BIM技术在绿色建筑设计中的应用分析

王帅

摘 要 BIM技术有助于建筑师们在进行建筑设计过程中，预先对建筑性能等进行模拟研究，探索更好的绿色建筑设计，有效降低建设项目的建造运行成本，实现真正意义上的绿色建筑设计。本文从绿色建筑设计的四个阶段，具体分析了BIM技术在绿色建筑设计中的应用。

关键词BIM;绿色建筑;设计

1BIM技术对绿色建筑设计的支持

1.1 BIM技術优势显著

BIM的一大优势是可以自动调整虚拟模型从而提高设计文档的效率， BIM软件还可以使用参数化方法定义对象，在BIM之前，建筑师有时必须根据设计要求使用不规则曲线和曲面绘制建筑物的高度、高程和剖面，设计难度大、任务重。BIM技术的基本原理是将建筑物的一个组成部分与其属性相关联，然后根据该属性用三维设计图表示该建筑物。由于BIM的参数化和可视化功能，使建筑师们能够通过简单输入参数和定义程序的方法绘制曲线和曲面，还使业主，设计单位和建筑公司可以直观地了解建筑，并促进三者之间的有效沟通[1]。

1.2 BIM软件体系完善

应用软件是实施BIM的工具，为了实现BIM的深入应用，对应用软件的研究是必不可少的。BIM体系中的设计应用软件可以分为两类：BIM核心建模软件和BIM模型的协同设计软件。

（1） BIM核心建模软件。建筑设计阶段使用的设计建模软件主要用于创建建筑信息模型。建筑师，土木工程师，设备工程师和其他建筑相关设计师完成建筑信息模型创建的过程中涉及的软件，包括建筑设计软件，结构设计软件，多系统和其他相关系统设计软件。世界各地的许多主流设计软件公司都在着力研究和开发BIM设计建模软件，其中主流使用的BIM建模软件有Autodesk Revit ，Bentley Architecture，ArchiCAD等。

（2）基于BIM模型的协同设计软件。在建筑设计过程中，为了满足建筑师对创新性建筑设计的需求，同时，为了保证建筑师、建造者和施工方之间有一个很好的沟通，基于BIM模型的协同设计软件是必要的。其中主要有概念推敲软件如SketchUp，Formz，Rhinoceros等，模拟分析软件如Ecotect，Green Building Studio，Adobe Audition，Transcad以及Dprofiler等。

2BIM在绿色建筑设计中的应用框架

在基于BIM技术的绿色建筑设计中，主要是运用BIM技术在建筑设计中的优势，对于绿色建筑设计中存在的问题与难点，提出BIM技术的解决方法。绿色建筑的全生命周期主要包括四个部分：决策阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段，BIM技术在绿色建筑设计中的应用主要表现在，建筑项目BIM前期分析以及建筑设计阶段的BIM模型的搭建和性能模拟分析等。

将绿色建筑项目流程与 BIM 技术的实施流程相结合，需要在项目的各个阶段对 BIM功能进行分类，主要功能包括 BIM 技术的项目前期分析功能、模型生成功能，虚拟现实功能等。绿色建筑设计周期又主要分为以下四个阶段，首先是概念设计阶段，其次是方案设计阶段，然后是初步设计阶段和最终的施工图设计图阶段[2]。

3基于BIM的绿色建筑设计分析

3.1 概念设计阶段

在绿色建筑设计的前期，我们可以运用BIM技术对建筑的气候和环境进行模拟分析，不断优化设计，为创作良好的建筑设计方案打下基础。通过BIM与地理信息系统（GIS）相结合，建筑师可以将施工现场的地形和空间环境建模分析，达到土地保护和土地合理利用的目的，同时规划现场、减少环境破坏，保护生态平衡。在概念设计阶段BIM主要用于建设项目的场地建模、场地分析和道路布设这三个方面。

（1）场地建模。在Revit中包含一些简单的建模工具，可以导入现有的矢量地形、平整场地和进行场地设计，如果需要对场地进行更为细致的分析，例如，精确的土方量计算和精确的道路坡度设计，Civil 3D 等 BIM 软件则提供了更加有效、实用和专业化的工具。

有许多数据来源可用于构建场地模型，常用的包括地图矢量化，卫星地图和航空航天图像测量等。由于基础地理信息资源的普及，且可以免费获得，即使无法直接访问DEM模型，也可以使用BIM软件（Revit，Civil 3D等）创建站点地形模型，即使地形和数字3D地形数据的基本数据非常大，这是传统设计方法不可比拟的。

