基于BIM的绿色节能建筑施工管理研究

艾永飞 刘传阳 张珉

摘要：对比传统建筑施工和绿色节能建筑施工的异同点，梳理出绿色节能建筑施工特点;然后从绿色施工的特点出发，利用BIM对传统施工流程进行优化。最后，以中国-丹麦科研教育中心绿色示范工程为例，介绍了BIM技术在绿色施工中的应用。

Abstract： Firstly， compared with the similarities and differences of the traditional construction and green building construction，the construction characteristics of green building are put forward. Then the traditional construction process is optimized with BIM according to the characteristics of green building. Finally， taking the example of green demonstration project of China - Denmark research and education center， the application of BIM technology in green construction is introduced.

关键词： 绿色节能建筑;施工管理;BIM

Key words： green building;construction management;BIM（Building Information Modeling）

中图分类号：TU17                                       文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0007-05

0  引言

绿色节能建筑施工是指在保证工程安全、质量前提下，在施工中做到“四节一环保”，通过科学管理和有效技术措施，最大限度地节约资源和减少对环境的负面影响，保护施工人员的安全与健康，从而建设资源节约型、环境友好型社会的施工方式[1]。如今，快速的城市化进程、巨大的基础建设量、自然资源及环境的限制决定了中国建筑节能工作的重大意义和时间紧迫性[2]。然而，国内施工企业绿色施工过程仍存在绿色施工观念淡薄、施工技术落后以及绿色施工管理不力等问题[3][4][5]。这和企业绿色施工过程仍采用传统方法，较少涉及绿色管理内容有很大关联[6]。如此重要的管理内容必然要求有好的施工流程做支撑。从绿色施工的特点出发，在传统施工流程的基础上引进BIM技术以优化施工流程，可为绿色节能建筑施工提供一种新的思路。

1  绿色节能建筑施工管理研究现状及施工特点

1.1 绿色节能建筑施工研究现状

目前国内对绿色施工管理研究及实践以项目管理为基础，将全寿命周期与可续发展的思路运用于绿色工程的施工实践中[7]。传统的建设项目一般可以划分成：决策阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段，招投标阶段，施工阶段以及竣工验收阶段，从项目的全寿命周期来看，传统施工的决策阶段为概念阶段，初步设计到招投标为设计阶段，施工及竣工为施工阶段，此后转交业主，退出运营阶段，如图1所示，文献[8]在考虑到这种流程对绿色施工考虑不足的基础上，列出了绿色建筑施工全寿命期内绿色管理重点内容。本文选取国内外绿色建筑施工案例和文献进行了深入研究，包括北京某奥运场馆、深圳市康沃工业园、广西钦州市公安局指挥中心综合楼工程等。从施工目标、施工出发点、着眼点，效果以及效益观五个方面分析了两者的差异，与传统施工相比，既有相同点，又有很大的不同，见表1。

1.2 绿色节能建筑施工特点

从绿色施工与一般建筑施工的差异出发，结合国内外的绿色施工文献[9][10]以及所在工程的实践，总结出绿色施工如下4个特点：

①以客户为中心，重点考虑建筑的环境属性。

传统建筑是以进度、质量成本作为主要控制目标，而绿色建筑的出发点是节约资源、保护环境，满足使用者的要求，以客户的需求为中心，管理人员需要更多地了解客户的需求、偏好、施工过程对客户的影响等，此处的客户不仅仅包括最终的使用者，还包括潜在的使用者和自然。传统建筑的建造和使用过程中消耗了过多的不可再生资源，给生态环境带来了严重污染，而绿色建筑正因此在传统建筑施工目标上基础上，优先考虑建筑的环境属性，做到节约资源，保护环境，节省能源，讲究与自然环境和谐相处，将环境破坏程度降到最低，将不利影响转换为有利影响;同时为客户提供健康舒适的生活空间，以满足客户体验为另一目标。最终的绿色建筑不仅要交付一个舒适、健康的内部空间，也要制造一个温馨、和谐的外部环境，最终追求“天人合一”的最高目标。

②全寿命周期内，合理优化用能结构 [11]。

不同于传统的建筑，绿色建筑是针对建筑的全寿命周期范围，从项目的策划、设计、施工、运营直到筑物拆除，所以绿色建筑的概念是贯穿建筑物的全寿命周期。在设计时提倡被动式建筑设计，通过建筑物本身来收集、储蓄能量（而非利用耗能的机械设备）使得与周围环境形成自循环的系统，在全寿命期内，最大限度利用被动式节能设计（Passive Design）与可再生能源。这样能够充分利用自然资源，达到节约能源的作用。设计的方法有建筑朝向，建筑保温，建筑体形，建筑遮阳，最佳窗墙比，自然通风、自然采光等等。在建筑的运营阶段如何降低能耗，需要尽量使用可再生的能源，例如合理利用光能、风能、地热等。

