基于BIM 技术的绿色建筑评价研究

李昕懿 刘俊 黄浩 徐文 曹源 冯宗宝

（华中科技大学土木与水利工程学院，武汉 430074）

引言

随着BIM 技术的产生与发展，人们逐渐意识到，传统的绿色建筑评价体系存在一定的片面性[1]，并且传统方法既耗费大量时间，又不能在前期指导绿色建筑设计，无法满足绿色建筑可持续发展的需求[2,5]。而BIM 技术可以客观地模拟出绿色建筑的性能参数作为评价依据，极大地促进了绿色建筑评价的发展[6,7]，国外学者将BIM 技术应用到绿色建筑评价分析中。Wong J K W 等[8]对绿色BIM 技术在建筑全生命周期中的应用做了综述与展望。Ilhan B 等[9]结合BIM 技术及可持续发展模型计算建筑绿色等级，并提供反馈数据进行更深入的评估。Jiang S H 等[10]提出一种基于BIM 技术和建筑本体的绿色建筑评价新方法。我国对于BIM 技术和绿色建筑评价分析的研究也越来越深入。杨文领[6]从能耗的角度出发，建立基于BIM 技术的绿色建筑能耗评价体系，实现建筑能耗优化。王晓许等[11]提出基于BIM 技术的绿色建筑评价方法以提升绿色建筑评价的客观性和准确性。赵钦等[12]基于绿色建筑评价新标准，研究了BIM 技术在绿色建筑施工管理中的主要应用。

随着绿色建筑评价体系的更新以及BIM 技术的发展，过去的研究大多是基于节地或节能某个方面，应用范围受到了局限[13，14]。因此，构建一套较为全面的基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系仍值得深入研究。本文基于我国相关评价标准，结合BIM 技术及模拟软件，构建基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系，结合指标评分及权重，为绿色建筑设计优化及改造提供信息支持。

1 构建基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系

1.1 绿色建筑评价指标体系

由于绿色建筑各等级均应满足控制项要求，本文参考新版《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）评分项中各项指标，结合其他标准中指标项目，将具有代表性的绿色建筑指标经过替换、新增及合并等处理后得到基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系，包括5 个一级指标，15 个二级指标及45 个三级指标，如表1 所示。其中，需要通过BIM 软件模拟获取的指标可分为两类：一类是基于以Pathfinder 为代表的绿色建筑安全模拟分析获取；另一类是基于以Ecotect 为代表的绿色建筑环境模拟分析获取，其余指标均可通过BIM 模型本身参数直接获取。

表1 绿色建筑评价指标体系

1.2 绿色建筑评价及分级标准

1.2.1 确定指标权重

在确定了指标体系后，对专家进行问卷调查以确定专家对这些指标重要性的看法并且针对每个二级指标对相应的三级指标的权重进行划分。参考标准中各项指标的分值占比情况并结合专家打分，能够初步得到绿色建筑评价指标体系中各三级指标的权重。结合指标体系中部分指标的替换、新增及合并等情况，可得到绿色建筑评价指标体系中各二级指标的权重。最终层层递进，得到绿色建筑评价指标体系中各一级指标的权重。所有指标的权重分布将在后文结合案例列表介绍。

1.2.2 绿色建筑评价指标评分

基于各项三级指标的评分及权重值，利用加权求和法，由式（1）得到各二级指标实际得分。同理，可以由式（2）得到各一级指标的实际得分。得到一级指标评分后，结合一级指标权重值可由式（3）得到最终绿色建筑评分。

根据计算出的绿色建筑评分，结合已构建的指标体系，将绿色建筑等级按照评分由低到高分为不合格、一级、二级和三级4 个等级，其分级标准如表2 所示。

表2 绿色建筑分级标准

2 基于BIM 技术的绿色建筑评价

在基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系中，除通过BIM 模型直接获取的指标外，通过BIM 软件模拟获取的指标可分为安全疏散模拟、光环境模拟、热环境模拟、声环境模拟及风环境模拟五类，其中，安全疏散模拟可通过基于Pathfinder 的绿色建筑安全分析实现，光环境模拟、热环境模拟、声环境模拟和风环境模拟可通过基于Ecotect 的绿色建筑环境分析实现。

