基于BIM理念的绿色建筑新思维

周吾波　徐嘉佑　孙堂宇　李明柱　李明照　韩言锋

(吉林建筑大学，长春　130118)

基于BIM理念的绿色建筑新思维

周吾波徐嘉佑孙堂宇李明柱李明照韩言锋

(吉林建筑大学，长春130118)

【摘要】通过BIM精细化设计，使用统一的数据源，保持整个设计过程数据的可持续性，对设计各阶段进行优化，使设计作品达到绿色建筑设计的要求。此外，使用数字模拟软件Ecotect、Fluent、Abaqus、Pathfinder等对光照、风环境、荷载、人员疏散进行模拟分析，并通过模拟结果来优化建筑开窗、建筑遮阳、建筑抗震、建筑疏散以及可再生能源的利用，提升设计质量，保证设计的安全性、节能性、环保性和可持续性，使图书馆具有更适合学习和生活的室内外环境，达到“人-建筑-自然”三者和谐共生。

【关键词】绿色建筑；建筑物理模拟；日照模拟；风模拟；内力分析模拟；人员疏散；建筑信息模型；光照；风环境；荷载；人员疏散

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.09

1工程概况

1.1项目简介

东北师范大学净月校区图书馆为吉林建筑大学建筑学专业课程设计题目，以“阶与叶”为基本概念，将其作为联结大学生学习与生活的纽带，区别于传统设计流程，如图1～2所示。

图1　图书馆方案效果图(南)

图2　图书馆方案效果图(北)

1.2工程特点和难点

工程特点：东北师范大学净月校区图书馆，将绿色建筑和BIM理念贯彻整个设计全过程，通过对节能技术、节能材料、空间环境地有效利用，保证图书馆在多个方面达到节能设计标准，BIM理念与技术保证了与绿色建筑理念的实施。绿色图书馆的设计，涉及到不同的专业领域协同与合作，因此建筑、结构、市政专业在整个设计过程通过云平台下三维立体的BIM建筑模型进行专业间信息的交流。

工程难点主要有：①东北师范大学图书馆周边有大量正在使用的既有建筑，需保证图书馆与学校既有建筑设计风格相协调；②确定设计作品的建筑功能、使用人数、建筑形态，在不同专业贯彻并落实绿色建筑理念和BIM理念，使用绿色建筑模拟软件来确保设计的合理性，解决Revit信息模型与各绿色建筑模拟软件之间信息传递[1-6]。

1.2.1风环境模拟

包括室外风环境模拟、室内自然通风模拟和室内空调气流组织模拟(图3、4)。

图3　报告厅气流组织模拟

图4　室外风环境模拟

(1)室外风环境模拟：周边建筑的影响、模型的体量、各种形体的建筑、风速高度梯度、模型网格划分精度等都对模拟精确程度带来了很大挑战，模拟结果需要修改的部分与建筑、结构专业存在交叉；

(2)室内自然通风模拟：对建筑物内部模型的精细程度提出了很大的挑战，大量的窗墙导致了边界条件的多变，对网格划分技巧提出了严格要求，模拟结果反馈与建筑和结构专业存在交叉；

