BIM技术在绿色公共建筑设计中的应用研究

陈 辉

近年来，公共建筑工学的设计思想逐渐向多样化的方向发展。由于生态环境的逐步恶化，公共建筑工程对绿色设计的要求日益提高［1］。国际上，绿色建设评价标准的共同点在于强调对能源和资源的节约，减少对环境的影响，体现节能、节水、节材的效果。BIM（Building Information Modeling），即建筑信息模型，主要利用信息技术，通过建立数字化模型，对建设项目的功能特性和建筑实体进行充分诠释。BIM概念最初由美国人克伊士曼提出。他认为，BIM模型是一个包括项目全部生命周期的所有特征、信息和功能要求的模型，涵盖项目的规划设计、采购、制造、施工、管理、维护各环节。BIM可以使用互联网技术、大数据技术和信息技术来创建建筑技术的三维模型，并相应地进行建筑设计，为绿色公共建筑设计提供方便的设计平台。传统建筑设计在降能耗、提性能方面面临着巨大的挑战，因此，研究BIM技术在绿色公共建筑工程设计中的应用是当务之急［2］。

一、BIM技术对传统建筑设计的影响

（一）BIM技术特点

BIM技术搜集了建筑的所有信息，实现了在相关指令下的模拟建筑，可以使建筑设计人员、施工单位和建设单位能够更好地理解建筑与自然、建筑与建筑、建筑内部与建筑外部、建筑与能源的关系。建筑的具体施工过程涉及人的配置管理、材料质量管理、技术基准管理、机械设备管理等。基于BIM技术的建筑设计软件属于多功能软件，能够较好地解决传统的建筑流程管理问题。BIM技术的三维建模能力仿佛给设计者插上了一对翅膀，使其在二维技术图纸上不再耗费太多的精力，从而可以全力投入到三维空间设计上。BIM技术的运用使建筑设计更加直观、全面，能够及时发现建筑设计的缺点与不足，并实时进行动态调整。另外，设计单位在进行绿色建筑的投标过程中，利用BIM技术可以更直观体现建筑的设计理念，在众多投标单位中，打出独特的一面旗帜，形成竞争优势，一定程度上增加了中标概率［3］。

（二）设计流程的变化

1.传统的设计流程

建筑设计一般包括三个阶段，包括预备设计阶段、详细设计阶段和深化设计阶段等。具体如图1所示。建筑设计师在传统的建筑设计过程中具有重要作用。在整个建筑设计过程中，由于主客观因素的相互作用，建筑设计经常发生较大的变化。一旦建筑师发现问题，往往需要对整个设计进行或大或小的变更。因此，一般情况下，设计者往往需要在时间节点的一个月前完成设计，为后续变更留足时间。可见，设计的完成并不意味着设计问题的终结。从来没有完美的设计，也没有哪个建筑师能够保证建筑被完美、完全地设计。因此，建筑师需要在固定设计周期内获得更多的设计时间。

图1 BIM设计过程图示

2.结合BIM的设计流程

2007年，美国HOK建筑师设计所的设计师帕特里克·马雷米绘制了一条能够很好反映BIM技术在建筑设计中的应用的曲线，即Malemi曲线，如图2所示。横轴表示时间，纵轴表示影响度，PD到OP表示从建设项目设计到运用维护的7个阶段，具体包括设计准备、方案阶段、扩初阶段、施工图阶段、施工前期准备、施工、运营。

图2 建设项目各阶段的决策价值、变更成本的时间分布图

在绿色建筑的概念设计阶段，BIM技术的使用使得经过概念设计的模型方案能够自动绘制成施工图，包括具体详图，节约了大量的人力、时间。同时，基于BIM的绿色建筑设计在概念设计阶段就将工程师、施工方、运营方等全部纳入团队之中，建立任务分解、共同探讨的机制，保证了设计方案的可行性，避免了后期修改的重复劳动。概念设计之后，设计师需要根据绿色评价标准进行细化设计。BIM通过整合跨专业人员，节省了建筑重复建模的过程，分析阶段的建模模型直接可以导出做不同用途的分析。BIM技术的特点决定了模型成为建筑信息的主要表达方式，传统的纸质图纸成为了模型的附属。

