基于BIM-LCA的绿色建筑优化设计方法研究

魏舒乐

(西安培华学院 建筑与艺术设计学院， 西安 710125)

0 引言

建筑在生命周期内，会有大量的资源能源消耗产生。生命周期评价(LCA)和生命周期成本(LCC)采取科学的定量计算方法，目前在国际范围内作为对建筑可持续性的评价方法以被普遍意义，传统的LCA分析过程较为繁琐，因而建立应用于方案不同阶段的高效整合的BIM-LCA评价方法，实现基于LCA方法的设计优化，支持不同精度的环境与性能评价[1]。

1 需求分析

建筑在生命周期内包含材料生产、建造、使用、生命周期终点和材料回收利用五个阶段，在可持续建筑概念设计和方案设计这两个不同阶段中，建筑师面临众多问题具体包括：项目地理方位(通常由业主决定)、建筑立面、朝向、体形、具体结构体系的选择等；在设计后期阶段建筑师需选择建筑热工材料、HVAC 系统，还需完成对生态节点细部构造的设计。不同阶段因素的多样化给建筑师的工作带来巨大挑战，各阶段中的每个因素都可能有不同的可供选择方案，产生更多的方案组合。从建筑环境评价的角度看，从能耗的角度判断是最优的，但从全生命周期的角度判断却非最优解。

2 基于BIM-LCA的绿色建筑优化设计方法

2.1 评价目标

在可持续建筑设计过程中的不同阶段，实现量化分析不同方案的含能及能耗，基于对相关建筑性能优化分析，引入LCA并将其作为有效评判指标之一，实现方案优化以LCA比选作为标准，进而提高方案决策的科学性[2]。

本文的BIM-LCA优化设计方法主要在概念阶段、方案阶段和施工图阶段中应用，而建筑构件从已有的构件数据库中选取，完成含能计算，简化了设计过程，选取各阶段比选参数、确定LCA精确度、分析工具的确立和计算、计算结果的分析与方案比选为基本的逻辑，具体的技术框架如图1所示。

2.1.1 概念设计阶段

应根据评价目标定义建筑LCA的系统边界，建筑具有综合性和复杂性，实际操作过程中，系统边界的确定过程受限因素较多。LCA 工具在概念设计阶段选择时需以快速易操作为基础，基于基本构件的方法(在欧洲该方法比较成熟，有具体的实现工具)是较好的选择，本文LCA工具的具体选取为：以VE能耗模拟平台为基础的IMPACT数据库，包含LCI(建筑生命周期清单信息)及预定义建筑构件(维护结构热工性能信息)。IMPACT数据库整合了六种计算方法/标准，按照不同的评价方法其评价结果选取了对应影响类型； 概念阶段方案比选针对的是建筑整体性能的优化，IMPACT 所采用的方法可有效满足这部分需求，且其操作平台(IES)和 BIM工具有接口，可实现能耗模拟，在LCA和LCC分析结果中可直接整合能耗结果，数据结果的可靠性和一致性较高[3]。

对于建筑生命周期范畴定义，IMPACT 评价符合欧盟标准，包含材料生产、建造、使用、生命周期终点和材料回收利用5个阶段[4]，如表1所示。

图1 不同阶段BIM-LCA评价目标及分析工具

表1 生命周期范畴

IMPACT 的数据集(dataset)主要包括建筑构件数据集和建筑材料数据集，功能单位通常为每单位总建筑面积； 在建筑LCA中，需设定建筑的寿命。我国建筑的设计使用寿命的规定如表2所示。

表2 建筑设计使用年限的规定

在 IMPACT工具中可选范围为0-80年，但为确保参数的一致性，建筑寿命常设定为 60 年[5]。

2.1.2 方案设计及施工图阶段

方案设计及施工图阶段，建筑信息越来越细化，LCA的评价目标为特定空间细节设计、保温材料的比选等，在此阶段，IMPACT 基础构件数据库已无法满足设计对精度的需求，而需完善建筑BIM模型与LCA工具间的联系，使其更加精准，实现快速读取数据及材料定义。本文LCA工具采用以Revit平台为基础的插件Tally，在BIM平台上，建筑师可依据Tally数据库完成建筑信息模型的自定义，模型操作简便，无需使用者具备专业技能[6]。

