现有建筑物与BIM技术之间的联系及应用

杨威 胡晚亭 谢汪阳

中国建筑第八工程局有限公司 江苏 南京 210000

建筑信息模型（BIM）是以智能三维模型的形式将建筑物的物理和功能属性表示出来。BIM提供了一个平台，使得参与建筑项目的不同专业人员之间能够共享有关项目的资源知识，从而帮助他们在工作中作出有效的交流及决策。3D模型的开发始于1970年代，基于早期的管理软件计算机辅助设计（CAD），但建筑行业在使用3D模型方面比较滞后，因为他们仍然更喜欢使用2D模型，并且因为当时的设备成本过高原因，从而3D模型技术无法在发展中国家萌芽。在 2000年代初期，建筑业引入了BIM模型，建筑师和工程师把BIM技术也应用到了一些试点项目。现阶段，建筑行业的专业人士和学术界对BIM模型非常感兴趣，因为BIM在有效节省建筑资源方面具有许多优势。

1 BIM技术可优化信息的内容及绿色评级系统

1.1 需要考虑使用BIM技术来进行优化的信息

使用BIM开发的能源模拟模型应尽可能减少建筑物中有害气体的数量和排放到大气中的有害气体。结构设计也是另一个必须考虑的重要要求，用于翻新建筑物的材料不应成为对环境造成污染的原因。

通过对以往的研究进行讨论，得出的结论是，在翻新、改造和生命周期管理中使用BIM对可持续性的影响首先取决于要为建筑物设计一个匹配的3D模型，然后不同的专家会在需要时使用模型中的信息提出解决方案。根据所进行的案例研究，采用BIM进行施工后管理已被证明可以节省资源和时间。它还提高了改造后建筑物的质量[1]。BIM在已经完成的项目的改造过程中的使用，效果十分出色。

1.2 绿色建筑评级系统

自从全世界开始倡导建设绿色建筑以实现可持续性以来，绿色建筑评级系统也随之诞生。这些评级系统可以确定建筑物的可持续性或绿色程度的等级。绿色建筑评级起源于英国，基于最初的评级系统，世界上的其他国家也根据本国的标准制定了适合自己国家的评级系统。尽管绿色建筑评级系统已经使用了大约三十年，但是直到近年来建筑业才对环境和可持续性的绿色建筑加以关注。

值得注意的是，部分评级不能适用于所有类型的建筑物，因为其中部分评级标准仅与特定类型的建筑物相关联，这意味着许多国家有多个评级系统正在使用，这给利益相关者带来了对绿色建筑评估及其评级的困惑，对绿色建筑的发展造成了不小的阻碍。据统计，到2006年，世界市场上大约有34种环境评估工具或绿色评级系统。中国目前使用的绿色建筑评级系统（GBAS）已经存在了较长的时间，属于在世界范围内比较成熟的评估系统。

2 BIM技术于改造项目中的优势体现及困难

在对如何实现绿色建筑问题和可持续性以及如何使用BIM对其进行优化以使建筑实现更具有环保性的研究之后，可以发现BIM技术能够将现有建筑物翻新为更具有可持续性能的绿色建筑。众所周知，施工过程对环境有广泛的影响，例如二氧化碳排放，噪音污染、材料及资源消耗等。BIM软件提供了各种解决方案，这些解决方案可以有效地减轻翻新和施工过程中的这些环境影响（埃尔根，阿金奇和加内特 2016）。目前，可以测量房屋碳足迹的BIM模型已经被开发使用，这类模型的使用可以使得工程师和设计师能够就如何对建筑物进行建模以向大气中释放较低水平的碳和其他气体提供参考。基于BIM的软件还能够对在施工期间由于各分部分项之间缺乏协调，返工和因为不同系统集成不良而产生的建筑废物进行监控并作出提醒。

现有的研究表明，BIM技术有助于减少翻新项目中的废物产生，这是可持续建筑的一个突出方面体现。例如上海中心大厦，已经表现出使用基于BIM的生命周期管理方法的许多好处，其能够实现低于8%的材料浪费率，目前世界上发达国家的平均材料浪费率为10%。

在建筑物的运营阶段，对建筑物的绿色环保性能进行监控非常重要，这有助于建筑设计师，业主和承包商做出环保决策（沃尔克，施腾格尔和舒特曼 2014）。BIM软件（如建筑物的能耗评估）提供了能源绩效指数的图形可视化参数。

