BIM 在既有建筑绿色改造中的应用研究

潘 星，刘 赟

（甘肃省建筑科学研究院（集团）有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

随着科学技术的不断向前发展、世界人口的不断增长、自然资源匮乏、紧缺等环境问题日趋严重，各行各业包括建筑业、工业等可持续发展成为了未来一个重要的发展方向。改革开放以来由于经济社会的高速发展，带动了房地产业的迅速壮大，到目前为止我国既有建筑面积存量庞大。由于城镇化发展进程的加快，导致大量拆除老旧建筑与新建新建建筑，在这个过程中造成资源的大量消耗与浪费。在这个大背景下既有建筑的改造和可持续发展成为了当前建筑业的重要发展方向之一。将 BIM 技术应用于既有建筑改造过程中，充分发挥其全流程智能控制、全流程协同工作的优势，最大限度地节省资源，达到既有建筑的有效保护、改造与再利用，最终达到既能保护既有建筑又能够保证与环境和谐共生的目的。

1 BIM 技术的应用

1.1 BIM 技术的发展及优势

1.1.1 BIM 技术的发展

BIM 的概念最早是由查克伊士曼（Chuck Eastman，Ph.D.）在 1975 年提出；同时期英国也在研究与开发类似于 BIM 的工作，而英国等欧洲国家把它定义为“产品信息模型（Product Information Model）”，而美国定义为“建筑产品信息模型（Building Product Model）”。今天被广泛使用的 BIM 技术以及实施的相关技术基本思想来源于 1986 年美国学者罗伯特.艾什（Robert Aish）发表的一篇论文，该论文首次使用“Building Information Modeling”一词。

2000 年以前 BIM 技术的研究与发展由于受到当时计算机软硬件水平的限制，导致 BIM 技术只能以学术研究的角度来进行，根本没有办法在实际的工程实例应用中发挥其作用。2000 年以后，随着科学技术的不断进步、计算机软硬件水平的快速发展以及人们对建筑全生命周期的深入理解，BIM 技术迎来了快速的发展。

我国早在 2011 年 5 月，住建部就发布了《2011 ～2015 建筑业信息化发展纲要》的文件，文件中明确指出：要在施工阶段开始研究和应用 BIM 技术，并不断地推进 BIM 技术从设计阶段过渡向施工阶段的应用延伸；进一步研究怎样利用 BIM 技术来实现 4D 项目信息管理系统在各大型、复杂和工程难度大的工程施工过程中的应用研究，最终实现对建筑项目进行有效的可视化管理。这意味着中国的建筑业也开始了对 BIM 技术的应用研究。

1.1.2 BIM 技术的优势

1）BIM 技术是数字化的三维模型，能够集成从项目规划阶段到运维阶段整个建筑生命周期的各种工程数据信息模型，是对具体工程项目建筑、结构、水、暖、电以及设备的实际信息及功能的数字化表达［1］。

2）实际工程项目的 BIM 模型能够提供自动的计算、分析、查找、组合以及拆分实时的工程数据模型，建设项目各五方主体都可以通过平台来实现一模多用，提高各方主体之间的工作效率［2］。

3）BIM 模型可以不受时间、地点的限制通过 BIM 应用平台来进行工程信息的管理、创建和共享。

4）可视化。BIM 技术三维模型的可视化性体现了“所见即所得”的概念，在项目设计、施工、运维阶段方便项目各方进行讨论、沟通与决策。

5）协调性。专业与专业之间可以通过协调性进行项目整体的调整修改，如管综碰撞检测进行管道与建筑、结构专业之间的协同，机电管综之间的碰撞解决各种管道之间的碰撞问题。

6）模拟性。依附于模型进行 3D 施工动画模拟，能效、紧急疏散、日照、热能传导、4D（时间信息）等的模拟。

7）优化性和可出图性。

1.2 既有建筑绿色改造采用 BIM 技术的意义

BIM 技术应用于既有建筑绿色改造的设计、施工及运维阶段。在设计阶段辅助设计、装修改造方案以及工程量统计及变更复核，以虚拟建造的方式来模拟部分墙体、机电管线、结构构件等的拆除与新建，通过声环境模拟提前规划既有建筑周边减声带的处理，通过风环境模拟预测既有建筑室外哪些地方可能会出现旋涡等；改造施工阶段辅助施工、协助工程量变更、辅助隐蔽工程验收，结合三维模型进行集成化的管理，实现高效的管理模式；建筑绿色改造后的运维阶段进行整个建筑的能耗监测、结构健康监测以及协助物业管理人员进行日常运维管理工作［3-5］。

