基于BIM技术在低碳建筑中的节能应用与优化

王兴

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

1 引言

我国城镇化率由2017年60.24%增长为2021年64.72%，增长趋势稳步提升，但较国外发达国家普遍80%以上水平仍有较大空间。2021年全国建筑业、房地产业增加值比上年分别增加2.1%、4.4%，尽管2020 至2021年受疫情影响较之前建筑业3%以上、房地产7%以上的增长态势有所下降，但其体量巨大，仍是国家生产总值重要组成。在其巨大体量发展背景下，较发展之初，建筑特征、类型等各方面伴随人类生活需求、生活环境、社会科技进步等诸多因素发生变化。其中气候变化之一的温室效应成为目前自然生态环境棘手的问题，环境恶化、能源紧缺逐步唤起人类对自然生态环境的保护意识。占据二氧化碳排放量50%左右的建筑业近20年因此也逐步“升级更新”，“低碳建筑”被广泛应用，成为国际主流建筑发展趋势。因社会生产需要而逐步发展起来的信息技术之一——BIM 技术，则成为“低碳建筑”高效应用的助力器，优化了建筑生产方式，并促使“低碳建筑”节能效应形成。

2 低碳建筑基本概念

低碳节能理念逐步全球推行，“世界低碳环保联合会”“国际碳行动伙伴组织（ICAP）”“C40 大城市领导组织”“联合国政府间气候变化专门委员会”等多项低碳节能组织建立，同时欧盟建立了欧洲气候交易所（ECX）、欧洲能源交易所（EEX）等多项碳排放交易机制，促进全球低碳行动。根据《bp 世界能源统计年鉴》的全球能源需求量与碳排放量数据统计，20 世纪中叶以来，一次能源消费及碳排放在近年来得到逐步稳定。

建筑物碳排放量是由建筑物的各元素能耗及二氧化碳排放量总和组成，学术界对低碳建筑碳排放指标要求标准无明确界定。从分析低碳建筑理念发展历程看，低碳建筑可被认定为在建筑全生命周期内，以低污染、低耗能、低二氧化碳排放的产业建设模式建设的建筑空间，具体方式如建筑材料生产使用过程中、建筑施工过程中具备节能减排行为则可以创造更合理舒适的建筑环境。广泛被提出的绿色建筑、生态建筑、可持续建筑均属于低碳建筑。

3 国内外低碳建筑发展

建筑理念层面，从19 世纪末开始萌芽“有机建筑论”以来，逐步出现了生态建筑学、绿色建筑、可持续建筑等发展理念，经两个世纪发展至今逐步形成低碳建筑发展理念（见图1）。全球自然环境日益恶化背景下，低碳建筑已成为建筑发展主趋势。

图1 低碳建筑发展理念

国外低碳建筑发展主要为欧洲国家。英国最早于2003年提出“低碳经济”发展理念，并逐步被全球所接受，回溯其低碳建筑发展源头为生态可持续性建筑，即追溯崇尚自然生态的绿色精神，后续逐步演变形成技术绿色建筑、生态建筑、零能耗建筑、零碳社区等理念，具体表现为强化围护结构自保温效果、利用风能的地域性优势、利用太阳能可持续能源等方面。2021年世界十大建筑排名英国占据3 项，作为标杆之一的英国贝丁顿零化石能源发展社区（BedZED）更是提出以社区低碳规划建设为理念，建设延长建筑寿命至120年的“永续建筑”，其所需的电能、采暖等基础能源均为绿色能源，雨水、生态水可循环，不仅建筑物本体可低碳，更将低碳凝聚于生活方式与社区，达到低碳交通、家居节能精细至每户的效果。德国被动式新型房屋，如德国“汉堡之家”，基本属于模块化预制，基础结构以上基本可直接组装完成，其材料运用基本为节能材料，建设时间较短且节约能源，以自然条件为基础获取建筑能耗最小，节能减排成效显著。

改革开放以来，高耗能、高排放基础上我国经济快速发展，持续增加的能源需求、碳排放量一定程度上制约着经济发展进度，我国每年向大气中排放二氧化碳超60 亿吨，居世界各国之首，其次为美国、俄罗斯，2020年我国碳排放增加0.6%，在全球碳排放总量份额增加至31%，控制温室气体排放面临较大压力。我国低碳建筑应用主要指建筑节能，发展始于20 世纪80年代，初期在北京、哈尔滨等地小型试点，到90年代初期以北京为代表多个城市推行，制定建筑节能率30%标准，21 世纪初全国范围内开始逐步施行节能建筑，以节能50%为标准，后续逐步发展至65%节能率，目前部分国家甚至建设形成“零碳建筑”，我国仍需不断提高完善节能标准，大力推行建筑节能发展。

