿坝州若尔盖县下热尔村，项目由中国扶贫基金会发起并出资，与地方资金配套相结合的小学宿舍项目。该校现有的学生宿舍十分老旧，居住条件亟待改善。

若尔盖属于生态脆弱的湿地草原，冬长无夏，年平均温度只有-1℃左右，冬季日照率高，大气透明度好，日照辐射强度大，连晴日长；当地燃料资源有限，且运输成本极高。不管是从经济并不发达的若尔盖县还是更加偏远的牧区来看，最好的策略是发展全被动式太阳能采暖，从而减少常规能源的损耗，减少年运行和维修费用。这在高海拔、低气温、高太阳辐射的川西高原具有广泛推广的意义。与此同时，必须加大对建筑规划与设计的投入，控制和解决这一思路下的建筑各部件的集热—蓄热—放热的热交换的过程，形成高太阳辐射地区采暖的独特的绿色模式。基于这样的理念，设计中我们尝试利用BIM三维协同设计的方法，来探索低技术、低成本、低维护的被动式节能技术的利用。

项目地点：阿坝藏族羌族自治州若尔盖县下热尔村占地面积：366 m2总建筑面积：1 255 m2结构形式：砖混结构建筑功能：小学生宿舍（20个8人间，160个床位）

图2 暖巢项目效果图

3 暖巢项目的BIM协同与绿色策略

项目在方案初期就建立了绿色策略与BIM协同策划，将我们所设想的各种物理参数借助BIM平台做量化分析，作为设计上的方向性判断和选择。利用BIM信息模型全息优势，从项目总图布局到墙身节点设计，与水、暖、电、节能专业保持密切的数据交互和信息反馈。本文从布局、形体，到洞口、细部构造4个层面，阐述BIM协同平台在绿色建筑中的设计推进与方法。

图3 典型房间一年的温度分布

3.1 建筑布局优化

建筑的朝向决定了是否能高效利用太阳能资源。在确定方案总图布局的过程中，我们利用energyplus分析建筑在不同朝向下，典型房间内的温度表现。我们根据实际项目的用地限制条件，分析对比3种总图布局，针对每种布局，我们都得出典型房间一年的温度分布，通过对数据进行整理和分析（图3），在既有限制条件下得出最佳布局模式。

我们利用revit平台软件对节能专业输出各种数据格式的模型进行分析模拟，而节能专业将最终的分析结果以数据的模式反馈给建筑专业，在多方案比选的过程中，帮助建筑师作出最佳选择。

3.2 建筑形体特征的优化

从常识来说，严寒地区出于节能要求，建筑的北面应更封闭，而现实空间要求北立面为建筑的主要入口，立面形式需要开放，友好。方案构想了“暖区—次暖区”的概念，将楼梯空间作为宿舍与室外的缓冲区，其室温要求略低于宿舍内。用energyplus对建筑的体形进行比较和分析。不断对其进行体量的补充与优化，对各工况进行模拟，对比分析得到适宜的形体类型。这个过程中同样以典型房间的全年温度分布作为评价的标准。图4为方案优化过程中选取的形体对比工况。

3.3 洞口尺寸与位置的推敲

高寒地区节能的通常做法是建筑各方向应控制窗墙比。但窗越少，全被动式太阳能建筑越难在白天获得热量。设计策略是白天要尽可能多的让太阳光透过南立面射入房间，辅以蓄热墙体使建筑迅速升温。夜晚，墙体与楼板中的蓄热向房间散热，维持室内基本温度。我们借助energyplus，分别对7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7几种窗墙比的工况进行了模拟分析，分析结果如图5。

图4 选取的形体对比工况（图片来源：energyplus软件模拟）

图5 对几种窗墙比的工况模拟分析（图片来源：energyplus软件模拟）

从模拟结果得知，窗子的开启面积与房间内部的温度表现基本成正比关系，即窗面积越大，建筑白天得热越多，因此南立面在结构允许的范围内最大限度的开窗是合理的选择。过程中我们借助建筑物理性能分析工具，得到令人信服的数据以帮助我们优化方案。

而建筑的北立面我们尽量开小洞口，为了同时兼顾北侧走廊自然光线的功能照度与光线的均匀度，我们用ecotect对不同的洞口方案进行了模拟分析，如图6，综合考虑自然采光照度标准和减小能耗的要求，确定了最终的开窗方案。

3.4 墙身细节的比较与选择

建筑南侧采用双层集热墙构造体系，在蓄热模式的细部设计上，我们尝试过双层墙体，双层楼板以及简化构造措施等多种构造方式，在具体选择过程中，需要同时考虑集热效率和造价问题，与节能专业和造价专业密切配合实现对方案的不断优化。图7是我们在方案优化过程中分别对双层墙体、双侧楼板和基本简单构造形式进行模拟分析的过程。

通过对结果的解读和分析，我们发现3种方案的蓄热性能系数差异不大，最简单的构造方式仍能获得良好的建筑蓄热能力。综合考虑造价、施工与后期维护等多方面因素，最终我们决定采用最简单的单层墙体和楼板的构造措施作为建筑的蓄热系统（图8）。

图6 对不同的洞口方案进行分析（图片来源：ecotect软件模拟）

图7 对双层墙体、双侧楼板和基本简单构造形成进行模拟分析（图片来源：energyplus软件模拟）

图8 单元体各组成部分

BIM协同平台将各种性能分析软件的数据交互变为可能（虽然工具间的协同还需改进和完善），理性的设计方法和科学的数据分析能够指导建筑师做出正确的判断。

4 结语

若尔盖项目推进与优化过程，是相关专业间信息交互反馈的过程。cad、revit作为平台软件，ecotect、energyplus，fluent作为性能分析软件实现着信息模型的交互，辅助建筑设计朝着理性的方向发展。

通过若尔盖项目，我们对BIM应用的思路和领域有了一些新的认识：

1）应拓宽BIM应用的思路，任何带有信息的建筑模型分析软件都可以纳入BIM的范畴，过度拘泥于某种BIM协作的平台，反而会削弱BIM的价值。相反，秉持灵活应用的思路，合理发挥不同建筑软件的优势，却可以有效地起到指导设计的作用。

2）应拓宽BIM应用领域。BIM不仅仅可以作为施工图后期的管道综合和施工管理，还可以在设计前期发挥特殊的作用。建筑师与各专业设计师做到有效的互动，这大大提升了相关专业人员在BIM辅助设计中的可参与度，也提高了建筑师对项目整体把握的方向性。

在这个过程中建筑师扮演了重要的角色，作为方案效果的把控者，需要与各个专业密切配合，实时的整理模型，传递信息，并对信息作出合理的判断。

不同的项目面临的现实问题也许不同，但思考和操作的方式是互通的。绿色实践中可有效地利用BIM平台，以更加理性的方式去建立评判的标准和讨论的平台。

[1]王磊.西藏地区被动太阳能建筑采暖研究[D].成都：西南交通大学，2008（05）.

[2]王磊，冯雅，曹友传等.西藏地区太阳能采暖建筑热工性能优化研究[J].土木建筑与环境工程，2013，35（02）86-91.

[3]肖伟.藏西南边远地区直接受益式太阳能采暖研究[D].北京：清华大学，2010（06）.

TU204

A

1673-1093（2015）04-0064-05

闻金石（1987），男，毕业于南京大学建筑学专业，就职于中国建筑西南设计研究院有限公司，研究方向：绿色建筑。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.04.013

2015-01-26；

2015-02-04