基于BIM技术的全过程绿色建筑设计应用

党晓晖

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 引言

随着社会的进步与经济的飞速发展，低碳理念下绿色建筑的设计受到高度关注。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术的快速发展，提高了绿色建筑设计效率，同时，完整的模型信息为建筑的绿色运营带来更多的便捷性与实用性。尽管BIM技术在绿色建筑设计上已取得了一定的成果，但是没有相关研究论述如何将BIM技术应用于全过程绿色建筑设计。因此，BIM技术协同性的优势，并未能最大化地应用于全过程绿色建筑设计中各专业的同步设计。针对BIM技术全过程绿色设计的概念，提出了BIM 技术在不同绿色建筑设计阶段中的应用策略，BIM技术的应用可推进绿色建筑设计的进步，促进建筑行业的发展。

2 概述

2.1 BIM技术概述

BIM是通过计算机辅助设计（CAD）等信息技术上发展起来的多维模型信息集成技术[1]，它可以通过数字信息的方式传递出建筑物的三维几何形状、建筑构件的材料、价格及项目的建造进度等。BIM模型通过可视化的方式来表达建筑的效果图与建筑的模型几何信息。同时，BIM模型具有对象化的特点，在建筑项目设计、建造、运营等过程中可直接影响人员的调配、沟通和决策。BIM模型的多元化特点，能够通过自身的数据库输出项目所需的信息。

2.2 绿色建筑设计概述

绿色建筑是指在全生命期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，最大限度实现人与自然和谐共生的高质量建筑[2]。相较于传统建筑，绿色建筑的特点就是低碳、低能耗，符合可持续发展的要求。首先，绿色建筑应充分利用自然资源，包括自然采光、自然通风等；其次，绿色建筑在追求可持续发展的目标下，提出因地制宜，就地取材的要求，从而达到节约资源的目标。同时，现阶段在“双碳”政策的背景下，绿色建筑更是需要满足全生命周期内低碳排放的建设目标。

3 基于BIM技术的绿色建筑设计

3.1 BIM技术的应用优势

BIM技术基于对项目的信息建立、系统管理和技术共享，从而实现绿色建筑全生命周期的建设目标。BIM技术应用于绿色建筑设计阶段，不仅保障了绿色建筑项目的设计周期，而且能够有效地控制项目的建设成本，更重要的是确保了绿色建筑最终建设完成的质量。首先，BIM技术对绿色建筑设计的价值具体体现在工作界面的可视化，不同于方案效果图的展示作用，BIM模型的三维信息可直接提供绿色建筑评价所需要的大量模拟数据，且能够给非建筑专业的业主及用户提供清晰明了的工程图纸，同时直接表达出建筑的内部空间关系及各类管线排布。其次，BIM技术还提供了建设项目的完整工程信息的数字表达，通过BIM技术可以有效地保存从前期策划、方案设计、深化设计、施工图设计各个阶段的工程数据，从而可以在之后的施工过程、运营使用时方便地提取。同时，BIM技术能够精准追踪建筑拆除阶段的数据，从而提供建筑全生命周期的碳排放数据。除此之外，BIM技术对绿色建筑设计的价值还体现在工程信息数据及各专业之间的协调性与互动性。对绿色建筑设计进行模拟时，如有参数需要调整，在建筑专业修改后，能及时反馈给各个专业从而同步修正设计，起到协同设计共同完成绿色建筑设计的目的，提高设计的工作效率。而设备专业的管线碰撞检查等措施，则能有效避免施工过程中的浪费，从而有效合理地保证工程质量。

3.2 BIM技术在绿色建筑设计中的方法

对比传统流程设计过程的反复性，BIM技术可以有效地推动绿色建筑的正向设计流程，从前期阶段的场地分析研究，包括对当地气候条件的研究，模拟出最佳朝向及设置合理的建筑间距，从而符合国家规范所要求的相关日照时数的标准，进而提高土地的利用率，起到节约土地的目的。方案阶段的总图布局、形体关系通过对建筑体型的声环境、风环境、光环境的模拟分析，及时对设计作出反馈，从而提高了方案的准确性及舒适性。到后期施工图阶段的不断深化构造材料及管网综合等，需不同专业的工程师共同参与，BIM平台的协同性优势则能及时反映出问题，从而修正模型参数，提高建设项目的质量和工作效率。BIM技术的完备性可体现在对全专业与系统的整合作用，展现出贯穿设计、施工、运营到拆除的全生命周期流程。

