浅析基于BIM技术的建筑全生命周期绿色数字化建造

徐伟 闫雪萌 李志鹏

内蒙古科技大学土木工程学院

0 引言

世界正在进入以信息产业为主导的科技带动经济发展时期，随着信息技术的发展，数字化建造技术正以不可阻挡之势对建筑行业进行巨大的转变。目前我国大力提倡社会和经济发展向绿色低碳转型，建筑领域的节能减排是实现“双碳”目标的关键一环。作为国民经济的支柱产业，建筑业的数字化及低碳转型已经刻不容缓。而BIM技术在建筑环境中作为数字化转型的推动者[1]，以其可视化、信息化、可模拟、协作性、智能化等诸多优点，不仅可以做到工程建设全生命周期的全面信息化管理，还可以对建筑各系统进行能耗和环境分析，对建筑绿色节能设计起到强有力的支撑作用。将BIM技术广泛面向建设工程，助推建筑业数字化转型及可持续发展，可以为建筑行业带来革命性，甚至是颠覆性的转变。

1 BIM技术数字化与绿色低碳发展理念

1.1 BIM技术与数字化建造

数字化建造（digital fabrication），指利用数字化技术实现建筑设计、建造和全生命周期管理的过程[2]，即在计算机的虚拟世界中模拟实际的建造过程。为顺应数字化时代变革的大趋势，BIM、“互联网+”、云平台、大数据中心、物联网等信息技术蓬勃发展，并与建筑行业进行深度融合及应用，极大地提升了数据处理、汇总和反馈的能力，同时使信息传递更加协同高效，有效地转变传统粗放式的管理模式。

BIM技术是建筑业数字化转型的核心构件。数字化建造的发展从二维到三维，再到数字技术的集成式应用，目前正在朝着通用数据环境下的互联BIM时代发起迈进[3]。利用BIM技术进行数字化建造，可以模拟真实建造环境、智能分析建筑物结构和性能，还可以进行碰撞检测和干扰分析、成本估算、智慧运维管理等，以技术驱动创新发展，整合优化建筑业全产业链，大幅提高管理效率的同时更加数据化、精细化地推动建筑业现代化转型升级。

1.2 BIM技术与建筑业绿色低碳发展

“十四五”期间国家提出了大力发展绿色建筑、推动清洁能源低碳安全高效利用的规划发展建议，且提出“3060双碳”的远景目标。而建筑领域是我国碳排放的主要集中领域，如何发挥建筑领域节能潜力，以及如何应用现代数字建造技术推动建筑行业低碳节能发展，是当前绿色发展大环境下亟待解决的问题。

在建筑绿色节能设计方面，BIM技术可以为建设过程中的能耗绩效评估提供可靠数据[4]，为评估建筑碳排放提供决策依据，综合建筑全生命周期的数据信息，从施工设计优化、施工过程能耗分析模拟，再到绿色运维管理，重新整合升级了建筑流程架构，最后高效建成健康、适用、高效的绿色建筑空间。应用BIM技术进行绿色节能分析，使建筑绿色评估更加简单便捷的同时，也可以大幅增强建筑全生命周期的可持续性。充分利用BIM技术自身特性，明确其在数字建造领域的关键地位，BIM技术定会成为对建筑业绿色低碳和高质量发展锦上添花的有力工具。

2 低碳绿色BIM技术在建筑全生命周期中的应用

建筑全生命周期主要分为决策规划、设计、施工和运营四个阶段，目前行业内主要采用“分布式”BIM模型的方法，根据不同的阶段和用途建立符合工程建设条件的各种数字化模型[5]。BIM技术在建筑全生命周期中的应用如图1所示。利用BIM技术可以使建设项目全程实现数据和业务信息的动态传递和共享，对于建筑高效率管理以及各阶段绿色分析有着巨大的应用价值，在建筑业数字化转型和可持续发展方面有着广泛的应用前景。