（三）设计方法的转变

1.传统的设计方法

20世纪初，为了全面展示建筑结构，画出与建筑一致的图，建筑师开始在电脑上使用CAD软件作图。作为建设产业使用的主流制图，CAD的二维图受到了大多数建筑设计师的喜爱。利用二维CAD的设计方法简单而易于理解，但也存在缺点与不足，即不能同时显示建筑的空间性能。CAD建筑技术不考虑建筑空间设计，但强调平面布局和建筑外观。这种方法阻碍了建筑师对直接建筑空间关系的研究。

2.结合BIM的设计方法

BIM完全改变了传统的建筑设计。与二维CAD设计相比较，BIM设计可以实现三维空间结构设计和规划设计同步，使建筑师可以直观地看到建筑物信息模型中的空间和形状之间的关系，在短时间内发现建筑设计的问题，并利用有限时间进行修改。模型设计完成后，可以减轻建筑师绘制纸质图纸的工作负荷，实现从设计图到建筑模型的建筑设计转换。在传统的建筑设计中，不同的建筑设计师之间是低整合和低质量的，建筑的各设计单元是由不同的专家独立设计的。BIM技术强调每一个参与者都参与到每一栋建筑的建筑和每一个区域的联合设计中［4］。各专业设计采用BIM模型进行数据交换和共享。

二、绿色建筑设计实践过程中存在的问题

（一）各个阶段的信息传递效率低

1.信息类型复杂多变，不利于信息的保存和获取

绿色建筑的整合设计由于涉及的研究范围较广，因此内容也相对较多。一般情况下，关于绿色建筑的部分信息存储在CAD中，使用时能够比较容易地提取到建筑物的高矮、大小、材质等数据。存储和获取这样的数据很简单。另外一部分信息，如非结构化信息等，其类型主要是建设项目的合同文件等一般单独存放。这类大部分的信息，如计算机辅助图表和过程照片等，分布不均匀且相对分散。［3］这些非结构化信息占总体绿色建筑信息的80%到90%。目前，信息管理缺乏用于管理结构化信息的非结构化管理方法和战略。

2.在建筑的各个阶段复制信息困难

虽然成员之间的相互合作在建筑的每个阶段都是适当和有效的，但不同专业人员和不同建筑阶段之间的职责继承是低效的，并且容易流失信息。［5］项目每个阶段的参与者只对自己使用的信息感兴趣，对获得有关其他专业领域的新信息缺乏动力。因此在建筑的各阶段复制获取信息困难。

3.各个专业项目参与方之间协同性差

从绿色建筑的整个生命周期的展望来看，项目构建中参加者全体的共同作业能力较低。项目的每一位参与者都与自己的团队有着良好的合作关系，并表现出很高的工作效率，相关建筑辅助软件的使用也比较熟练。然而，它很难满足绿色建筑的要求。这种现象在工程建设过程中相当普遍［6］。因此，在绿色建筑设计、施工和运营的每一个阶段，效率都是有保障的，合作需求就显得尤为重要。

如图3所示，绿色建筑参与者分为直接参与者和间接参与者。他们参与建设项目全生命周期的决策、设计、施工和维护。其中，直接参与者包括设计、监理、建筑、物业等单位，他们直接地参与建设项目；间接参与者包括政府部门、社会公众和银行、保险等间接参与者，他们以间接方式参与到建设项目中。目前，绿色建筑全生命周期中各参与方的共同工作还没有相应的管理技术，相互之间协同性较差。

