文章来源：建筑技艺杂志

    BIM技术在绿色建筑设计中的应用

    |卢琬玫李宝鑫冯蕴霞|

    天津市建筑设计院BIM设计中心

    01、IM技术参与绿色建筑设计的优势

    随着我国人均能耗的逐年增加，国家对建筑节能愈发重视，大力发展绿色建筑被摆上日程。面对越来越复杂的绿色建筑设计，BIM技术的优势日益凸显。BIM技术可以应用于分析影响绿色建筑条件的采光、日照、通风、能源效率和可持续性材料等建筑性能的方方面面；可分析、实现最低建筑能耗，并借助通风、采光、气流组织等对人体舒适度进行分析及改善，实现节能环保；可在项目方案阶段适时进行日照计算、模拟风环境等，并将分析结果反馈回方案设计，为建筑的绿色设计提供参考依据，使建筑成为真正的“绿色建筑”。

    02、BIM在绿色建筑设计中的应用案例

    2.1、案例项目概况

    天津市解放南路文体中心项目总占地面积17km2，分三个阶段建设（图1）。根据天津市政府“十二五”规划，要将解放南路地区建设成为生态宜居的居住社区，成为国内首个中心城区人口密集区的绿色生态居住区，因此规划明确要求，区域内所有新建建筑需全部达到国家绿色建筑标准。

    ▲图1解放南路文体中心实景图

    文体中心项目是这一区域内第一个非经营性质的公共建筑，目的是为周围居民提供健身活动、休闲交流、文化娱乐等服务，使居住区的配套功能更加完善，同时降低实际运营成本，为社会展示绿色建筑理念等。该项目的设计目标为：低碳零能耗、国家绿色建筑评价三星以及美国LEED铂金认证，建成之后将成为北方第一座零能耗建筑。为实现这一目标，在设计时采用了综合节能措施以寻求最佳方案。

    首先，根据天津市所在的北方寒冷地区的气候条件来选择适宜的被动节能措施，同时将其与建筑造型结合起来进行研究，然后通过被动节能措施的选择以及其他条件来对主动节能措施进行优化。设计过程中充分运用了基于BIM技术的数据分析方法，对众多模拟数据进行整合并综合分析，从而为设计提供依据。

    文体中心项目技术亮点如下：

    （1）全程采用BIM技术进行设计，包括建筑形体的三维设计、全专业协同设计和重要节点构造的精细化设计，并结合计算软件将分析数据模型化，与各专业实时互动（图2）。

    （2）设计全过程有效利用BIM技术，逐步完善建筑设计。通过提取模型中包含的数据信息，简化计算体型系数等设计参数，指导设计深化。同时利用数据接口，将模型导入其他分析软件中进行模拟与验证，有效指导设计中的被动措施选择、主动措施优化及可再生能源的利用，实现项目全过程的可持续设计。

    （3）通过持续完善Revit模型，实现全专业三维协同设计，减少专业间的设计误差。同时，利用Revit模型直接生成施工图纸，减少因模型信息偏差而产生的返工和拆改问题，减少能源和材料的浪费，提高项目的表达完成度，避免施工中的理解误差（图3）。

    ▲图2直观生动的设计展示

    ▲图3精细化的设计质量

    2.2、BIM在绿色建筑设计中应用的工作模式

    BIM技术在绿色建筑设计过程中发挥着多方面的作用，针对不同设计阶段分析整合相应的数据模型，每个阶段都要进行提取数据、交互分析、循环验证的过程，形成一个闭合的应用工作模式，为绿色建筑设计提供强有力的量化数据支持。绿色建筑设计主要从主动、被动和可再生能源利用三个方面着手（图4）。

    ▲图4绿色建筑设计主要从主动、被动、可再生能源利用三个方面着手

    2.2.1 被动式设计

    （1）基于分析数据进行场地设计，确定建筑与人工湖位置，节省土方量，实现低影响开发；利用相关软件进行环境模拟分析，指导气候响应设计（图5）。

    （2）基于分析数据进行场地光环境模拟分析，指导气候响应设计基础条件分析，在此分析的基础上设计了四种形体方案，进行体形系数、围护结构日均太阳辐射得热、地块内自然通风模拟及分析等多方面比选，确定最佳形体（图6，7和表1）。