图1 BIM技术在建筑全生命周期中的应用

2.1 绿色BIM技术在项目规划阶段的应用

项目的规划阶段重点内容就是进行规划选址和场地分析，此项工作是影响建筑物定位的主要因素，是确定建筑物方位、周围环境景观及居住舒适度的重要过程。从绿色发展的角度来看，此阶段必须要注意考虑对生态资源的分析和处理，应合理安排利用生态资源及气候条件，如了解建筑物周围是否存在生态场所、明确场地的降水情况和给排水方式、考虑场地的风热及日照条件，交通情况、噪声影响以及是否存在潜在的自然灾害威胁等[6]。而传统的场地分析由于方法落后、主观性强等弊端，导致无法精细地处理上述大量数据。而目前应用BIM+GIS（地理信息系统）的技术方法，可以对所选场地及拟建的建筑物空间进行数字化建模，并与场地周边环境摄影数据进行整合模拟，更加直观地帮助项目进行场地可视化评估和结果定量化分析。因此，利用BIM技术可以结合场地实际的气候、环境、光照等条件进行择优合理布局，将BIM的数字化性能分析技术充分应用于项目规划阶段，将对我国建筑规划低碳科技转型，城市规划可持续发展产生正向影响。

2.2 绿色BIM技术在项目设计阶段的应用

在项目绿色设计方面的两个实现要点是主动式与被动式设计相结合，利用对建筑物内外环境的空间规划布局和建筑单体设计的被动式设计与应用绿色节能技术的主动式设计相结合[6]，两者同时作用于建筑物的节能和绿色设计，有着可靠程度高，设计质量好的优势。BIM技术作为主动式设计的一部分，其灵活动态、高集成化的优势可以使建筑设计高效协同，有效缩短建筑设计周期，提升各环节工作质量，同时对环境和能源问题、建筑经济和社会效益进行更精细化的评估。

2.2.1 集成协同设计

建筑集成设计是基于多角度、多专业、多部门相互协同配合的考虑建筑全生命周期优化的过程。在建设过程的前期设计阶段，集成设计的决策力最好，低碳节能效果最佳；BIM模型同时兼具二维和三维的优势，只要在一个视图对项目作出改动，由此产生的所有结果都会在整个项目中自动协调。且BIM还可以与其他多种软件平台进行数据互通，最终形成一个整体的集合所有信息的数据模型，BIM良好的协同性和互操作性使建筑设计修改更加直观、便捷和严谨，同时也对后续设计和施工的衔接起到有利作用。BIM模型集成的建筑物全部的物理数据信息，在设计阶段可以为建筑绿色性能分析提供真实可靠的依据，便于在节能技术、材料选择等可变条件下进行更高质量的方案优化[7]。应用BIM技术进行集成设计，可以更便捷、更及时地进行信息共享，在信息模型交付、设计方案优化、建筑绿色分析方面有相当的应用价值（见图2）。

图2 复旦大学附属华山医院临床医学中心采光分析模型

2.2.2 环境和节能分析

建筑物与自身室内环境及外界环境密切相关，科学准确的环境分析是影响建筑物顺利建成以及建筑后续绿色运维及可持续发展的关键因素。因此在建筑的绿色节能设计过程中首先要考虑的就是建筑物室内外环境分析和设计。BIM拥有海量的数据库和族库，其中包含了有关室外环境模拟、建筑材料、装饰材料的详细信息和模型，这对建筑环境的设计分析提供了极大便利。建筑设计师可以利用BIM技术，根据不同的空间条件对建筑物的风、光、热、声等因素[8]进行精确分析，还能够结合Ecotect建筑环境模拟分析软件对建筑进行更进一步的热环境分析、日照分析、建筑经济环境、建筑结构得失热等分析进行一系列的仿真模拟。通过BIM技术及其他数字化建造技术将生态节能的理念引入建筑环境分析，可以实现增强空气质量、降低能耗等设计方案的精细优化，为低碳可持续和舒适度高的建筑环境设计提供了极大便利。