4 BIM技术在全过程绿色建筑设计中的应用

4.1 前期设计阶段

传统建筑的前期设计是对于建筑师经验的过度依赖，BIM技术作为绿色建筑前期设计的指导，为达到相应的绿色建筑设计等级，可以根据气候环境、场地环境，全面分析相关的要素及数据，从而为设计提供全面且具体的技术措施。

4.1.1 气候环境分析

绿色建筑设计前期阶段，可以使用BIM软件Weather Tool对场地气候进行分析，通过对气象数据的数字信息转化成可视化的图像，可直观地反映出场地的相关气象信息。同时，为进一步了解场地的热舒适性，可通过软件提供的焓湿图数据来分析解读，从而确定场地内建筑被动式建筑设计策略，如图1所示。其次，通过读取太阳的热辐射数据，可以针对项目的功能情况，对建筑的朝向及内部使用情况作出预判。除此之外，为了获得场地内的全年主导风向、风速、风频等数据，可以通过气象数据导入Weather Tool软件，得到逐月的相关数据，从而制定科学合理的通风策略。

图1 焓湿图

4.1.2 场地分析

场地分析的基础是对场地坡度和高程的分析，实现对场地最大化利用。工程师通过BIM模型，可以进行包括坡度分析、高程分析、朝向分析、场地排水分析等内容[3]，从而合理地规划场地的土方平衡、场地排水等。首先，BIM软件通过导入DWG或DGN各自的数据，创建出场地的数字高程模型，如图2所示。基于这些数据的可视化图面表达而了解场地的高差变化、坡度变化，以及排水流向。其次，利用BIM技术对场地进行平整，通过设置一个标准平整面及不同高程点的方式分析现有场地，得到相对准确的场地土方施工方案，从而提高施工效率。

图2 BIM三维地形图

4.2 方案设计阶段

4.2.1 总体布局

通过对场地地形、地貌等前期设计的数据分析，进一步进行日照模拟计算、场地风环境模拟计算等，逐步确定项目的总体布局，包括对建筑的朝向和间距等参数，从而得到最优的总体布局方案，且满足方案实现绿色建筑的目标。

良好的建筑朝向既能满足冬季的日照要求，又能避免夏季的过度日照，是优化建筑节能的关键措施。结合BIM模型的日照分析和Weather Tool的日轨图，从而了解到建筑朝向与日照之间的关系，如图3所示。同时，BIM技术可以模拟建筑在不同时间段内阴影范围的变化，由此确定建筑的间距。其次，可通过通风分析，综合考虑建筑与冬季、夏季的主导风向关系，从而合理地组织和利用风元素。同时，通过模拟建筑的主要气流方向，可采取增大建筑间距的方式或顺应较大风向角度的总体布局模式来满足室内良好的通风条件。

图3 场地最佳朝向分析

4.2.2 建筑体量

建筑的体量关系不仅需要兼顾合理性与功能性，同时，应该结合节能的要求选择最优的建筑形体，达到节能减排的绿色建筑设计目标。通过BIM技术的可视化和参数化可迅速建立初始模型。其中，BIM技术所包含的自适应功能可根据建筑的设计将现有定位点带入具有参数的模型，在载入其他构件后，可根据所需要的定位，逐步对应设计的目标要求，根据参照调整参照点，形成具有自适应性的建筑体量。这种参数化的建模方式，可以快速有效地创建初期的体量模型，同步进行建筑的模拟计算。同时，对模型的参数有所调整时，系统能够根据当前的信息作出及时的变化，这就保证了模型信息的同步性与协调性。除此之外，BIM技术的可视化优势也展示在建筑体量的控制上，BIM模型可以方便地进行多角度、多场景的观察，为下一步方案设计与调整提供便利性。

4.2.3 性能模拟分析

（1）场地风环境

根据绿色建筑评价标准中场地风环境的参数要求，进行场地的风环境模拟后可获得有效的室外风环境。通常采用CFD模拟分析工具，CFD模拟分析能够直观且准确地反映出自然风气流密度、气流主导方向、最大流速点等信息，可针对建筑间距、朝向、布局等提供合理优化的设计依据，进而在方案阶段能够及时调整建筑的总体布局，确保行人的活动区域风速满足设计要求，并为项目参与绿色建筑评估提供技术论证。

（2）场地声环境

通常进行绿色建筑设计时，根据相关设计标准，会特别关注室外环境中的环境噪声。声环境的优劣直接影响建筑舒适程度，不同于传统的场地噪声实测技术，BIM数据模型通过数字模型，分析建筑的噪声大小变化曲线、声强曲线。工程师可通过输出的数据判断建筑设计规划是否合理、隔音降噪设施是否满足要求[4]。BIM模型不仅提升了运算速度，而且简化设计过程，从而能够通过模拟获取较为真实室内声音、声强分布，有助于进一步优化建筑设计。