BIM技术给参与项目维护和施工的不同利益相关者之间提供了一个共同的集成平台，因此加强了他们之间的沟通和协作。社会可持续性发展可以通过这种方式加强，因为共同平台为不同的利益相关者提供了一个加强联系的机会。然而，由于利益相关者缺乏对与之相关的好处的认识，缺乏对运营和管理的信息交换的正确定义，并且没有充分的定义符合建筑行业标准和从业人员指南，因此BIM在项目管理中的使用仍然有限[2]。

3 BIM功能可针对的主要环保问题

3.1 水资源的使用问题

根据现有研究的数据，BIM技术可以根据建筑物中的居住人数以及建筑物的目的或类型来估算现有建筑物的用水量。BIM相关的工具除了能够将模拟估算结果转换为水成本报告并帮助房屋给排水系统进行优化之外，还有助于建筑物的建设方对给排水系统的未来翻新工程做出决策。然而，BIM工具对用水量的估计并不是十分精准，因为实际中还会有一些客观因素因素存在，如项目的地理位置和居住者的使用行为变化等。

3.2 自然通风系统

在世界范围内，建筑工程消耗的资源占资源使用的最大百分比。BIM应用可以用于评估和优化现有建筑物的通风系统，改良能源消耗方式，并提高建筑物的热舒适度（巴尔察维亚斯 1999）。BIM技术也能够模拟计算自然通风对建筑物的供暖和制冷系统的影响。

BIM技术可以应用在通风系统中的另一个方面是它可以帮助建设单位或者设计单位通过BIM模拟出来的结论选择使用混合或自然模式的通风方式，例如交叉通风，单侧通风，开放式通风等（德尼兹，埃辛 2015），有助于各方为现有建筑物选择最有效和最可靠的机械通风方法。因此，BIM模型的使用可以减少通风产生的能源浪费，这对推行可持续发展理念也有着重大的意义。

3.3 太阳辐射和照明情况分析

BIM软件可以对建筑物的内部和外部照明情况进行分析，它可以显示一天中不同时间段太阳相对于建筑物的位置，通过对太阳位置的分析，设计单位可以优化窗户的位置及其尺寸，从而优化建筑的照明情况（帕姆，爱德华2016）。BIM中的软件还可以评估太阳的热量增益和损失以及建筑物表面上辐射热的交换，工程师和设计师可以根据BIM软件计算出的数据选择最佳材料。建筑物的内部和外部遮阳方式可以使用BIM软件来确定。BIM软件用于通过采用详细的照明条件分析来提高日光和视觉舒适度的利用率（库斯 2015）。BIM还能够概述照明条件的性能，以便工程师和设计师能够在翻新和改造之前评估其性能。

尽管有上述所有好处，但发现BIM与照明和太阳辐射模拟的集成有一个主要问题被不同的利益相关者提出，那就是模拟信息不足。大多数研究认为，BIM软件中的信息是创建用于照明模拟工具（如DAYSIM和Radiance）的文件所必需的。

3.4 热舒适性

建筑物的舒适性应由居住者的居住舒适性来判定。许多现有建筑的设计在没有考虑热舒适能力。决定热舒适水平的主要因素包括气温、代谢率、穿着、风速和湿度。BIM应用程序通过模拟上述因素来评估热舒适度。

在Revit中生成的模型（如IES-VE）可以模拟居住者在不同因素影响下对建筑热舒适度进行的评价，可以得出对建筑物热舒适性不满意程度的百分比，通过模拟得出的评价及不满意度就可以作为评价建筑物热舒适性的参考。

4 BIM技术在能源效率方面的应用

4.1 能源模拟和优化

基于BIM模型，可以使用能源分析软件（如EnergyPlus、eQuest、DesignBuilder 等）对建筑物的能源消耗进行模拟。这些软件利用建筑物模型的信息，结合气候数据和能源系统参数，模拟建筑物在不同条件下的能源消耗情况。能源模拟可以评估建筑物的整体能耗水平，包括供暖、制冷、通风、照明等方面。能源模拟可以提供关于建筑物能源性能的详细信息，如能源消耗量、能源成本、CO2排放量等。通过对不同设计方案和策略进行模拟，可以比较它们的能源效益，从而选择最佳的设计方案或改进措施。能源模拟还可以用于预测建筑物的能源消耗趋势，评估节能措施的有效性，并为能源管理和决策提供依据[3]。