2.1 BIM 模型构建

本文以华中科技大学西十二教学楼为例进行绿色建筑评价分析。该建筑共五层，长177m，宽64.6m，高24m，层高4.2m，用地面积33 350m2，建筑面积40 318m2，建筑占地面积11 573m2。教学楼共有32 个常规教室，80 个阶梯教室，能同时容纳近万人。为方便后续的绿色建筑分析，将西十二楼进行一定简化，简化后的模型为五层结构，按照首层平面图及标准层平面图进行建模，Revit 软件中最终构建出完整的BIM 模型如图1 所示。

图1 西十二楼BIM 模型

2.2 基于BIM 技术的绿色建筑模拟

本文通过BIM 模型以及相关BIM 技术，可以从以下7 个方面来完成模拟。

（1）BIM 模型导入Pathfinder

从Revit 软件中将BIM 模型导出成DWG 格式文件，再将其导入Pathfinder 中。按照教学楼人员密度设计要求，根据《中国成年人人体尺寸》（GB/T 10000-1988）进行参数设置。设置完成后，可隐藏原BIM 模型，得到各层人员分布图如图2 所示。

图2 西十二楼各层人员分布图

（2）人员疏散时间模拟分析

在Pathfinder 中建好模型并设置好人员行为参数后，点击运行可进行人员疏散模拟。在整个疏散模拟过程的三维视图中，可以看到每个人员的疏散线路拥挤程度等情况，如图3 所示。

图3 人员疏散三维模拟图

模拟完成后，得到所有人员疏散时间如图4 所示。建筑内2 270 名师生的疏散时间为326s，即5.5 分钟左右，小于国家标准规定的6 分钟[15]。

图4 人员疏散时间图

（3）BIM 模型导入Ecotect

在Revit“分析”菜单中的“地点”和“能量设置”中分别设置好城市及能量分析模型，在三维视图中以空间为基础从Revit 中导出成gbXML 格式文件，并将文件编码设置为“UTF-8”，最后在Ecotect 中导入该文件。

（4）光环境模拟分析

《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）中规定了教育建筑各类型房间对应的采光系数、室内天然光照度等标准，如表3 所示。教学楼室内采光在CIE环境下，内区采光系数满足采光要求的面积比例达60%，室内主要功能空间至少60%面积比例区域的采光照度值不低于采光要求的小时数平均不少于4h/d。

表3 教育建筑采光标准

在Ecotect 中载入武汉地区气象数据信息，根据地区纬度自动计算室外天然光临界照度值。基于《建筑采光设计标准》（GB 50033-2013）进行参数设置并分别对建筑五个楼层进行采光模拟分析。一层采光系数范围在0.1%-80.1%之间，室内天然光照度在12-6312lux之间，不符合教学楼建筑采光设计标准，需要增加人工照明提高室内采光。二到五层采光系数范围分别为：21%-61%、24%-64%、18%-58%和15%-55%，采光效果良好。

（5）热环境模拟分析

西十二楼全年被动组分得失热分布情况如图5 所示，其中红色代表围护结构导热，褐色代表综合温度，黄色代表太阳直接辐射，绿色代表通风，蓝色代表内部人员及设备。对于建筑得热，通过内部人员及设备得热占比43.4%、通风得热占比17.9%、太阳直接辐射得热占比15.1%、围护结构得热占比11.3%、综合温度得热占比9.1%；对于建筑失热，通过通风导致的热损失占比55.3%、围护结构热损失占比42%。可见建筑通风情况较好，围护结构隔热效果较好。

图5 被动组分得失热分析占比图

（6）声环境模拟分析

西十二楼东侧及北侧各有一条公路，常有学生及汽车经过，交谈声及车流声等会对教学楼造成噪声影响。因此，选取教学楼东北角处的教室进行声环境模拟分析。在教室模型东侧及北侧约20m 处设立声源模拟行车及交谈声，并在教室内部进门侧设置声源模拟教师授课声音。