    （3）对建筑室外进行风环境模拟，确定地道风取风口位置位于建筑西南侧，指导生态中庭设计（图8）。

    （4）基于分析数据进行室内风环境分析，根据共享空间内垂直方向速度矢量图和温度分布云图并结合地道风设计指导生态中庭设计（图9）。

    （5）基于数据分析和能耗模拟进行窗墙比限值计算，确定30%～40%的区间；基于辐射得热的能耗分析确定立面样式以及合理的外窗和墙体的传热系数；依据日照条件，为不同朝向选择适合的遮阳形式（图10）。

    ▲图5利用BIM技术分析场地环境

    ▲图6通过分析数据推敲建筑形体

    ▲图7地块内自然通风模拟及分析

    ▲表1多方案比较

    ▲图8室外风环境模拟

    ▲图9生态中庭设计

    ▲图10通过模拟确定遮阳形式

    2.2.2 主动式设计

    1）利用高效的暖通空调设备；2）利用高效的照明设备，基于数据进行室内光环境分析，对同一房间的照明区域进行分控，达到节能目标；3）优化其他机电设备。

    2.2.3 可再生能源

    充分利用太阳能并对地热低温热水梯级利用。基于分析数据对太阳能光伏板发电量的数据进行模拟，针对15°坡屋顶建立详细的分析模型并导入当地气候条件，计算出一年中每月总发电量。

    03、BIM技术在绿色建筑设计中的巨大优势

    BIM是以三维数字技术为基础，在建筑全生命周期内将各种相关信息整合并对项目进行有效把控管理的一种设计模式。它的集成化管理具有延续性，可以最大程度地整合社会有效资源，提升质量，控制成本，实现可持续设计。BIM的设计模式为绿色建筑设计提供了一种全新的技术支持平台。

    首先，BIM优化了绿色建筑设计的全过程。为实现绿色建筑目标并保证建筑舒适度，必须在设计全过程中尽可能节约资源，这就对建筑性能提出了量化统计要求，通过各种分析得出的量化结论也必须可转化为信息模型，延续设计成果。通过BIM我们可以从建筑全生命周期最初期获得可靠、开放的理论依据，并获得可以延续至终的建筑信息模型，通过多软件环境的互导，对设计成果进行反复分析、优化和论证。分析成果可转化为具有可视化特点的量化指标，极大地优化了绿色建筑设计全过程。另外，对于建筑性能的实时分析预测，也在一定程度上保证了建筑建成后的舒适度。

    其次，通过实时分析和模拟，保障了绿色建筑与自然相融合。周边环境对建筑的影响因素有很多，如光照、气温、气流以及现有建筑物、绿植等，不同的区域定位也会带来很大的差别。通过实时分析模型技术，提供可靠分析，使建筑师可以自由调用环境数据，从而对建筑体量、外形进行推敲、分析和验证，引导建筑被自然环境所接纳，并将这个过程中得到的可持续完善的成果进行分享和传递，使建筑如同一棵有生命的大树一样与环境融合，在自然中生长。

    具体优势如下：1）BIM技术运用在绿色建筑的设计中，可大幅提高设计深度和质量，实现项目全生命周期的协同管理，实现对项目整体设计、建造与运营的全面把控，达到质量和效率的新高度；2）绿色建筑设计是一个跨学科、跨阶段的综合性设计过程，BIM模型则正好满足此特性，可实现统一数据平台上不同参与方的协调设计和数据集中。同时结合Navisworks等软件加入4D信息，使跨阶段的管理和设计能有效利用信息模型中的数据信息，实现绿色建筑全生命期的综合把控；3）真实的BIM数据和丰富的构件信息为绿色建筑仿真模型分析提供了强大的数据支持，确保了分析结论与设计理念的有机结合，有助于建筑师在方案概念设计阶段进行绿色建筑相关的决策；4）BIM强大的能耗模拟功能，使建筑师与工程师可以在项目设计阶段以模拟能耗数据为基础，进行充分比选，得到更加合理的项目设计方案，这对资源的高效利用有积极的作用。