4.3 深化设计阶段

4.3.1 风环境分析

自然通风不仅能满足过渡季室内通风换气的要求，同时也可大幅度降低机械通风设备的能耗。基于BIM技术的室内自然通风模拟分析，可以对建筑内部空间的使用进行优化设计，符合人体热舒适的要求，如图4所示。同时，满足对室内空气品质、室内不同区域的通风换气的要求。针对绿色建筑评价标准中主要功能房间换气次数不低于每小时2次的要求，可以不断进行设计的修改优化[5]。

图4 室内气流组织分析

4.3.2 光环境分析

基于BIM模型的自然采光模拟，可以通过调整建筑布局，改变墙体、地面、顶棚的材质及窗户、幕墙的可见光透射比等设计措施，从而优化建筑室内空间设计，改善建筑的自然采光，减少建筑的能耗。其次，在进行自然采光时还应考虑室内视野率的模拟计算，确定室内对室外的可视区域，改善使用者的视觉体验，同时，为了满足室内使用人员的舒适问题，还应该同步考虑室内采光均匀度计算与眩光计算，在充分利用自然采光的同时，合理地确定开窗形式、开窗面积及人工照明。

4.3.3 能耗分析

在深化设计阶段，建筑体形系数、朝向、窗墙比、围护结构材料等都会影响其节能计算结果，通过将这些基础数据导入BIM模型中，可进行建筑能耗分析。为了达到绿色设计的节能要求，可根据分析结果，不断调整建筑的形体关系、窗墙比、围护结构材料等参数，以能够快速比对方案的全年能耗情况，计算结果可以满足绿色建筑的设计要求，从而到达绿色建筑高星级的标准。同时，能耗分析可以节约能源、减少资源消耗，降低温室气体排放。

4.3.4 碳排放分析

BIM可以实现整个绿色建筑全寿命周期内的碳排放计量，其体现在深化设计阶段，主要是选择建筑材料的过程。通过BIM模型将建筑材料与排放量分析建立联系，各种建筑耗材量与对应碳排放因子相乘并且累加可以得出建筑材料生产、运输阶段的碳排放。对建造阶段进行模拟，结合工期的设定，可提出合理的机械与材料使用，可以初步推算出此过程碳排放数据。对于建筑运营阶段碳排放，通过碳排放因子与运营过程中相应的消耗关系，可以初步计算获得运营中的碳排放量。

4.4 施工图设计阶段

4.4.1 管线综合

管线综合指消除不同管道之间、管道与线路之间、管道线路与建筑结构之间的碰撞，在合理规划各专业管线位置和走向的前提下，减少管线的占用空间，有效节约建筑的内部空间[6]。传统的施工图仅通过二维图纸表达，容易产生错漏与碰撞等问题，如图5所示。BIM技术通过三维模型，及时反馈真实尺寸下真实管线设计情况，协调不同专业之间的冲突，确保建筑专业、结构专业及设备专业之间有序施工，避免错、漏、碰、撞等现象。同时，根据碰撞模拟报告，各专业协同对设计进行变更，合理设计设备管线，综合调配设备分布，提供便捷及充足的维修检查作业空间。同时，为后期施工阶段降低了成本，节约了施工时间，加快了施工进度。

图5 BIM中通风管道与钢梁的碰撞检测

4.4.2 可视化出图

不同于传统的平面二维化表达，BIM模型涵盖了工程中物理、地理、功能等各种信息。BIM模型的优势在于可以在三维尺度下完成定位及标注，并且对模型各类空间进行剖切，从而得到一个三维的施工图图纸。当设计在有变更的情况时，细部的调整和修改可以直接反映在相应的图纸，从而形成调整后的大样图，借助BIM技术的可视化出图方式可以提供最简洁直观的施工图图纸，如图6所示。

图6 可视化施工图出图

5 小结

研究针对全过程绿色建筑设计的BIM应用，通过分析和研究绿色建筑设计过程中每个阶段的应用策略，发现BIM技术与绿色建筑结合是未来建筑行业发展的必然趋势。在全生命周期的设计目标下，绿色建筑设计中应用BIM 技术可以提高建筑设计的完整性与协调性。在实际工程建设过程中，还要对BIM 技术应用不断进行创新，进一步提高BIM技术与绿色设计相结合的合理性与高效性，为推动绿色建筑设计星级发展提供有利条件，提高绿色建筑的设计质量。