基于BIM技术的LEED®认证模式的可行性

曹　杨，　冯　涛

(1. 内蒙古科技大学　建筑与土木工程学院， 内蒙古　包头　014010；

2. 中国二十冶集团有限公司， 上海　201900)



基于BIM技术的LEED®认证模式的可行性

曹杨1,2，冯涛1

(1. 内蒙古科技大学建筑与土木工程学院， 内蒙古包头014010；

2. 中国二十冶集团有限公司， 上海201900)

摘要：能源与环境先锋LEED(®)奖(Leadership in Energy and Environmental Design)广泛应用于世界范围内的可持续建筑评价，该评价奖项需要设计师基于对建筑形体、材料、环境以及MEP系统等方面深入分析的基础上才能获得。建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)作为能够集成多学科信息于一个模型中的技术,创造了准确、高效获取上述资料信息的途径。因此，本文基于对LEED(®)评级体系和基于BIM的可持续建筑评价的研究，深入探讨了BIM应用于建设项目可持续评价的优势，进而提出建立一个BIM-LEED(®)概念框架体系，并通过上海市盘古馨苑住宅项目验证了该框架的合理性和实用性。该项研究的结果表明，LEED(®)认证所需的文档资料可以借助于BIM相关软件，以直接或间接的方式获得，简化了LEED(®)认证过程，相较于传统的认证方式节约了大量的时间和资源。

关键词：BIM;持续建筑评价;LEED(®)认证;绿色建筑评级系统;建筑性能分析

可持续建筑的提出源自社会各界对能源危机、温室效应等环境问题关注度的提升[1]。可持续建筑的推行需要确立明确的评价体系，并能以定量的方式检测建筑设计生态目标达到的效果，用量化指标来衡量其所达到的预期环境性能实现的程度[2]。评价系统不仅可以指导检验绿色建筑实践，同时也为建筑市场提供了指导标准，促使项目参与方在设计，运行、管理和维护过程中更多考虑环境因素，从而引导建筑向节能、环保、健康舒适的目标发展。

1研究的理论背景

1.1LEED®评价体系介绍

可持续建筑的发展需要建立评价体系。英国建筑研究中心于1990年最早推出“建筑研究中心环境评价法”(BREEAM)，随后，美国、加拿大、意大利等国家和地区也相继推出各自的绿色建筑评价体系，包括：Canada′s LEED®；Germany′s DGNB Certification System；New Zealand′s Green Star NZ；South Africa′s Green Star SA；United Kingdom′s BREEAM，and the United State′s LEED®。其中，美国所实施的可持续建筑评价体系LEED®更为成熟[3]。因此，该体系的架构和运作，成为各国建立新型可持续建筑评价体系的重要参考。

LEED®(Leadership in Energy and Environmental Design)评价体系针对9类建筑对象，即LEED®-NC(新建商业建筑物)，LEED®-CI(商业建筑室内)，LEED®-CS(建筑主体和外壳)，LEED®-EB(现存建筑物)，LEED®-HO(住宅建筑)，LEED®-ND(社区规划)，LEED®-SC(学校项目)，LEED®-RE(商场)，LEED®-HE(医疗设施)[4,5]。对于每一类建筑对象，又可以从可持续发展场地、水资源利用率、能源与大气、材料与资源、室内环境质量、创新与设计6方面对建筑进行综合考察。其中每一方面又包括2～8个评价子项，有的大项前还有1～3个必须遵照的前提条件，不满足则无法评估。最后根据得分高低确定项目所达LEED®建筑类型，如认证级、银级、金级、铂金级。LEED®认证包括三个过程，首先在设计过程中必须进行早期申请，其次是过程中的技术支持，三是对全过程进行整体认证。LEED®评价体系以其相对完善的评价内容和相对简洁的操作方式，广泛应用于世界各国的各类建筑的可持续评价。

1.2基于BIM的可持续建筑评价的优势分析

传统的计算机辅助设计(CAD)，缺乏在设计规划阶段对于环境、能耗等可持续分析的能力。设计院只能是在设计完成以后甚至施工图出来之后再进行能耗分析计算，且该项分析计算并不是从调整建筑设计，充分利用自然通风、阳光、日照等自然资源达到节能的角度出发的[6]。在建筑前期规划和方案设计阶段，一整套有关建筑物体量、材料的资料数据是进行可持续评价的必要条件。BIM 作为新一代工程项目信息化建设和运维的基础性技术，能够将建筑物的几何模型和属性数据库融于一体，实现空间数据与属性数据的有机结合，为建设项目参与方提供一种十分有效的性能分析工具与辅助决策工具，为可持续性节能措施贯穿整个设计过程创造了一个机会。