4 BIM 技术基本概念

建筑信息模型即BIM（Building Information Modeling）技术广泛应用于制造业、建筑业，是目前建筑行业较常见的应用技术，可逐步解决建筑生产效率较低的问题。BIM 概念最早由20 世纪80年代美国的Chuck Eastman 提出，21 世纪初期BIM 技术开始运用于工业，我国最早于2006年香港地区推行BIM 标准技术，在2011年制定颁布BIM 技术应用大纲，2014年逐步印发各项BIM 指导意见，BIM 市场规模从2014年4.1 亿元增长至2020年12.5 亿元，目前国内已形成了良好的BIM 应用市场环境，BIM 技术应用得到重视，了解、使用并促使其发展是我国建筑行业信息化转型的必然趋势。

BIM 技术是由信息化数据库、全生命周期、多维模型多项特征概念组成的庞大的集合，具备信息完备性、对象参数化、可视化3D 模型、导出成果多元化四大特点。实施过程中通过数字化表达建设项目全部信息、建立建筑3D 模型虚拟表现建筑物、协同共享信息分析模型、提供数据支撑参与建筑项目全过程。

BIM 技术应用具体形式主要是BIM 软件，常见的主要有Sketchup、Revit、CATIA 等，区别于建筑初期使用较多的CAD软件，在点、线、面的二维构件基础上升级为柱、梁、墙、板等基础建筑及结构构件，通过编程构建建筑数字化，模拟建筑物理、功能特征，将具体的建筑或结构构件用一系列参数属性来表示，具体的BIM 软件可通过建筑设计、可持续分析、造价管理、模型检查管理、维护管理、可视化分析等环节达到对建设全过程的优化控制。

5 BIM 技术在低碳建筑中的应用

经不完全统计，建筑行业生产耗能占全行业能耗约40%，排放的温室气体量占全行业约30%，建筑行业的低碳节能行动迫在眉睫。

5.1 BIM 技术应用于绿色建筑

BIM 技术应用广泛，应用层面主要有节能分析、建材分析、环境分析，具体如园林绿化设计、绿色建筑评价、绿色材料施工监测、规划设计、可持续运维等，涉及建筑、结构、水、暖、电多专业。本文对绿色建筑的BIM 应用主要从绿色建筑设计、绿色建筑评价、绿色建筑运营阶段3 方面进行分析。

5.1.1 BIM 技术应用于绿色建筑设计

绿色建筑设计主要指绿色建筑节能设计，从环节上分为设计前期、概念设计、初步设计、深度设计（施工图）、运营维护5 个阶段，通过BIM 技术应用于设计阶段，合理有效确定建材用量，分析建筑室内外环境设计，资源合理优化配置。

设计前期为节能需求及节能目标确定阶段，如室内温度、空气、声音、照明等生活需求，采暖制冷、通风、采光等节能目标。概念设计即对设计前期内容确定初步概念性方案并评估，此阶段开始使用软件模型模拟建筑结构形式、平面布局、围护结构等因素，整合专业信息，考虑室内外环境平衡优化等因素，对初步建筑围护、采光通风、建材、被动措施等方面提出初步设想。初步设计阶段即在概念基础上落实明确，从主要建筑能耗影响因素，如建筑围护结构、建筑材料设备及人为因素等方面着手，通过软件测算模型计算，敲定落实具体设计方案，此环节和概念设计环节紧密相关。深度设计最终呈现具体的施工图方案报告，并对初步设计进行细节上的优化，形成最终建筑节能设计成果。最后运营维护即为建筑使用过程中的维护，对后期相关设备进行调试等工作。

5.1.2 BIM 技术应用于绿色建筑评价

绿色建筑评价是基于绿色建筑全生命周期运作特点、针对工程项目全要素范围提出的系统模型评价方法，通过定性、定量分析方法，明确所需评价维度，确立评估指标及相关权重的评价体系，如分析建筑绿色采光、能效利用、可持续材料使用等综合指标体系，不断探索绿色建筑方向，渗透建设全过程。针对评估体系标准，国外主要有英国BREEAM、美国LEED、加拿大Green Building Tool 等，我国主要是《绿色建筑评价标准》和《绿色奥运建筑评估体系》等，各具特点，实际应用具备一定参考性。

5.1.3 BIM 技术应用于绿色建筑运营

运营阶段占比建筑全生命周期时间最长，绿色建筑运维区别于传统建筑运维的项目竣工开始，其渗透于建筑全生命阶段，前期目标制定设计、日常运维均需可持续发展理念渗透。BIM 技术应用于运营阶段，其信息化、精确化、可视化多项特点对绿色建筑特别是绿色公共建筑运维节能管理提供技术支持，如BIM 控制平台可统一调控空调、新风、照明、电梯等电力设备，通过相关控制可实现水资源精确转化，同时可监控物业管理信息数据，合理调配利用资源减少浪费。

