BIM技术与绿色建筑可持续发展分析

中国建筑设计院有限公司·BIM设计研究中心主任 于洁

中国建筑设计院有限公司·BIM设计研究中心 石磊

背景

21世纪以来，建筑业成为我国国民经济的支柱产业。我国建筑业快速发展，建造能力不断增强，产业规模不断扩大，吸纳了大量农村转移劳动力，带动了大量关联产业，对经济社会发展、城乡建设和民生改善作出了重要贡献。但同时也要看到，建筑行业的迅猛发展，消耗了巨大的自然资源，淡水、可耕地、天然材料、不可再生能源等日益枯竭，带来温室气体、污染物等的排放量却大幅增加。在我国，建筑的总能耗已经占到全社会总能耗的25.5%左右。同时，建筑造成的恶劣空气质量也危及到了公众日常生活与健康。为应对能源危机、人口增长等问题，绿色、低碳等可持续发展理念逐渐深入人心，而以有效提高建筑物资源利用效率、降低建筑对环境影响为目标的绿色建筑成为全世界的关注重点。环境友好型绿色建筑成为世界各国建筑发展的战略目标。

随着《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》（国办发〔2017〕19号）和住房城乡建设部《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》（建质函[2015]159号）等政策文件的出台，为行业贯彻实施创新驱动发展战略，培育和发展工程建设领域“新技术、新产业、新模式、新业态”，促进工程建设行业转型升级，推动绿色城镇化、数字城市和智慧城市建设提供了政策支撑。其中，BIM技术作为建筑业的新技术、新理念和新手段，在已成为受到业界广泛关注和认可的绿色建筑可持续发展实施系统性方案，是推进绿色建筑可持续发展——降低建筑业资源消耗、减少建筑垃圾排放、消除环境污染、实现节能减排的重要举措。

BIM与绿色建筑可持续发展关系

从中国建设科技集团股份有限公司多年的绿色建筑实践经验来看，标准体系是反映、评估与实现绿色建筑规范、有序、健康、可持续发展的重要指标与保证。

目前，世界上已经有近30个国家或地区推出了建筑节能、绿色建筑以及可持续建筑的设计标准，让建造绿色节能、可持续性的建筑切实落地。例如，英国皇家测量师学会定义有效利用资源、减少污染物排放、提高室内空气及周边环境质量的建筑即为绿色建筑。美国国家环境保护局定义绿色建筑是在全生命周期内（从选址到设计、建设、运营、维护、改造和拆除）始终以环境友好和资源节约为原则的建筑。中国《绿色建筑评价标准》定义绿色建筑为在全生命周期内，最大限度节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。

从各国对绿色建筑的定义不难看出，绿色建筑提倡将节能环保的理念贯穿于建筑的全生命周期；主张在提供健康、适用和高效的使用空间的前提条件下节约能源、降低排放，在较低的环境负荷下提供较高的环境质量；提倡在技术与形式上须体现环境保护的相关特点，即合理利用信息化、自动化、新能源、新材料等先进技术。

图1 基于BIM技术的中国本土绿色设计评估体系

BIM技术与绿色建筑全生命周期发展理念相吻合，作为建筑业的新技术、新理念和新手段，BIM技术势必对绿色建筑的发展起到重要的推动作用，引导建筑业传统思维方式、技术手段和商业模式的全面变革，引发建筑业全产业链全面整合与再造。在我国，依据BIM技术数字建模与仿真的特点，BIM技术将成为绿色建筑科学规划和持续发展的基石，其作用主要体现在以下几个方面：

一是BIM技术与绿色建筑可持续目标在时间维度的一致性。BIM技术致力于实现全生命周期内不同阶段的集成管理；而绿色建筑的开发、管理涵盖建造、使用、拆除、维修等建筑全生命周期。时间维度对应为两者的结合提供了便利。

二是BIM技术与绿色建筑可持续目标在核心功能的互补性。绿色建筑可持续目标的达成需要全面系统地掌握不同材料、设备的完整信息，在项目全生命周期内协同、优化，从而节约能源、降低排放，BIM技术为其提供了整体解决方案。

三是BIM技术与绿色建筑可持续目标在应用平台的开放性。绿色建筑需借助不同软件来实现建筑物的能耗、采光、通风等分析，并要求与其相关的应用平台具备开放性。BIM平台具备开放性的特点，允许导入相关软件数据进行一系列可视化操作，为其在绿色建筑中的应用创造了条件。