(3)空调气流组织模拟：图书馆报告厅空调气流组织的模拟涉及到温度、湿度、风速三者的耦合，对网格划分与求解精度带来了挑战，模拟结果反馈与暖通专业存在交叉[7]。

1.2.2光环境模拟

包括日照、辐射、室内光环境模拟(图5、6)。

(1)日照模拟：3D界面能清晰反映出各时刻建筑的阴影区域。日照不足的部位，可以直接进行修改；

(2)辐射模拟：通过辐射模拟，确定太阳能集热器的朝向，优化设计。模拟结果与建筑专业、暖通专业交叉。

图5　日照模拟

图6　内力分析模拟

1.2.3结构内力分析模拟

结构进行有限元分析以及抗震模拟，发现结构存在的薄弱点。

(1)建模：Abaqus精细化建模复杂，尤其是建立一套完整的图书馆结构模型；

(2)分析模拟：网格划分以及荷载输入后对结构进行内力分析模拟，发现结构薄弱点，模拟结果与建筑专业有交叉。

1.2.4人员疏散模拟

将Revit模型经简化后导入Pathfinder软件，用Pathfinder软件进行人员疏散模拟，确定逃生路线设计的科学性。

每一个专业的设计，实际上都离不开其他相关专业的沟通与协调，因此一个完整的由内而外的建筑设计需要大量的信息交互。传统设计流程往往是通过二维的图纸，反复解决各专业设计间存在的问题，造成设计效率低、效果差。利用绿色建筑物理模拟软件对精细化BIM信息模型进行分析，保证数据源的统一性和数据的连续性，将不同的模拟软件如光照(Ecotect)、风环境(Fluent)、荷载(Abaqus)、人员疏散(Pathfinder)进行整合，解决软件间的数据传输壁垒问题是本次设计探索中的重点与难点[8-10]。

2BIM组织与应用环境

2.1应用目标

作为应用试验项目，东北师范大学净月校区图书馆的设计目标是摆脱二维图纸，通过学校云平台实现设计相关各专业能够同时基于同一个三维建筑模型进行设计、建造和运维，最终实现工程项目的零索赔、零变更。绿色建筑物理模拟用于精细的BIM信息模型，将设计的建筑在计算机系统中进行预运行，确保设计师能够设计最满意的建筑作品，达到绿色宜居建筑。

为探索和创新设计流程，本设计完全摆脱了传统的设计流程即二维进、二维出的模式，利用Revit软件进行三维立体模型设计，避免在传统设计流程图纸交互过程时出现的一些纰漏。通过建筑模型了解建筑的空间形态、结构尺寸、通风排水管的排布、造价等真实数据信息，将所有建筑物相关数据信息全部集中在同一个建筑模型中，充分利用该精细信息模型，进行风、光、热模拟，使建筑更加宜居，绿色技术的使用更加科学。

图7　建筑Revit模型(中心文件)

2.2实施方案

(1)学校云平台提供两台10核CPU、128 G内存、Quador 6000显卡的服务器，并生成桌面虚拟化套件，形成两个主虚拟机和100个虚拟桌面。通过虚拟桌面连接到云平台，利用服务器强大的CPU运行大型Revit文件(普通台式机或者笔记本电脑无法运行大型Revit文件)，笔记本电脑就相当于服务器的显示器，运行的是服务器的CPU。

(2)虚拟仿真实验室能够让协同设计小组方便地连接到虚拟桌面。Revit中心文件(图7)存入云平台，设计人员可以同时在Revit中心文件中建立自己的工作集，各个专业可以同时在同一个建筑模型当中进行设计或者修改，直接在三维立体模型上进行操作设计，颠覆了传统的设计流程。

(3)Revit软件平台能够实现多专业的协同设计。建筑学专业的同学完成建筑设计以及Revit建模工作，该模型将作为中心文件储存于云平台上，其他专业的同学则可以通过虚拟桌面连接到云平台，打开模型的中心文件，并在该Revit文件中建立自己的工作集。通过BIM建模工作，所有专业的同学都可以直接在其上进行设计与修改，任何改动都会同步到中心文件，团队中的所有人将都会直观地看到，颠覆了传统设计流程，形成新的工作模式。

(4)BIM模型建立后，应用建筑物理虚拟仿真软件进行模拟。充分利用BIM模型，使用模拟软件对光照(Ecotect)、风环境(Fluent)、荷载(Abaqus)、人员疏散(Pathfinder)进行模拟，发现设计中的错误，在三维模型上修改和优化设计。虚拟仿真模拟形成设计师自查与多专业互查的全新设计模式。

2.3团队组织

吉林建筑大学工程管理(MBF方向)双学士学位班，集中了建筑行业各个相关专业(建筑学、结构、电气、市政、管理、艺术、景观等)的同学，通过不同学科的交叉融合的学习过程，了解其他专业相关知识和概念，打破传统设计过程当中专业之间壁垒，在BIM协同设计中提高协同能力，更好地贯彻BIM理念。