在利用Revit自带工具进行场地建模时，通过对CAD文件中基地标高数字格式进行转换，并把其导入Revit文件后，这些数字能够快速生成三维模型，建筑设计师便能更直观地看到场地的地形地貌。

（2）场地分析。建筑建设的场地大多数是不平整的，在建筑设计之前，需要对建筑场地进行模拟分析，尽量选择较为平坦和采光良好的地段，合理分布建筑体量和规划场地要素，为今后建筑的建设后使用创造便利的条件。常见的场地分析包括场地的高程分析、坡度分析和朝向分析等。

（3）道路布设。道路是连接场地建筑的桥梁，对于复杂的建筑物道路设计，需要考虑交通方便、断面设置情况以及消防和疏散等因素。在BIM Power Civil软件中，站点的道路设计可以根据设计高度自动生成路面，实现平面、纵向截面、横截面模型的协同设计，从而帮助设计师快速设计、分析和构建模型。设计人员可以通过该模型探索各种选项和设计条件，并消除传统设计过程中的许多麻烦的绘图任务，最后，比较分析出最有效的场地道路布设方案。

3.2 方案设计阶段

在概念方案出来之后，BIM技术可以使方案得以更快更好地展示、沟通和决策，并得以成功转化为能够落地具有实施性的方案。其中BIM应用主要集中在建筑形体分析、建筑性能模拟分析和可视化分析与表现三个方面。

（1）建筑形体分析。在建筑形体设计中，人们要求建筑物实用美观，又要求建筑物具有精神象征，如北京奥林匹克体育中心——它就像一座鸟巢，是具有复杂标志的建筑物。对于建筑设计而言，需要同时考虑建筑的外形因素和内部结构特征这两个方面的因素，在绿色建筑设计方面，还要考虑建筑形体产生的建筑的性能能耗情况等。BIM用数据驱动的体量模型可以洞察潜在的建筑性能，这些性能对绿色建筑设计有巨大作用。因此，需要建筑师使用BIM技术的参数化设计来进行建筑体量建模以及其形体分析。

（2）建筑性能模拟分析。使用BIM技术模拟绿色建筑项目设计阶段的生态性能对于决定建筑物的使用功能和整个建筑物的布局很有用。模拟建筑的生态性能分析是实现绿色建筑阶段节能设计的重要工具，其通过模拟工艺设计过程和反馈，实现节能环保绿色建筑目标。在比较建筑方案时，为了选择合理的设计角度，设计人员可以从场地风环境和能耗模拟两个方面来选择最佳的建筑设计方案。

（3）可视化分析与表现。BIM技术在设计阶段的应用，有一点是与以前的设计流程完全不同的，即设计与三维表现的同步性展示。它将设计图与三维模型统一起来，使设计师可以从三维思考设计，并同时与平面设计和造型设计相互结合，一并进行实时修改，摆脱了以往流程中设计师将平面设计与造型设计相分离的可能。

BIM的三维可视化设计优势有：可以任意改变视点，视点可以是室内或室外。建筑物的整体效果可以显示为观察点或鸟瞰图;Revit 软件有一个称为“设计选项”的功能，设计人员可以为不同部件设计多个场景，并可以随时切换进行比较，为设计和模型的修改带来了极大的便利。

3.3 初步设计阶段

在进入绿色建筑初步设计阶段后，建筑师一方面要考虑建筑空间为人类活动提供适当的使用性能，尽可能消除影响使用功能的不利因素;另一方面则要考虑外景自然环境对建筑使用性能造成影响的因素，如风、光、热等。最后从各方面综合考虑是自然能源最大化利用、常规能源最大化节约，并充分改善建筑的使用性能。BIM設计的核心价值正是体现在随设计深化逐步展开细节的使用性能模拟和优化过程。

（1）风环境模拟分析与优化。通常使用Fluent，SAR-CCM +，Phoenics等软件对建筑进行风环境的模拟。根据场地现状环境提取合理的风环境数据，并施加在建筑模型上，然后将BIM模型导入到SAR-CCM +软件中，在软件中划分模拟的区域并制定风压力，最后设计 K-E湍流模型和相应的收敛条件来进行风环境的模拟，并根据风环境模拟报告反映的信息，如气流在建筑内部流动和运行的趋势，流量的大小、主导方向、分布和构成等，为单体建筑自然通风系统提供节能策略建议，不断优化建筑的功能布局、窗口位置和空调设置方案的合理性，保证达到绿色建筑标准对室内环境深度优化的要求。