图3 绿色建筑全生命周期与项目参与方

（三）评价标识比例失衡

近年来，绿色评价标志被引入。绿色建筑评价标志分为建筑设计标志和建筑管理标志。2006年发行的建筑标志和管理标志之间有很大的区别。评估使用后建筑物的能源消耗和生活环境远比设计指标困难得多。管理标识和设计标识的比例是严重不平衡的。获得管理标识的建设项目比较少。管理标志的建设是昂贵而高科技的，它不利于大范围推广［7］。

三、绿色公共建筑设计现状及优势

（一）绿色公共建筑设计现状

与传统的公共建筑项目相比，绿色公共建筑设计难度较大。具体设计过程应遵循有关规定和要求，执行严格的设计程序。在绿色公共建筑的设计中，需要多个部门共同参与。如果两部门之间不及时沟通，就很难对设计效果取得统一意见，设计难度加大，出现了后续建设中的资源浪费问题。

绿色公共建筑设计具有系统性和专业性的特点。然而，在具体设计过程中，许多分析软件的适用性较差，有可能出现信息失真的问题。因此，在绿色公共建筑的设计中，必须选择先进的软件技术加以辅助，为建筑设计提供更多便利。

（二）BIM技术在绿色公共建筑设计中的优势

1.模拟性

在建筑设计中，许多软件可以模拟作为常规计算机辅助设计一部分的二维或三维建筑模型。在BIM技术的应用中，对建筑物的建设进行了二维和三维模拟，形成三维动画，模拟在现实世界中难以控制的各种因素，将这些因素全部融入到建筑设计中，通过动画呈现出来以便于分析。

2.可视性

在建筑结构设计中，应用传统的计算机设计方法，用简单的线条可以画出建筑结构。通过应用BIM技术，建筑工程的可视化设计成为可能。利用BIM技术制作建筑模型后，可以让相关人员就建筑的结构设计、给水排水、电气设计等进行可视性观察和分析，提高了建筑设计效率，同时也保证了设计方案的合理性。

四、BIM技术在绿色公共建筑设计中的应用

在绿色公共建筑设计过程中，涉及到规划、建筑结构、采暖通风、能耗分析、水电资源、景观环境等诸多设计要素。设计师首先要创建建筑施工的图纸方案，但三维结构需要依靠建筑师的想象力，而BIM技术具有可视化的特点，建筑的三维模型是在图形中制作出来的。与传统的二维绘图相比，它能更直观地显示在眼前，并能完成整个设计的展示。在绿色公共建筑设计过程中，应用BIM技术可以对建筑模型信息进行详细的解释，能够保证设计参数的可靠性［8］。应用BIM技术对建筑施工中的复杂数据进行计算，建立建筑施工的参数化模型，再对建筑三维模型中的参数进行适当地调整，就可以得到新的参数模型。在BIM中，通过参数调整来区分图形元素，可以保存图形元素中的所有信息。在绿色公共建筑设计过程中，BIM技术可以利用数字化模型对仿真特性进行优化，对绿色公共建筑的布局形式、建筑材料和施工工艺进行调整。

（一）BIM技术在室内环境设计中的应用

在绿色公共建筑的设计过程中，内部环境的设计比较困难，以室内通风、采光、隔音为重点的内部环境优化设计可以有效地提高绿色公共建筑的环境协调性效果。绿色公共建筑内部的风环境、照明效果和隔声设计难度较大。利用BIM技术可以综合考虑整个绿色建筑的设计运行效果，对不同区域的内部环境特征进行协同处理。例如，在绿色公共建筑环境通风效果设计中，利用BIM技术对建筑施工区的风环境进行模拟，可以制作BIM模型，优化室内结构，合理利用自然风，优化自然通风，改善室内环境。基于BIM技术的改造调整保证了绿色公共建筑的通风条件良好。

（二）BIM技术在外界自然环境协调设计中的应用

在绿色公共建筑的设计过程中，要注重建筑施工与外界自然环境的协调，提高公共建筑工程的绿化设计效果。为保证绿色公共建筑与外部自然环境的协调，利用BIM技术进行优化设计，可以全面分析建设工程施工环境中的自然资源，并将其展示在建筑的三维模型中，为建筑的布局公式和方向设计提供参考。另外，如果在公共建筑的外部环境施工中需要对绿化环境进行改造，也可以利用BIM技术进行综合分析。通过采取适当的改造形式，可以实现在公共建筑绿化设计中的作用。