MBF有3个专业方向：M-MIP(Management of International Project国际工程管理)、B-BIM(Building Information Modeling建筑信息模型)和F-FM(Facility Management设施管理)。完成此次毕业设计的团队来自BIM方向的学生，指导教师来自管理学院和市政环境学院。在老师们的指导下，设计团队借助学校“云端BIM三维协同设计与管理实践中心”平台实现了图书馆的作品设计，积累了丰富的BIM实践经验和理论知识。

2.4软硬件环境

硬件环境：学生个人的笔记本电脑、双学士学位班提供的台式电脑、投影仪、虚拟仿真实验室、“云端BIM三维协同设计与管理实践中心”平台。

软件环境(图8)：Revit、Fluent、Ecotect、Lumion、Abaqus、Pathfinder，Sketch Up、广联达、吉林建筑大学云平台、OpenBIM。

图8　软件系列

3BIM应用

云技术所描绘的未来是将一切都放到网络上。云就是网络，网络连接计算机。当需要庞大计算量的时候，云平台就会分配足够的资源，大幅提高计算效率。本次设计的模拟，无论在操作方面还是存储方面，云平台都显示出强大的功能。比如本设计中室内风模拟，如果在PC机上完成模型需要计算6 h，而登陆虚拟桌面后，只需要10 min。

除此之外，风、光、热、力的模拟，需要大量的数据来源。基于精细的BIM三维模型，利用云平台的模拟，能够保证所有数据共享，各专业之间的无缝连接与信息反馈，设计师能够在各模拟软件中进行验证和修改。

随时同步获取最新工作集，在设计中避免管线间碰撞以及管线与梁柱的碰撞。所有构件信息全部储存于同一个Revit中心文件中，建筑、结构、市政、电气专业的所有模型全部集成在一起，每个人建立自己的工作集，避免他人修改。一旦将设计同步到中心文件上，团队成员都可以直观地看到每个构件的位置、大小以及相关信息。Revit中心文件是一个普通电脑无法处理的近几百兆大数据，因此云平台是实现BIM设计的关键。

4应用效果

传统设计流程是以二维图纸作为不同专业之间的联系纽带，如有变更，需要在上述流程当中反复修改和协调。因此在信息交互和图纸转化的过程当中，不可避免地存在纰漏和错误，同时也浪费很多时间和不必要的工作量，无论是在设计流程上还是变更所带来的索赔上，都造成了时间和金钱上的浪费。

运用BIM技术突破传统设计流程，各个专业的设计人员可以同时开展设计和修改工作，与传统二维图纸工作方式相比，协同设计模式能够节约50%～80%的时间。利用精细化BIM信息模型进行建筑物理虚拟仿真，可发现建筑运行中的不足，能帮助设计师直观地在三维模型上修改设计，并且对设计修改进行反复模拟验证，提升设计质量，做到安全、节能、环保、可持续，保证最终设计作品满足优良的室内外环境标准。

三维协同设计阶段大量的工作集中在建模、模拟和优化上，为后期施工阶段节约了大量的时间成本和经济成本。由于经过仿真模拟验证，使得建筑设施在运行维护阶段更高效，成本更低。

5总结

5.1创新点——连续稳定的数据流

图书馆设计中尝试以“三维进、三维出”模式为基础，由以往注重出现问题解决问题的设计思路，转变为避免问题和阻止问题发生。设计过程中，如果有类似于Sketch up、Revit等软件的三维立体模型，结构设计的过程中通过Sketch up、Revit等软件建立的三维立体模型将会对整体建筑有一个更加直观地把握，便于结构选型、构件调整。结构设计中实时了解建筑信息并与建筑设计师配合、建筑对造型以及空间利用率等的需求，对结构设计会产生质的不同。在与市政设计的配合中也是如此。

设计中更重要问题是如何将精细化BIM信息模型中的信息利用起来。保证信息的稳定传递，利用BIM信息对建筑进行模拟分析，将建筑物在计算机中进行预运行，验证建筑设计的合理性，使用建筑物理模拟仿真软件进行模拟仿真，充分利用建筑三维优势，通过使用模拟软件对光照(Ecotect)、风环境(Fluent)、荷载(Abaqus)、人员疏散(Pathfinder)形成直观的建筑运行状况，发现建筑运行中的不足，协助设计师直观的在三维模型上修改自己的设计，并且对设计修改进行不断地模拟验证，达到最优设计，形成设计师自查与多专业互查的全新设计模式。