2 既有建筑绿色改造应用

国家层面为了引导、规范和鼓励既有建筑综合改造的推广再应用，科技部和建设部早在“十一五”就启动了科技计划支撑项目《既有建筑综合改造关键技术研究与示范》。重在推广既有建筑通过综合改造技术换发新的活力，从时间轴的纵向维度拉长既有建筑的生命周期。在后续的国家支撑重点项目《建筑节能关键技术研究与示范》《村镇小康住宅关键技术研究与示范》中也同样列入了有关既有建筑改造技术研究的相关课题。

本节从工程实例的角度具体分析 BIM 技术在既有建筑绿色改造过程中的应用。

2.1 工程概况

某既有建筑绿色智慧化改造工程，位于甘肃省兰州市，总建筑面积 1.8 万 m2，地下 2 层，地上 12 层，框架剪力墙结构。

为了创建绿色、健康、舒适的工作环境和高效的工作模式，本次既有建筑绿色智慧化改造从一开始就定义为打造西北地区具有代表性的既有建筑改造项目。本项目最终也获得了绿色建筑三星级标识、健康建筑二星级标识和 2020 年度全国绿色创新奖建筑。本项目中 BIM 技术的具体应用如图1 所示。下面将从改造过程中的各阶段来具体介绍 BIM 技术的应用。

图1 BIM 技术应用图

2.2 设计阶段

既有建筑图纸现场复核：由于本次改造建筑有一部分图纸和实际不符，所以图2 所示是设计之前的现场实际尺寸复核。

图2 现场尺寸复核

根据现场图纸尺寸复核，结合 BIM 技术进行模型搭建，如图3 所示。在模型搭建过程中严格按照既有建筑实际尺寸以及实际功能区进行建模，以保证通过改造前的实际模型和改造后的预测模型进行对比，能够准确地统计出实际改造的工程量以及后期进行准确地管综碰撞等工作。

图3 模型搭建

最终将搭建好的实际模型结合既有建筑所在区域的分布进行场地布置，最终通过 BIM 技术进行渲染，图4 所示。

图4 场布图

为了能够实时监测既有建筑的健康状态，在本次改造中引入了结构健康监测技术。首先将 BIM 模型导入 PKPM 软件进行结构验算，然后根据验算结果进行沉降监测点、倾斜监测点、应变监测点的布置。图5 所示为具体的结构验算以及具体的点位分布。

图5 结构健康监测

为了能够打造一个健康舒适的工作环境，设计阶段利用 BIM 模型对既有建筑进行了周围环境的风速、风压、日照及噪声模拟（见图6）。在环境模拟的不利因素处采取适当的措施，使得最大限度地减少不利因素给人们的工作和生活带来的不便。

图6 环境模拟分析

2.3 施工阶段

既有建筑施工阶段主要针对改造前的模型和改造后的模型进行机电管线的管综碰撞检测，通过管综碰撞检测来分析既有建筑中哪些机电管线需要拆除，哪些机电管线需要留用（见图7、图8）。图9 所示为建筑内部需要拆除的墙体和另需新建的墙体。

图7 全专业合模

图8 管综碰撞检测

图9 建筑改造模型

在施工过程中施工人员可以利用 BIM 技术的全息三维可视化性很直观地知道绿色建筑新技术构件的布局与具体施工安装点位，图10 所示为具体点位的辅助施工布局。

图10 绿色建筑新技术构件

施工阶段根据装修模型进行装修材料的工程量统计提前预判施工造价，根据三维模型对施工人员进行施工交底，监理人员根据施工模型进行隐蔽工程的监理等。图11 为本次既有建筑绿色智慧改造的装修模型。

图11 装修模型

2.4 运维阶段

将 BIM 模型导入 Unit3D 软件，然后将本次绿色智慧化改造的各子系统进行集成，最终形成一个集成多项新技术的绿色智慧办公建筑。图12 所示为本次改造后在办公建筑正常进行办公后的 IBMS 三维可视化智慧运维系统。该系统能够实时监测整个办公大楼的整体运营状态以及能源消耗状态。

图12 IBMS 三维可视化智慧运维系统

3 结语

BIM 技术的诞生使得建筑项目更直观、更简单。将 BIM 技术应用于我国大量的老旧建筑的改造中，不仅在施工前期预判整个工程量的大小、建筑功能区划分、辅助施工等节点，而且能够充分地发挥 BIM 技术的优势，将整个建筑通过前期的规划处理、模拟预演，在设计和施工阶段就规避掉设计阶段模拟获知的不利因素，给人们创造一个更加放松和舒适的生活环境。Q