（三）BIM技术在节能减排设计中的应用

节能设计是绿色公共建筑设计的一个非常重要的部分。为了提高绿色公共建筑物的节能效果，可以将BIM技术用于节能设计。利用BIM技术可以系统地分析绿色公共建筑物的能源消耗量，以决定建筑物各内部结构的能源消耗量。通过适当调整整体绿色公共建筑物的内部结构，提高绿色公共建筑的能源效率。另外，绿色建筑设计标准明确规定了建筑材料和用途。例如，在整个建筑结构中，400兆帕及以上等级钢筋的使用量为85%以上；在竖向受力构件所采用的混凝土材料中，C50以上的混凝土量要超过50%。除非设计者进行大量计算，否则这些请求无法实现，结果的准确性很难保证。BIM技术可以用来测量材料使用率。BIM系统拥有强大的数据库，利用三维模型对统计设计方案中各种材料的使用情况进行统计分析，对历史数据进行对比分析，并获得足够的标准来判定比例是否符合绿色建筑设计指标的要求。此外，BIM技术能够对既有建筑结构进行碰撞试验，预先检测和调整结构中的碰撞点，防止施工中出现问题，造成浪费材料和维修问题。BIM技术节省了大量工程的计算时间，绿色建筑的设计效率得到显著提高。碳排放是衡量绿色建筑环境绩效的重要指标。碳排放控制是BIM技术应用于绿色建筑设计领域的一个新的发展趋势，设计师可以通过对这一指标的控制，对设计方案进行优化和创新，进一步提升绿色建筑的整体效果。

（四）BIM技术在方案设计中的应用

当代社会，建设需求日益增加，项目管理和设计更加严格。BIM技术的应用从建筑模块设计阶段开始，对建筑工程进行建模，使用软件中包含的功能模块分析建筑结构形态，并使用参数设计模块建立完整的建筑结构模型。在BIM系统中，所有参数都可以微调，使建筑物形状更和谐，价格适中。为了实现建筑设计计划的质量和效率，鼓励设计计划满足用户的需要，使其科学合理。利用BIM系统的可视化模块，开发了基于多级多面体和多值的建筑设计方案分析，实现了各部分的水印表现设计。设计者确定了绿色建筑设计方案的可行性和实用性，并优化了建筑设计方案的效果。因此，在建筑设计的过程中，可以使用BIM技术实现整体和局部的分析和观测。为了调整整体设计，通过观察和细分分析［9］，对本地设计计划进行详细比较和及时调整，从而优化设计效率。

（五）BIM技术在绿色公共建筑结构体系中的应用

在绿色公共建筑建设系统中，BIM技术的自然控制能力可用于完成建筑功能的数据建模。因此，在大楼功能的设计中，可以构建三维建模模型。例如从墙壁向空气传递热量，通过收集室内光，分析幕墙光折射的多级设计效果。建筑结构系统中BIM技术的应用还反映在共享和通信中。BIM系统可以为实际设计提供信息共享和交换平台，实现科学规化和可持续发展，达到现有建筑资源的合理分配，科学管理实际建筑材料。BIM技术可以实现信息共享和远程监控，实现远程管理和建设工程监控，降低建设工程人员成本。［10］通过匹配和共享，为今后的建筑设计、数据和信息资源的安全性、品质、可靠性、绿色建筑设计和管理打下基础。

本文讨论了BIM技术在绿色公共建筑设计中的应用。绿色公共建筑物的设计非常困难，必须综合考虑建筑结构和内部、外部环境因素。BIM技术可以构建建筑物的三维模型，构筑绿色公共建筑物设计平台，调整建筑环境的内外环境，提高绿色公共建筑物的设计水平。