5.2经验教训

设计过程信息流通不畅是本次设计中遇到的最大问题。建筑、设备、造价等信息很难逆向传递到结构设计中，结构设计信息也不得不通过二次建模来进行传递，而且二次建模的意义相当有限，大部分应用都仅到碰撞检查的程度。各专业之间是如此，结构专业内部的信息流通也存在诸多问题。随着BIM技术的不断发展，大数据时代的来临，庞杂的数据处理能力和软件之间的兼容问题会得到极大的改善。虽然BIM技术的研究和探索才刚刚开始，各个专业协调和整合并不完善，但相信颠覆性的模式创新会在未来的建筑行业当中创造出更大的价值。

各个专业之间不仅要专业化，更要信息化，保证设计过程在同一平台下的信息共享。结构专业中结构选型、节点设计、稳定性分析等专业化设计也能够实现信息、数据的共享，避免各个软件之间的不兼容性，更好地进行各个专业以及专业内部的一体化协同设计。

将BIM理念下的三维协同设计产物与绿色建筑物理模拟相结合，充分利用BIM信息的丰富性与绿色建筑物理模拟的先知性，为建筑设计提供科学的依据，为设计师提供了强大的技术支撑。本次设计理念与方法在高校内乃至行业内都属首创。由于水平及软硬件的制约，成果有限。但基于BIM理念的绿色建筑新思维将传承下去，通过使用BIM技术，为绿色建筑的设计注入量化数据依据，让绿色建筑真正“绿”起来。

参考文献

[1]樊睿源，王强，杨善让.封闭腔体内大空间自然对流的数值模拟[J].水利电力机械,2006,28(1):29-31.

[2]杜鹏，黄有群．基于CFAST的建筑物火灾中烟气模拟的实现[J]．计算机技术与发展，2009，19(2)：240-242．

[3]韩占中，王敏，兰小平．Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M]．北京：北京理工大学出版社，2008．2 丹尼尔·D·希拉.太阳能建筑，北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]周正楠.对欧洲"被动房"建筑的介绍与思考，建筑学报，2009(5)：10-13.

[5]万丽，吴恩融.可持续建筑评估体系中的被动式低能耗建筑设计评估，建筑学报，2012(10)：13-16.

[6]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[7]宋德萱.节能建筑设计与技术[M].上海:同济大学出版社,2003.

[8]于玉龙.公共建筑大空间自然气流的探讨[M].北京:北方工业大学,2010.

[9]王立群.北方寒冷地区居住建筑外窗节能设计研究[M].天津:天津大学,2007.

[10]王肖丹.寒冷地区公共建筑被动式节能策略[M].天津:河北工业大学,2013.

New Thinkings on Eco-friendly Building based-on BIM Concept

Zhou Wubo，Xu Jiayou，Sun Tangyu，Li Mingzhu，Li Mingzhao，Han Yanfeng

(JilinJianzhuUniversityofJilinProvince，Changchun130118，China)

Abstract:By the fine design of BIM and using a unified data source,the sustainability of the whole process of the design data can be maintained，the design can be optimized，and the design works can achieve the requirements of green building.Besides，digital simulation software are used to stimulate and analyze the lights，the winds，the environments，the load，and the personnel evacuation through Ecotect，Fluent，Abaqus and Pathfinder.The results of simulation can optimize building window，the building shading，the building aseismicity，and the evacuation of buildings and renewable energy utilization as well.This method not only improves the design quality but also ensures the design of safety and energy saving，and eco-friendly sustainability,which facilitates the library′s indoor and outdoor environment for both study and life,and thus realizes the harmony among human beings，the architecture and the nature.

Key Words：Green Buildings; Building Physical Simulation; Flow Field Analysis; Internal Force Analysis; Personnel Evacuating; BIM; Ecotect; Fluent; Abaqus; Pathfinder

【作者简介】周吾波(1995-)，男，吉林建筑大学建筑环境与能源应用工程、工程管理双学士学位,LEED AP BD+C。主要从事BIM、FM、绿色建筑相关研究。

【中图分类号】TU17

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)03-0048-05