据《中国施工行业信息化发展报告(2014)：《BIM应用与发展》编写组的调查显示，基于BIM技术的建设项目可持续设计、评价能够实现“工期”与“成本”最合理的结合[7]。BIM技术与可持续发展战略结合的模式将有效弥补传统能耗分析模式的弊端，产生一个全新高效的可持续设计模式。

(1)资料提供方式不同：传统的LEED®认证资料的准备需要大量的人员干预和解释说明。建造过程中变更管理的缺乏导致了所供信息不准确；方案比选的资料需要认证人员基于源范例一一对比获得。BIM模型所能提供的建筑物数据和丰富的构件信息能够满足LEED®评价所需的各类文件、资料。

(2)方案比选效率不同：不论是在采光、日照、遮挡，还是对风、声、视觉的考虑，都可以通过BIM三维信息模型体现，在设计中可以不断变化角度对其造型、单元组合、排列方式进行模拟、观察、思考、推敲以及修改，最后实现方案的最优化。

(3)认证信息准度不同：申请LEED®认证时项目团队需要根据每个评价指标的要求收集有关信息。传统的认证模式资料收集往往滞后于项目建设进程，会导致信息的丢失。BIM技术为方案提供室内及室外热环境模拟、空气流速、风速等模拟信息，帮助设计团队了解相关资源数据，通过编辑调整建筑的的体量、坐标，以确定最佳的太阳能取向和风速。甚至可以通过协调地理信息、地域分析、气象信息，客观评价该领域的气候条件、特点及技术的适宜性，分析模拟当地人居环境参数，使初期设计方向更加明确，为后续设计提供有效依据。

(4)信息获取途径不同：尽管大多数资料可以使用传统CAD软件来制备，但BIM技术能够通过模型生成完备的、高质量的图纸等信息，并且生成的信息能够始终根据BIM模型的调整而协同修改，彻底改变传统的可持续建筑评价的认证过程和步骤。

(5)资源管理方法不同：材料选择是可持续评价的一个重要方面。但是就建设项目所需的材料进行沟通往往是可持续设计中的一大障碍，因为材料规范通常是在设计模型之外独立创建的，因此它们的管理和维护需要耗费大量时间。BIM参数化建模属性为规范管理提供了一个包含材料信息的综合数据库平台，在该平台的基础上，附加筛选设置，Revit软件即可识别出有助于获得LEED®评分的特定产品和材料。

因此，BIM技术非常适合用来解决可持续建筑评价问题。BIM技术及其系列软件产品将在“转变以较低效率为特征的建筑行业”的变革中扮演着重要角色，为这个面临转变的行业提供重要的创新驱动力。

2国内外研究综述及本文研究思路

社会各界对于可持续建筑关注度的提升推动了学术界对于该领域的研究。Bowyer验证了LEED®认证体系作为建筑标准环境性能指标、设计建造参照规范、经营运维指南的科学性，推广了LEED®概念[8,9]。Wedding[10]总结了LEED®认证的建筑在期望与实际应用效果中突出的优点，并提出修订LEED®认证体系中能源和大气模块评分指标的建议。Autodesk公司在2008年度报告中提及：作为融合了多专业信息的BIM模型为可持续评价能被纳入整个设计过程提供了机会[11]。在此基础上，学术界展开了对基于BIM的可持续评价的研究；Kubba、Becerik Gerber和Rice[12]的研究表明，一个图解模型经发展生成详细的BIM模型，可以帮助设计师更准确评估方案是否满足设计功能和可持续发展的要求。Hardin[13]的研究阐述了与BIM技术直接相关的可持续评价内容，包括材料的选择与使用、场址的选择与管理、系统管理三个方面。Kriegel和Nies[14]的研究指出了BIM技术在可持续建筑评价方面的应用点主要包括：建筑朝向选择、建筑体量优化、采光分析对比、耗水量优化、能源消耗统计、可持续材料管理、场地和物流管理。

通过对国内外LEED®认证体系和基于BIM的可持续评价研究状况进行分析发现：目前，国内外针对LEED®概念、效益，BIM对可持续性分析的作用的研究较多，但针对LEED®认证方法流程的优化研究甚少，基于BIM技术的建设项目可持续评价方法是否适用于LEED®认证的研究尚属空白。因此，本文将在对相关外文文献和国内LEED®认证项目研究的基础上，搭建BIM技术和LEED®评价体系之间的概念框架，并通过上海市盘古馨苑项目案例验证该概念框架的合理性，从而实现拓展BIM技术应用、实践可持续建筑理念的目标。