图2 中国本土绿色建筑设计理论方法路线

BIM技术促进绿色建筑生产方式的改变，促进建筑行业的工业化发展

建设项目本质上都是工业化制造和现场施工安装结合的产物，提高工业化制造在建设项目中的比例是建筑行业工业化的发展方向和目标，同时也是实现可持续绿色建筑生产方式的有效途径。

基于BIM技术可以实现建筑工程项目在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用，实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理，通过虚拟建造与仿真模拟功能，易于为项目方案优化和科学决策提供依据，促进建筑业提质增效，从而减少建筑全生命期的资源消耗与浪费，带来巨大的经济和社会效益。

前期规划设计、建造阶段，合理利用BIM技术，对建筑周围环境及建筑物空间进行仿真模拟分析，得出最合理的场地规划、交通物流组织、建筑物及大型设备布局等方案。利用虚拟施工建造，避免建造过程中碰撞或冲突导致的管网漏损；提升建筑使用功能及节能、节水、节地、节材和环保等要求；后期运管阶段，借助BIM信息模型整合建筑相关设备设施的使用情况及性能进行实时跟踪和监测，在动态数据库中做到全方位、无盲区基于BIM进行能耗分析与管理。为使用者提供功能适用、经济合理、安全可靠、技术先进、环境协调的建筑设计产品。

图3 基于BIM技术的绿色可持续设计

同时，BIM技术的产业化应用将大大推动和加快建筑行业工业化进程，坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。建筑的工业化实施必将助力推进绿色建筑可持续发展进程，减少工程建设行业的污染排放与能源粗放式消耗。

此外，还应在新建建筑和既有建筑改造中推广普及智能化应用，完善智能化系统运行维护机制，实现建筑舒适安全、节能高效。

图4 BIM技术的产业化应用与建筑工业化进程

BIM技术促进绿色建筑的产业融合与社会化推广

我国工程项目建设产业链庞大，具有项目类型多、项目数量多、项目规模大、参建方众多等特点，加之绿色施工、节能减排等建设理念，对项目管理工作、产业融合与新技术的社会化推广和应用提出了很大的挑战。建立基于信息技术的产业链融合与推广途径成为建筑业发展的内因需要与外因动力，也成为深化建筑业“放管服”改革、完善监管体制机制、优化市场环境、提升工程质量安全水平、强化队伍建设、增强企业核心竞争力、促进建筑业持续健康发展、打造“中国建造”品牌的重要支撑。

完善工程建设组织模式及监管体制机制，提升工程质量安全水平

借助BIM技术的信息协同模式可以把工程项目设计、建造过程中的分散、人工管理的信息集中，用分级、分类的信息安全自动管理方式进行管理，建设相关方协同工作，信息交流通畅，可以保证工程项目管理效率的大幅提高。例如，借助BIM信息技术，建设方以及各相关方监管部门可以全面监视、管控工程项目的品质、成本、工期和效率。通过BIM精确算量、算价，实现投资成本的精确控制，实现项目精细化管理。

深化建筑业“放管服”改革，优化市场环境，促进建筑业持续健康发展

建设工程项目的审批、管理与服务过程中，往往与当地政务局办、财政等部门之间存在紧密的业务联系。目前，传统工程建设项目审批过程中，缺少以信息技术为基础的多部门协同的流程化、标准化审批体系，难以满足工程建设项目高强度的审批需求，通过建立“基于BIM技术的建设协同管理平台”，与政务数据共享、传递与对接，实现“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的管理机制，推动政府行政管理理念和模式进步，以基于数据的科学决策实现协同化协作、管理与服务模式，支撑政务精细化管理和服务，为建筑业企业提供公平市场环境。同时，政府投资工程项目对信息安全有较高要求，涉及到公共利益、公共安全的工程项目必须保证工程建设的信息安全，按照“数、云、网、端”融合创新趋势及电子政务集约化建设需求，依托统一的国家电子政务网络加快建设可持续性政务数据维护系统（安全防护、共享交换、数据分析、更新备份），实现关键城市公共基础设施业务协同和数据共享汇聚。

图5 BIM促进绿色建筑的产业融合

此外，建立完善全国建筑市场监管公共服务平台，加快实现与全国信用信息共享平台和国家企业信用信息公示系统的数据共享交换。建立建筑市场主体黑名单制度，依法依规全面公开企业和个人信用记录，接受社会监督。