（2）热模拟分析。初步设计阶段的热模拟分析主要运用Ecotect、Fluent和清华日照分析等软件，针对建筑在一定气候中的温度、风速和太阳辐射等参数进行建筑表面温度分析、建筑表面日照辐射量分析和日照时间分析等，以此优化总平面布置、建筑遮阳和保温设计方案，减少建筑的“热岛效应”，改善区域热环境，提高建筑室内热舒适度。

（3）光仿真分析。人在不同的使用功能的建筑中需要不同的光照条件，光环境不仅会直接影响到人们的工作生活质量，某些不良的光环境如照度不足、光污染等情况还会严重危害到人们的身心健康，可见对建筑环境特别是绿色建筑环境进行光仿真分析的重要性。在初步设计阶段，光仿真分析一般分为建筑物的自然光和人工照明模拟分析以及可视度分析。

（4）声仿真分析。为了保证建筑环境的安静舒适，有必要对建筑进行声仿真分析，包括分析建筑的隔音、吸音和消音效果等。在初步设计阶段，声仿真分析主要考虑建筑表面的噪音分布，以及周围环境对建筑环境的噪音影响等。仿真分析结果一般为室内等声线图和声压分布图，以此为科学合理设置建筑物的布局，建筑物间距的确定，隔音屏障的设置提供指导[3]。

3.4 施工图设计阶段

建筑施工图设计阶段的主要设计内容是各专业人员基于BIM建筑模型进行建筑的结构、建筑、设备、暖通等方面的协同设计，并把部分建筑材料供应、施工技术和设备等工程施工的具体要求反应在BIM及其相关数据库中。这种以数字化BIM为信息载体的方式，相较于传统的图纸传递信息方式，能够使工程信息快速、准确地得到查询、更新、删除和保存，提供工作效率，较少重复、无效工作的时间消耗。总体而言，在施工图设计阶段的绿色建筑BIM应用主要包括以下几个方面：

（1）管线综合和碰撞检查。在有限的建筑内部空间中，随着管道数量的不断增加，传统的二维设计很难准确地表示三维空间效果，容易出现误差并且造成不同构件之间的碰撞，影响施工进度，浪费时间并影响工程造价。并且由于校正过程缺乏直观和有效的方法，往往造成修改用时较长，耽误整个建筑设计总时间。BIM技术在进行管道冲突检查方面具有得天独厚的优势，运用BIM技术上的碰撞检测功能，可以对建筑的管道进行冲突检查，发现其中的问题并及时解决。 碰撞检测一般是在Autodesk Navisworks Manage软件上进行的。

（2）优化施工方案。BIM技术的可视化特性保证了设计人员可以直接从BIM模型中提取建筑信息，并根据施工图设计的变化直接更改三维模型。如在集成管道布局中，可以使用视觉设计的优点清楚地显示管道的位置标高，并且直观地了解地板的高度分布，以及他们碰撞情况等，以此来科学合理地安排地板下的设备和管道，减少专业之间的冲突。BIM技术的应用提高了建筑设计的正确性和精确度，完善和优化施工方案，间接提高了施工现场的生产效率，降低了后期施工协调可能造成的成本增加和工期延误。

（3）设计成果交付。BIM模型包含了建筑的所有信息，是一种集成化的信息管理平台。在BIM模型上可以得到建筑材料、构件形状、建筑总体尺寸等信息，并可以根据需求直接输出相应的数据，如三维效果图、模拟分析图等。总之，BIM 模型上的数据是对建筑设计数据的汇总，运用BIM可以全面统一的提交设计成果，避免了传统二维制图成果交付的低效烦琐，使复杂节点的说明更加的清晰生动和高效。

4结束语

传统建筑设计存在着一定的局限性，利用 BIM 技术解决绿色建筑设计中遇到的问题更有优势。BIM 技术给绿色建筑设计流程、方法以及思维等带来了巨大改变，应用 BIM 技术进行绿色建筑设计可行且高效。

参考文献

[1] 许蓁.BIM应用·设计[M].上海：同济大学出版社，2016：107.

[2] 王慧琛. BIM技术在绿色公共建筑设计中的应用研究[D].北京：北京工业大学，2014.

[3] 于威，高柔媚.BIM技术在建筑绿色节能中的应用[J].中国房地产业，2019（9）：181.