在能源优化过程中，BIM模型可以与优化算法和工具集成，以寻找最佳的能源设计方案。通过对建筑物模型进行参数化和参数优化，可以探索不同的设计变量和策略，以找到最佳的能源性能方案。

例如，可以通过调整建筑物的外墙保温材料、窗户类型和尺寸、建筑方向等参数来优化建筑物的能源消耗。通过与BIM模型的集成，优化算法可以自动调整这些参数，并评估每个设计方案的能源性能。优化过程可以迭代多次，直到找到最佳的能源优化方案。能源优化还可以结合其他建筑系统的优化，如照明系统、空调系统、太阳能系统等。通过综合考虑不同系统的优化需求，可以实现整体能源效益的最大化。

4.2 可再生能源的集成

可再生能源的集成是指将太阳能、风能、地热能等可再生能源系统整合到建筑物中，以减少对传统能源的依赖，实现能源的可持续利用。BIM技术在可再生能源集成方面发挥了重要作用。首先，BIM可以支持可再生能源系统的建模和设计。通过BIM软件，可以对太阳能光伏系统、风力发电系统或地热能系统进行建模，包括组件、设备和连接方式。这使得设计团队能够更好地规划和布局可再生能源系统，以最大程度地利用可再生能源资源。其次，BIM技术可以用于模拟和评估可再生能源系统的性能。通过能源模拟软件的结合，可以对建筑物在不同条件下的能源消耗和可再生能源供应进行模拟分析。这有助于评估可再生能源系统的潜在贡献，包括发电量、系统效率和经济性等指标。基于这些模拟结果，设计团队可以进行系统优化，确保可再生能源系统的有效集成和最佳性能。

4.3 节能设备和控制系统的优化

节能设备和控制系统的优化是通过BIM技术在建筑设计和运营阶段对能源消耗进行分析和改进，以实现能源效率的提升和节能目标的达成。首先，BIM可以在建筑设计阶段支持节能设备和控制系统的选择和布局。通过BIM模型，设计团队可以模拟和评估不同节能设备的性能和影响，包括高效照明系统、智能空调系统、节能建筑外壳等。BIM可以提供对设备和系统的三维可视化，帮助设计团队更好地理解和决策，以选择最佳的节能设备和控制系统。其次，BIM技术结合能源模拟软件可以对节能设备和控制系统进行性能模拟和优化。通过能源模拟，可以评估不同设备和系统配置对能源消耗的影响，并进行能源效益分析。这有助于设计团队调整设备参数、优化控制策略，以最大程度地降低能源消耗并满足节能目标。BIM模型与能源模拟的结合还可以提供对建筑能源效率的可视化，帮助设计团队和利益相关者更好地理解和评估节能措施的效果。第三，BIM技术可以支持节能设备和控制系统在运营阶段的监测和管理。通过将BIM模型与建筑物的自动化系统和数据采集系统进行集成，可以实时监测和分析节能设备的运行情况和能源消耗数据。这有助于发现潜在的能源浪费和性能问题，并及时采取措施进行调整和优化。通过运营阶段的数据反馈和分析，可以不断改进节能设备和控制系统的性能，提高能源效率。

5 结语

BIM技术在建筑的运行维护和设施管理方面具有很大的潜力。然而，BIM在运营和设施管理方面的效益还没有完全实现，这是因为大多数现有建筑没有BIM模型，为现有建筑创建BIM模型是一个非常具有挑战性的过程。本文从现有建筑的设施管理和运营的角度分析了现有建筑的BIM的现状，并对BIM技术在绿色建筑可持续发展方面的应用进行了展望。可以看到，BIM技术在建筑运行阶段可以在许多方面体现出优势，例如，应用BIM技术可以更好地进行设施管理的生命周期分析，可以分析可持续和高效的能源使用情况，可以改善成本效益，加强安全运营和管理，减少维修工作。

通过本文中的分析可以发现，BIM为建筑业实现一些目标提供了很大的帮助。BIM为不同专业及职能的工作人员提供了一个及时有效沟通的良好平台，不仅大大提高了他们的工作效率和质量，还为当事人节省了大量的成本。通过BIM对建筑物的生命周期进行分析，当一些建筑构件达到使用寿命结束时，可以有选择地回收，从而节省了未来建筑施工的成本，也对环境起到了很好的保护作用。