2.2 BIM能耗模拟工具的选取及整合

为有效实现方案设计及施工图阶段，基于与LCA工具易于整合，建模方法易掌握，有通用数据格式的原则，在概念设计阶段本文选择Sketch Up作为BIM建模工具，在方案及施工图阶段选择Revit作为BIM 工具，Sketch Up具备快速建立体量模型的优势，且LCA操作平的能耗模拟(IES)可在建模工具Sketch Up生成插件，进入 VE 软件界面通过模型的直接读取即可实现，无需在能耗模拟软件与建模软件间来回切换， 实现了高效的整合，如图2所示。

图2 概念设计阶段BIM-LCA工具整合

设计阶段均选择IES作为能耗模拟工具，在BIM-LCA 模型中，以数据库模块的形式，整合LCA工具IMPACT至能耗模拟工具 IES，再以链接插件形式整合能耗模拟工具至建模工具 Sketch Up 中；在方案和施工图设计阶段，BIM-LCA 模型中，以插件形式分别整合LCA工具Tally至BIM工具Revit中、整合能耗模拟工具IES至Revit中[7]。

3 不同阶段优化流程的确立

3.1 材料定义与数据获取方法

设计阶段不同对建筑模型的精度要求不同，需根据实际情况采用LCA数据获取方式，以及精度不同的材料定义，基于BIM-LCA 方法，本文在概念设计阶段，使用基础构件(已包含该构件的材料及尺寸、分构件、LCA数据、细部构造的选项)定义法，建筑师只需从IMPACT数据库中，选择预定义的建筑构件，赋予模型，如在建模过程中由抽象矩形面代表窗户，据此在IMPACT中对窗的基础构件描述为PVC-U window with steel reinforcement, doubleglazed；在方案设计阶段，模型的建立需有基本构造区分，本文使用分类构件法，如窗模型需完成窗框和玻璃的区分，在Tally数据库中即可实现不同窗框构件和玻璃构件的选择；在施工图设计阶段，详细的构件构造及尺寸需建立起来，本文使用构件材料定义法，如墙模型需对饰面、内饰面厚度、抹灰、砌块、构造顺序、防水及保温进行定义，对应材料在数据库中选择，完成原料配比的定义。具体去表3所示[8]。

表3 不同设计阶段的构件定义方法

IMPACT数据集及Tally 数据库的构架层级分别如图3、图4所示。

图3 IMPACT 数据集架构

3.2 不同阶段BIM-LCA评价流程

在方案及施工图设计阶段评价流程为：(1)在 Revit中建立BIM模型，完成基本建筑构件族的定义；(2)在Tally 数据库中，依据基本族信息选取相应材料或所有的族实例，同时导入Revit模型至VE中完成能耗模拟；(4)在Tally界面输入能耗模拟数据，生成最终的 LCA报告。具体流程如图5所示[9]。

图4 Tally 数据集架构

概念设计阶段评价流程为：(1)在Sketchup中建立包括基本的内墙外墙及开窗在内的体量模型，并通过链接导入IES；(2)在IMPAC数据库中，选取大构件赋予体量模型；(3)在IES中进行能耗模拟；(4)在 IMPACT模块输入LCA及LCC相关参数，得出报告结果，具体如图6所示。

图5 方案及施工图阶段BIM-LCA优化流程

图6 概念阶段BIM-LCA优化流程

4 优化设计方法的实现

在计算建筑整体LCA时，需以生命周期数据库CLCD为基础，基于EXCEL工具对案例进行LCA计算，实现建筑生命周期评价的具体工作流程如图7所示。

5 总结

本文主要对基于BIM-LCA的绿色建筑优化设计方法进行研究，首先分析了基于BIM-LCA 的优化评价目标以及系统边界，选取了具体的BIM、LCA及能耗模拟工具，根据不同设计阶段建立了不同的整合BIM-LCA模型，并据此进一步确定了优化设计流程。为绿色建筑提供较为实用的优化设计方法。