2.3 绿色BIM技术在项目施工阶段的应用

在项目建设的施工阶段，首先应做到的就是明确前期绿色设计的目标，可根据施工现场实际情况对设计结果进行调整，在节水、节能、节材、节地方面落实施工方案，避免“纸上谈兵”。在绿色建筑项目的施工过程中，BIM技术主要应用于工程量的精确计算、管道系统建模分析、绿色施工条件模拟分析[9]等。其中被较为广泛应用的是利用BIM技术可以对施工中电气、机械、给排水等综合管道系统进行冲突和碰撞分析，尤其针对大型复杂项目，可及时根据分析结果对施工方案进行修正，避免了现场返工时间及施工材料的浪费；在建造过程中，借助BIM技术还可以进行场地分析，对建筑材料的摆放、施工人员及设备的安排均可以进行模拟分析，大大优化了工作流程，便于找出时间最省、资源最优的方案[5]。施工人员利用BIM模型中进行虚拟施工技术模拟，以实现BIM数据集成的4D应用，可以直观、共享、同步地观察项目的实施工程量、施工进度、质量安全等有效信息，很大程度上减少了信息不对等造成的资源浪费，也达到了优化调整进度计划、避免施工重大错误、提高施工生产效率的目的。

2.4 绿色BIM技术在项目运营阶段的应用

对于建筑物来说，投入运营和维护是最重要也是最终的目标。运营阶段是提高建筑物的运作水平和舒适程度，提高建筑物可持续发展水平及建筑绿色节能效率不可忽视的一个阶段。绿色建筑的后期运营，会比传统建筑消耗更少的能源、材料资源和更少的维护费用，所以，在项目运营阶段应用绿色节能技术所带来的利益是更加长远的[10]。在项目运营阶段，利用BIM模型，集成物联网、GIS等数字化技术，可以构建出不同的综合运维管理平台，有针对性地应用在建筑物业管理、应急管理、设备能耗监控等各部门，为项目的绿色运维管理提供精细化、可视化支撑[11]。

利用BIM技术可以实现运营阶段的“绿色+智慧”：利用BIM模型可以使业主充分了解设备的运行情况，BIM模型结合数字远程监测技术可以迅速定位故障设备并及时发出警报，且可以模拟设备运行的不同状态，便于及时更换或升级设备，以此可以提高整个建筑物的性能。在能耗分析和环境监测方面，BIM可以结合物联网技术，通过水表、电表等有传感器功能的设备实时采集和分析建筑物的环境数据、设施性能绩效和能耗情况，并将收集到的数据与BIM空间模型对应分析，以优化节能减排方案；还能够将BIM模型导入能耗分析软件，进行能耗系统的分类分项检测，可以得出如建筑能耗、照明能耗、碳排放量等数据，为进一步降低建筑能耗和设备消耗等提供分析的理论依据，以完成建筑全生命周期中绿色低碳节能的目标。绿色BIM技术应用于项目的运营阶段，可以让建筑运行更加地经济、绿色、智慧、健康，为业主提供更加人性化、舒适化的建筑空间和配套服务，且大大提升建筑后期运维的资源使用效率。

3 结语

BIM技术作为一种高效、绿色、精益的数字化设计建造方法，使建筑物的全生命周期建造过程由原来的传统粗放单一化逐渐向绿色精细数字化发展转型。以BIM等数字化建造技术为核心，建立以人为本的绿色、智能、健康、舒适的建筑全生命周期数字化建设和管理系统，对于推动建筑产业全面信息化、绿色生态化发展有巨大的应用价值和广泛的发展前景。而我国目前对绿色BIM技术的应用比较匮乏，且数字技术多应用于建设的施工阶段，对建筑的绿色运维关注较少。国内从业人员需要开阔视野，提高对绿色技术的重视和探索，重点关注建筑运营阶段的能耗分析和相关管理，将绿色发展理念贯穿于建筑的全生命周期，“绿色+智慧”的建造理念将成为我国未来建筑业提升核心竞争力、资源集约和产业绿色可持续发展的关键思路。