3研究成果介绍

3.1搭建BIM-LEED®概念框架

本文根据对现有文献研究成果、LEED®认证项目资料的收集整理以及BIM技术应用点的概况，初步搭建了能够结合两项技术优势的概念框架BIM-LEED®，如表1所示。该框架包含了两项主体，即“BIM数据模型”和“LEED®认证体系”。表1基于“LEED®Credits”原始文件，增加了BIM技术应用点，通过分析整理进而设计形成。表1充分说明了各类LEED®指标与基于BIM技术的建设项目可持续性评价的内在联系，展示了现阶段BIM技术所能应用于可持续评价的具体方面，进一步明确了不同应用点所处的阶段，从而搭建起了完整的BIM-LEED®概念框架体系，为该模式的实践应用提供了详细的指导。

该框架的合理性将通过下一节中介绍的案例来验证。

表1　基于BIM技术的可持续建筑评价与LEED®认证体系的对应关系

续表

注：※设计准备阶段，○设计阶段，◇建造阶段。

3.2BIM-LEED®概念框架合理性验证

3.2.1案例项目选择

本文选择上海盘古馨苑住宅项目为研究对象，论述BIM-LEED®概念框架的合理性。项目总用地面积11270.2 m2，由3栋(10-15F)高层住宅楼，以及3栋1层配套用房和地下1层车库组成。工程总建筑面积19623.58 m2，其中地下建筑面积4106.00 m2，地上建筑面积15517.58 m2。

3.2.2基于BIM技术的建设项目可持续评价的软件选择

根据相关调研报告显示，目前适合建筑师使用的可持续评价软件主要包括以下几种：Autodesk EcotectTM、Autodesk Green Building Studio (GBS)TM和Integrated Environmental Solutions (IES)®。其中，EcotectTM是比较全面的概念化建筑性能分析工具。EcotectTM提供了许多及时性能分析功能，如光照、日照阴影、太阳辐射、遮阳、热舒适度、可视度分析等。而且得到的分析结果都是实时和可视化的，适合建筑师在设计前期把握建筑的各项性能。更重要的是它可以通过gbXML数据格式直接将在Revit中建立的模型导入其中，实现由物理模型变为分析模型，这就避免在生态分析软件中重复建模，增加了项目分析过程的连接度。

图1描述了基于BIM技术的建筑项目可持续评价和LEED®认证相结合的流程图：利用Revit创建的BIM模型通过gbXML数据格式直接将Revit中的模型数据导入到EcotectTM，利用EcotectTM提供的分析功能，得到实时的、可视化的分析结果，该结果可作为LEED®认证的直接材料。图1描述的流程即是BIM-LEED®框架的运行模式。

图1　基于BIM技术的建筑项目可持续评价和LEED®认证结合的运行模式示意

3.2.3盘古馨苑项目基于BIM技术的可持续评价

本文从车库容量、日照、绿化率三项指标分析了盘古馨苑项目的可持续性能。上述指标不仅是商业住宅项目评价体系中的必备内容(三项指标分属于LEED®认证体系中可持续建筑场址、室内环境质量模块)，同时也是BIM技术能够应用于建设项目可持续评价过程最好的例证。车库容量评价体现了BIM技术能够扩充传统可持续评价内容；日照设计评价的操作过程体现了BIM技术操作便捷的特点；基于BIM技术的绿化率指标评价则体现了应用该技术能准确、快速得到分析结果。下文将对3项指标的评价过程做详细介绍。

与城市独立专用地下停车库不同，住宅小区地下停车库的总平面布局，受地面以上住宅楼的影响较大。高层住宅小区建筑的结构体系较密的柱网会将停车库分隔成零散的片区，停车效益大大降低，库内车道也不易简洁通畅。基于BIM技术的地下车库容量分析较传统分析方法优势明显，BIM模型可以将地下空间集成于一块整体，合理安排布局，并依据BIM模型导出的车位明细表、车库净高检查准确反应了方案的合理性，体现出规划设计最大化利用停车空间的特点，相关的分析资料也能够作为申请LEED®认证的提交内容。地下车库容量方案分析过程如图2所示。

图2　基于BIM的车库容量分析报告

图3　基于Ecotect的日照分析报告

图4　基于Revit的绿化率评价报告

日照对于建筑设计有着深远的影响，优秀的日照设计可以提高建筑的舒适度和卫生条件，降低采暖能耗并提供清洁的能源。Autodesk EcotectTM提供了强大的日照分析功能，以各种直观的三维模型效果图来显示模型中的遮挡和投影状况，直观且易于理解。用户可以将gbXML文件导入Autodesk EcotectTM，设置好项目所在地的地理坐标，进入“Shadow Setting”，选择“Daily Sun Path”，点击“Display Shadow”即可在视图中清晰显示该地区任何时段太阳运行轨迹和建筑物投影遮挡状况示意图，通过调整模型得到实时反馈结果，进而确定项目地理位置和最佳朝向，形成的遮挡示意图可直接作为认证资料备用，操作简单、结果准确，如图3所示。住宅小区可持续性评价中，“绿化率”这一概念被频繁使用，被设计者作为衡量小区景观绿化质量优劣的重要指标。，绿化率是指绿化垂直投影面积之和与小区用地的比率。传统的绿化率测算方法是基于项目前期规划图纸的粗略计算，并不能够准确反映建造过程中绿化面积、绿地位置的变动。基于BIM技术的绿化率指标评价可以通过地形建模，借助模型准确显示绿化地块的位置，通过软件导出绿化面积明细表，进而计算得出绿化率指标，如图4所示。