5.2 BIM 技术应用于建筑材料低碳减排

广义上讲，建筑碳排量分为建造碳排量、使用碳排量和拆除碳排量3 部分。建筑全生命周期阶段大致包括设计阶段、建造阶段、运维阶段、拆除阶段、废物处置阶段，均与碳排放密切联系。设计阶段指导低碳实施，其碳排放占比较低；建造阶段则主要是建筑材料准备及其施工过程产生碳排放；运维则主要是空调、采暖、采光等各项设备碳排放；拆除及废物处置则产生于具体动作实行过程中。除设计阶段、运维阶段外，各阶段碳排放均与建筑材料有关，区别仅在于建筑材料种类、数量、范围差异，因此研究建筑材料低碳有其必然意义。

我国水泥、钢铁等高能耗高碳材料年产量曾多次位居世界第一，近年万元国内生产总值二氧化碳排放下降率也越来越少（见图2），而每年建筑行业则有大量碳排放，作为建筑碳排放重点之一，建材低碳效果则需要重点关注。

图2 2017-2020年全国万元国内生产总值二氧化碳排放下降情况（%）

建筑行业主要建材消耗有水泥、钢铁、混凝土、砖、玻璃等几大类，各类建材在不同阶段碳排放不同（见表1）。从建材使用全过程看，建材碳排放追踪不仅要跟踪生产过程，还要追踪前期选择及后续施工过程，这期间往往环节、流程繁复，种类数据量庞大。

表1 不同建筑材料碳排放量

建筑信息化技术即BIM 技术，是在早期由美国提出的BEES 软件的延伸，通过建立3D 模型、4D 甚至ND 模型发挥模型信息关联、信息数字化、信息完备特点，可跟踪从建筑材料产品最初的生产制成运输到施工现场施工、使用及报废全过程碳排放。BIM 技术应用于建材低碳还具有经济性，其数据集成特点可帮助企业形成信息数据综合平台，数据共享，可省去调取查阅数据工作量，并且可监测跟踪建材节能指标，优化现场施工及机械设备，满足降低工程成本的经济效益。

建筑使用功能角度分析，建筑装饰与人类居住生活的直观感受联系紧密，建筑装饰材料按照使用部位可分为墙体、地面、顶部、装饰线、顶部材料、紧固件、连接件和胶粘剂等几大类。建筑装饰材料较主要建材使用量虽占比不高，但在建筑使用部位、施工环节、材料类型等方面有着突出的复杂性，且涉及下游行业分散，涉及专业较多，并且有的建筑在装饰材料生产、施工至使用过程都会对环境不利，影响低碳减排。BIM 技术应用于建筑装饰材料低碳主要侧重于建筑装饰设计，结合建筑装饰工程特征，设计匹配的信息数据并明确构架，构造形成建筑装饰材料使用阶段各类模型，以模型数据为基础分析各项节能指标，同时结合绿色低碳节能需求目标对相关数据信息进行分类整理优化，建设绿色低碳的建筑装饰。

6 BIM 技术应用于低碳建筑的相关建议

目前国内传统建筑的BIM 技术应用范围逐步广阔、应用程度逐步深入，对于比传统建筑各项节能指标要求更高的低碳建筑则更需要BIM 技术的深入应用。通过外在层面的行业规范及政策监督、内在层面企业开发过程中绿色低碳可持续理念持续渗透的内外作用下，确保BIM 技术和低碳建筑建设相辅相成。一方面，BIM 技术便于建筑低碳化建设；另一方面，建设低碳建筑的技术需要侧面带动BIM 技术多向发展，形成行业良好生态发展循环，同时促进自然环境良好呼吸。

7 结语

低碳建筑不是凭空出现的概念，是建筑行业自身特点顺应低碳能源可持续发展的必然产物。在国外倡导建设“零碳建筑”“零碳社区”背景下，我国建筑行业低碳化势在必行。在已被广泛应用于传统建筑建设的BIM 技术加持下，建筑低碳化将会有显著成效。在BIM 技术具体应用层面，本文强调在软件使用基础上充分发挥BIM 技术全面数据集成能力、持续数据更新能力、灵活数据处理能力、可视化数据管理能力，将绿色建筑应用、建筑材料碳排放监测作为重点，关注碳排放重点环节，从各维度上节能减排、减碳降耗，以实现从节能减排的技术创新形成建筑低碳产业化生产创新。