③注重全局优化，保证施工目标均衡。

绿色建筑从项目的策划、设计、施工、运营直到筑物拆除过程中追求的是全寿命周期范围内的建筑收益最大化，是一种全局的优化，这种优化不仅仅是总成本的最低，还包括社会效益和环境效益，如最小化建筑对自然环境的负面影响或破坏程度，最大化环保效益、社会示范效益。绿色施工虽然可能导致施工成本增大，从长远来看，将使得国家或相关地区的整体效益增加，但这种增加也是有条件的，建设过程有各种各样的约束，进度、费用、绿色环保等要求，可以将以价值工程作为优化基础保证施工目标均衡[12]，通过采取技术经济措施，做到一次投入，全寿命期内受益。

④重视创新，提倡新技术、新材料、新器械的应用[13]。

绿色建筑是一个技术的集成体，在实施过程中会遇到诸如能源优化、污水处理、管线的优化、采光设计等的技术问题。相对于传统建筑，绿色节能建筑在技术难度，施工复杂度，以及风险把控上都存在很大的挑战。这就需要利用多种先进技术、新材料及新器械，以可持续发展为原则，追求高效能、低能耗，将同等单位的资源在同样的客观条件下，发挥出更大的效能。国内外实践中应用较好的技术方法有BIM、采光技术、水资源回收利用等技术。这些新技术应用不仅可以提高施工效率，最重要的是可以解决传统施工无法企及的问题。因此，绿色施工管理不仅需要理念上的转变，而且还需要施工工艺和新材料和器械的支持。

2  基于BIM及价值工程的施工流程优化

通过绿色施工与传统施工的对比，可以看出在绿色专项的全生命周期管理上需要引起重视，可以通过建立绿色建筑施工组织专项规划将绿色管理部分予以安排，明确实现绿色专项的功能的方法及流程。鉴于BIM技术强大的建模、数字智能和专业协同性能以及国际上10余年工程建设实践中低投入高回报的优势[14]，从绿色建筑施工的特点出发，可以将BIM技术作为绿色施工中的一项新技术应用于绿色建筑的全寿命周期中，对传统施工流程进行优化，以期解決绿色管理问题，如图2所示。

2.1 BIM概念及其价值

建筑信息模型（Building Information Modeling ，BIM）技术是建设项目的兼具物理特性与功能特性的数字化模型，且是从建设项目的最初概念设计开始的整个生命周期里做出任何决策的可靠共享信息资源[15]。它是一项近年来出现的，引领建筑数字技术走向更高层次的新技术，是继“甩开图板转变二维计算机技术绘图”之后的又一次建筑设计技术手段的革命，在国际上已成为工程建设领域的热点。据统计，到目前，美国已经有半数建筑企业应用了BIM相关的软件，欧洲挪威、芬兰的使用率更高达70%，亚洲的新加坡由政府以建筑行业BIM电子报批为抓手从2013年开始全面推动BIM技术;我国自2007年起也在逐渐推进BIM应用，在一大批世界瞩目的工程上应用了BIM技术，如北京奥运水立方场馆、上海世博文化中心、国家电力馆等。2015年住建部出台了《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，指出以国有资金为主的大中型建筑以及申报绿色公共建筑以及绿色示范小区，其BIM技术应用率应达到90%以上。

BIM技术的价值主要体现在BIM的3D展现能力、BIM的精确计算能力以及BIM的协同沟通能力上，据普华永道对BIM技术在国内外的工程应用可以看出，BIM技术可使建设周期缩短5%（其中，沟通时间减少30-60%，信息搜寻节约50%），成本减少5%。基于BIM的价值可以在传统建筑施工上产生新的变化：

①新理念的产生。

BIM协同的能力可使得建筑设计、施工、运营维护的过程全集于BIM平台上，可形成建筑全寿命周期理念，类似还可以形成建筑知识管理理念、新的建筑认知体系等。

②资源的重新整合和配置。

BIM技术是以数字为基础，可以结合“大数据”、“云计算”等技术做好资源的动态管控，实现资源的重新整合和配置。

③新的思维及工作方式。

BIM技术“所见即所得”的思维理念会对建筑施工带来新的改变，如3D虚拟模型及衍生的nD功能（4D动画，5D造价……）等，思维改变也必将带动工作方式的变化。

2.2 BIM技术在绿色建筑全寿命周期内的应用

鉴于BIM的3D展现能力、精确计算能力以及协同沟通能力，将其应用到绿色建筑中可以很好地体现出绿色建筑的特点。借鉴国内外BIM技术在的绿色建筑施工管理中取得的好的实践，将BIM技术应用于绿色建筑的全寿命周期中 [16][7]。（表2）