BIM、GIS技术融合促进绿色园区、区域级绿色城市、社会化互动的建立

如果将绿色建筑延伸至绿色建筑群，即绿色园区或绿色区域城市，在建立孪生数字园区、孪生数字区域级城市方面，需要应用到建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）。BIM技术通过建筑信息模型去开展各项虚拟建造、模拟工作，将绿色仿真功能应用于建筑工程及市政工程设计、建造、管理，不仅仅可以使建筑工程、市政工程在其整个进程中得出最合理的场地规划、交通组织、建筑物及大型设备布局等方案，科学化、数据化提质增效，并通过虚拟建造功能在真实施工过程前发现“错、漏、碰、缺”等错误和遗漏，减少建筑全生命期的资源消耗与浪费。GIS技术已经由以往单一的导航工具，逐渐通过与多种智能化技术的融合，实现区域级、城市级的时空仿真数字孪生园区与区域级城市信息模型（CIM），可提取园区、区域级城市的地物类型信息，包括城市建筑物、道路、绿地、水体等，还可以借助城市数字孪生模型（CIM）推演城市的生态环境特征进行分析，包括城市的热岛情况、地表不透水条件等。

这两项技术结合就能够生成含有丰富孪生数字信息的园区或区域城市三维信息模型，实现绿色园区、绿色区域城市的三维规划、场景的优化与系统集成，进而为绿色园区、绿色区域级城市规划、施工建造与运营管理工作始终同周边环境紧密结合提供条件，可使用户从微观和宏观多个空间尺度充分考虑任一设计单元自身特点及与周边环境的相互关系，并结合大数据技术进行科学的模拟和分析，从而实现绿色园区、绿色区域级城市科学规划。此外，BIM与GIS技术的结合更为绿色区域级城市制定防灾规划、建立预警机制以及制定紧急应对措施，尽量避免灾害发生，降低灾害造成的损失。科学技术的不断进步，为随时监控灾害的形成和发展提供了越来越大的可能。因此，BIM技术与GIS技术的融合应用与发展，为绿色园区、绿色区域级城市走向数据化、信息化带来契机，是未来的发展方向。

随着物联网和移动通讯技术的发展，日益丰富的数据源为研究园区、区域级城市空间特征提供了新的视角和方法，利用这些数据不仅可以对城市物质空间特征信息进行提取，还可以分析绿色建筑、绿色园区、绿色区域级城市使用者在城市空间中活动的时空特征。例如，利用手机信令数据模拟人群的时空动态分布，提取居住地、就业地等各种人群活动的特征空间，分析各类型人群空间的分布特征，平衡区域级的绿色规划体系等。区域级的城市孪生数字模型（CIM）在城市规划、环境仿真模拟等领域有巨大潜在价值，为揭示动态城市生态演变系统带来遐想。

图6 区域级、城市级的数字孪生园区与区域级城市信息模型

结语

从过去几年的绿色建筑可持续发展实践来看，强调更多的是实现绿色建筑可持续发展的技术手段，忽略了绿色建筑可持续发展的本质是绿色建筑建造、运维管理的本质，忽略了城市群的绿色建筑低能耗运维管理带来的更大利益，忽略了建筑工业化、建筑信息化、绿色建筑与使用者、管理者之间，乃至整个园区、整个区域级城市的互动关系。同时在推进过程中，由于缺乏基于城市整体考虑与可持续发展的顶层设计体系，导致现有的绿色建设可持续实践更像是单个的绿色化项目（如某项目绿色认证等级评选等），未能全面有效地解决城市发展所面临的各类问题，对城市居民生活的改善也效果甚微。

相信随着物联网、云计算、下一代互联网、无线宽带等新一轮信息技术发展，信息技术智能化、集成化特征凸显，信息网络也进一步向宽带、融合方向迈进。同时，信息技术与其他产业技术的融合会不断加深，并且将进一步培育和促进新兴产业发展，形成新的经济增长点，为信息时代的到来奠定了技术基础。BIM技术的研究和应用对于实现绿色建筑生命期可持续发展与管理，甚至从城市群（CIM）的发展与应用角度，推进建筑业“两化（工业化+信息化）融合”进程，具有巨大的应用价值和广阔的应用前景，我们应把握信息技术发展的新机遇，加快推进绿色建筑，抢占先发优势，确保在城市新一轮发展中，把握主动权。