盘古馨苑项目容积率、得房率指标的计算也是基于BIM模型采用Revit软件所得，本文并不展开叙述。上述可持续评价指标的分析过程相较于传统的可持续分析方法效率得到了极大提高，资料数据的准确性得到了充分保证。

3.2.3BIM-LEED®概念框架合理性验证结论

盘古馨苑项目基于BIM技术的可持续性分析的具体应用归纳如表2所示。通过盘古馨苑案例验证了5项LEED®指标。对于其中能直接通过BIM模型及其相关软件获得认证得分的指标，本文归纳为“Direct”；部分不能通过BIM模型及其相关软件直接获取的指标归纳为“Semi-direct”，例如某项指标需要在软件导出数据的基础上进行计算才能获得。从BIM模型及其相关软件直接或间接生成的信息资源与已获得LEED®认证的项目所提供的认证资料的比较结果来看，BIM模型及其相关软件生成的信息资源是完全符合LEED®认证标准要求的，从而验证了BIM-LEED®概念框架的合理性。

表2　盘古馨苑案例LEED®认证部分信息

本文在盘古馨苑案例研究的基础上，根据对LEED®评估体系可持续建筑场址、水资源利用、建筑节能与大气、资源与材料、室内空气质量、设计创新等6个方面30种类别总计55个采分点所需评审材料的整理，以及通过对Autodesk Revit、Autodesk EcotectTM等BIM基础软件、工具软件的实践应用，进一步总结归纳了BIM技术对于建设项目可持续性分析所能给予的作用、服务，进而得出适用于BIM-LEED®模式的17项评价指标、2项评价需求指标共计38个LEED®认证得分，清晰界定了BIM-LEED®模式的适用范畴，详见表3。

表3　基于BIM技术获取LEED®认证的可行性介绍

续表

4结论

(1)由于当前市场缺少能够集成LEED®特性的软件，因此LEED®认证过程与基于BIM技术的可持续建筑评价之间不存在一对一的关系。

(2)BIM-LEED®模式适用于17项评价指标、2项评价需求指标共计38个LEED®认证得分。本文通过盘古馨苑案例验证了其中5项。

(3)基于BIM技术的可持续建筑评价软件生成结果的工作效率相比传统方法明显提升，也就是说，BIM可以应用于建设项目可持续评价中，且能够节省大量的时间和资源。

(4)基于BIM技术的可持续建筑评价过程中产生的错误信息主要是由于项目建模不够准确导致的。

参考文献

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Feasibility of the Building Information Modeling for LEED Rating Analysis

CAOYang1,2,FENGTao1

(1. The College of Architecture and Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2.China MCC20 Group Co Ltd, Shanghai 201900, China)

Abstract:Leadership in Energy and Environmental Design (LEED(®)) is the most widely adopted sustainable building rating system in the world. For projects pursuing LEED(®) certification, designers have to conduct in-depth sustainability analyses based on a building′s form, materials, context, and mechanical-electrical-plumbing (MEP)systems. Since Building Information Modeling (BIM) allows for multi-disciplinary information to be superimposed within one model, it creates an opportunity to conduct these analyses accurately and efficiently. Based on the research of BIM for sustainability analyses and the LEED(®) certification process ,this article analyzed the advantage of BIM application in the construction project of sustainable design .On this basis, a conceptual framework was developed to establish the relationship between BIM based sustainability analyses and the LEED(®) certification process. Next, the framework was validated via this case of Pangu XinYuan residential projects in Shanghai. The results of this study indicate that documentation supporting LEED(®) credits may be directly or indirectly prepared using the results of BIM-based sustainability analyses software. This process could streamline the LEED(®) certification process and save substantial time and resources which would otherwise be required using traditional methods.

Key words：BIM; sustainable architecture evaluation; LEED(®) rating; green building rating systems; building performance analyses

中图分类号：TU17

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)02-0022-08

作者简介：曹杨(1978-)，女,上海宝山人，教授级高级工程师，博士，研究方向为工程管理信息(Email：caoyang@mcc20.cn)通讯作者： 冯涛(1992-)，男，陕西榆林人，硕士研究生，研究方向为工程管理信息化(Email:13571265334@163.com)

收稿日期：2015-10-16修回日期： 2015-11-03