3  案例应用

3.1 工程概况

中国-丹麦科研教育中心绿色示范工程（下称中丹绿色工程）为丹麦全额捐建，是其在中国投资的第一个科研教育建设项目，为地下一层，地上五层，局部六层建筑，面积10865.48㎡。本工程由中铁建工集团承包，工程造价为9310万元，已于2017年底竣工。该工程在项目决策、设计、施工过程中严格落实LEED的绿色施工要求。项目部本着可持续发展的理念精心策划，科学组织绿色施工，在全寿命期内应用了BIM技术，应用情况见图3，收到了很好的工程效益和经济效果，另外，本工程的BIM技术应用还获得了第二届中国建设工程BIM大赛卓越工程项目奖一等奖。以下对BIM技术在绿色建筑各阶段中的应用做重点介绍。

3.2 BIM技术在绿色节能建筑施工中的应用

项目部成立BIM技术小组，使用Revit 2014三维建模工具，MS Project2010进度管理软件以及Naviswok 2014软件以及Ecotect 能耗分析软件实现三维建模、进度模拟、管线碰撞、内部漫游、工程算量以及建筑用能模拟等功能。具体的：

通过BIM技术的应用，在决策阶段，在技术方案中，按照客户对绿色建筑的需求，建立建筑的3D模型，使得各参与方对绿色建筑从一开始就对建筑的内外环境有直观便捷的认识，在对后期建筑设计、施工、运维等方案的认识上更容易达成一致，同时也便于对外展示，起到很好的示范宣传作用，图4为中丹绿色工程前期策划的内外部环境。此阶段BIM技术应用充分体现了绿色施工以客户为中心，考虑建筑的环境属性的特点。

在设计阶段，利用BIM技术进行了3D建模，能量模拟、漫游，及管线碰撞等试验，其中：在建模中充分考虑了被动节能设计，预留了采光通风通道，也通过漫游的应用分析对比并不断优化设计方案，如图5（左）为深度优化设计方案;进行了能量模拟，对建筑的节能情况进行了分析，对不合理之处进行改进，如图5（中）;碰撞试验解决主体、结构、水电、暖通等不同专业设计图纸的融合，在碰撞试验中发现了3处管线铺设不合理之处，如图5（右）所示;通过优化方案和设计，为工程算量、管道综合布置提供了可靠的保障。此阶段BIM技术作为新技术体现了绿色建筑注重全局优化、全寿命周期最大限度利用被动式节能设计与可再生能源的特性。

在施工阶段，进行了3D建模指导模板支护，为结构复杂的构建施工提供了指导，以旋转楼梯为例，旋转楼梯是由同一圆心的两条不同半径的内外侧螺旋线组成的螺旋面分级而成，每一踏步都从圆心向外放射，虽然内外侧踏步宽度不同，但在每一放射面上的内外侧的标高是相同的。螺旋樓梯施工放线较为复杂，必须先做好内业工作，本工程利用BIM技术，导出梯梁的控制点ID坐标，实现了无梁敞开式折板清水混凝土旋转楼梯的施工操作。保证施工顺利进行，实施过程无返工，节约了时间、减少了材料的浪费，见图6（上）。另外，4D进度可视化模拟节约了人工成本，为没有经验及刚参加工作的管理人员更直观的认识工程实体，了解工程进度，提高施工效率见图6（下左）;在施工阶段实施了工程算量，实现精细化生产，实际施工中，通过BIM算量指导钢筋、混凝土等的用量，偏差可控制在5%左右，符合低消耗的绿色施工理念，见图6（下右）。

此阶段BIM技术作为新技术体现了绿色建筑节能优化、追求目标均衡的特性。

在后续的运维阶段，BIM技术也将帮助管理人员做好建筑的信息管理以及故障影响分析，会在设施管理、维修保养方面发挥重要作用。

4  结语

通过对比传统建筑施工和绿色节能建筑施工的异同点，梳理出绿色节能建筑施工特点及绿色管理专项的重点工作;然后将BIM技术引入到传统施工中，对其进行优化，通过在中国-丹麦科研教育中心绿色示范工程中的应用，取得了很好的效果。在对传统施工流程优化的基础上，可进一步对其他关键问题进行深入研究，比如绿色节能建筑施工的管理模式，施工的进度、费用、信息、风险的协同管理，以及知识管理等，从而提高绿色节能建筑施工的管理水平，为绿色节能建筑施工做好示范先导作用，为后续项目提供借鉴。

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