不同赫兹、不同分贝的声音衰减程度不同。西十二楼声音反应没有超过48 分贝且都能很快的衰减，属于0 类分区，满足一般教室允许噪声级小于等于《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118-2010）50 分贝的规定，可见教学楼隔声效果良好。

设置教室内座位类型及布置情况，通过Ecotect 混响时间模拟计算得到混响时间在400 ～1 400ms 之间，当声音频率大于500Hz 时，混响时间在1s 上下浮动，基本满足一般教室的最佳混响时间。

（7）风环境模拟分析

在Weather Tool 中导入武汉市气象资料，选择要显示的风环境信息，即风频率，勾选图例和百分比，选取冬季、夏季早晨作为模拟时间范围研究主导风，分别导出冬季、夏季风频率的图例和百分比如图6（a）～（b）所示。通过Weather Tool 分析西十二楼最佳朝向如图7 所示。图中黄色指向为武汉市最佳建筑朝向，为南偏东15°，红色指向为武汉市最差建筑朝向，为东偏北15°。西十二楼呈东西走向，正门朝向为南偏东10°左右，基本符合最佳朝向。

图6 武汉市风频率图

图7 建筑朝向对比图

3 绿色建筑评价与改进提升空间分析

3.1 绿色建筑三级指标评价

基于上文绿色建筑模拟分析结果及BIM 模型自身参数，结合专家打分对所构建的基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系三级指标进行评分。绿色建筑评价体系中各级指标评分如表4 所示。

表4 绿色建筑评价体系三级指标权重及评分表

3.2 绿色建筑评价及改进提升空间计算

由表4 中各三级指标评分及权重，由公式（1），可得各二级指标评分；由各二级指标评分、权重及公式（2），可得各一级指标评分。一、二级指标评分表见表5。由表5 中各一级指标评分及权重。由公式（4），可得最终绿色建筑评分分值：

表5 一级和二级指标评分与改进提升空间表

参照绿色建筑评价分级标准可将西十二楼绿色建筑等级划分为二级。

为针对各二级指标评分情况更好的优化绿色建筑性能，提出二级指标改进提升空间，计算方法见公式（5），即二级指标分值到最优分值可提升的分值乘以相对应的权重。由公式（5）计算各二级指标的改进提升空间并排序如表5 所示。由表可知，二级指标室内热湿环境及节能与能源利用改进提升空间最大。因此，应对建筑室内热湿环境及节能与能源利用相关目标进行优化与提高。

4 结论

本研究提出一种基于BIM 技术及绿色建筑模拟软件的方法，重新构建了基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系，对建筑进行评价并进行改进提升空间分析，得出以下结论：

（1）本文构建了基于BIM 技术的绿色建筑评价指标体系并制定了分级标准。结合绿色建筑模拟软件，从安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约及环境宜居5 个方面确定5 个一级指标、15 个二级指标及45个三级指标，采用专家打分，确定各指标权重。结合指标评分及权重通过层层加权求和得到最终绿色建筑评分，将绿色建筑最终评分按照从低到高分为不合格、一级、二级和三级四个等级；

（2）以武汉市华中科技大学西十二教学楼为例，构建BIM 模型，按照模型参数获取通过BIM 模型直接获取的指标，将通过BIM 结合绿色建筑模拟软件获取的指标分为安全模拟、光环境模拟、热环境模拟、声环境模拟及风环境模拟五个角度，将BIM 模型传递到绿色建筑模拟软件中进行模拟分析，在避免重复建模的基础上实现软件间互操作性；

（3）通过将软件模拟结果与各专项国家标准规定进行对比分析得到各三级指标得分，基于各指标评分及权重层层加权求和，得到最终绿色建筑评分为74 分，可将西十二教学楼绿色建筑等级划分为二级。通过计算各二级指标改进提升空间并排序，确定改进提升空间最大的二级指标为室内热湿环境，其次为节能与能源利用，因此，在后续绿色建筑研究中，应重点针对这两项二级指标进行优化改进。