    04、BIM技术在绿色建筑设计中应用的技术难题及解决方式

    利用BIM技术参与绿建设计也存在相应的难题，比如建筑信息模型依赖于在不同阶段、不同专业之间的信息传递标准，需建立一个全行业的标准语义和信息交换标准。同时，在单一阶段的应用中也存在数据传递的问题。由于现在市场上有众多的BIM技术软件，方案初期的建模工具以及后期的很多分析软件所支持或输出的格式各不相同，而目前国内还未出台一个统一的数据标准，这就为信息交互带来了困难。

    针对以上问题，探讨了一些建筑专业在方案设计和能耗分析时对于BIM模型数据的传递方法，应用中取得了较好的效果，梳理总结如下。

    4.1、Revit在方案设计过程中与其他软件的交互方式

    在方案设计过程中，建筑师通常需要根据场地条件对建筑的摆位和体块进行设计。通过BIM技术提供的数据交互整合平台，可以将多元化的信息（场地信息、建筑形态信息等）汇入同一数据源，并作为后续设计的重要依据（图11）。

    ▲图11将多元化信息汇入同一数据源

    在体块方案设计阶段可以使用Revit自身的功能对建筑的形体进行初步设计，对于不同格式的文件，也可以导入Revit中继续进行深化设计，对于现在建筑设计广泛使用的SketchUP（以下简称SU）和Rhino，也可以将其模型导入到Revit中。

    4.1.1 Rhino导入Revit

    Rhino导入Revit的格式为*.sat，方式有以下三种。

    （1）在常规项目中直接导入。这种导入格式只能作为形体参考，无法编辑和附加材质，不建议使用。

    （2）在体量编辑模式下导入。在这种方式下，可以通过Rhino导入面片或形体，导入后这些形体变为Revit自身可以拾取的“体量”模型，通过Revit自身的体量编辑，可以将体量上的面变为墙体或屋顶，并自由改变材质或转化为幕墙系统。例如，通过上述方式建立异形屋顶并将其下部墙体附着到屋顶。需要注意的是，一般通过Rhino建模是为了设计异形体量建筑，而对于这些异形体量，导入之前需要对Rhino的曲面进行编辑调整，使曲面达到G1（相切）的连续级别，再导入到Revit中。

    （3）在内建常规模型下导入。可以对其族类别进行设定，使其拥有特定族类别，实现量化统计。可以对其组类别进行编辑，拥有特定属性，以实现一些功能，如异形屋顶导入后的墙体附着等。

    4.1.2 SU导入Revit

    SU导入格式为SKP5以下版本的*.SKP文件，导入后为整体不可编辑模型，但可以通过在体量编辑模式下导入进行构件拾取，其作为底图被Revit接收并生成自身模型，原理与Rhino导入模式相同。此外对于SU，可以建立Revit与SU文件的连接，这样当SU文件被修改时，Revit文件中的模型会进行同步修改，但这种方法只限于建筑配景（图12）。

    ▲图12 SketchUP模型导入到Revit中

    4.2、Revit在应用分析模拟软件时与其他软件的交互方式

    目前进行模拟分析的常用软件众多，其中最常用的是从Revit导出到IES和Ecotect进行分析，主要通过将Revit本身输出的*.gbxml格式文件导入软件中进行分析。

    针对Ecotect和IES分析对空间封闭性的严格要求，在从Revit导出文件之前，也需要根据需要对Revit文件进行调整。在Revit模型中，封闭空间的概念是通过“房间”工具实现的，所以在导出之前，需要将所有空间中加入“房间”并保证房间高度高于当前层层高（图13），并在文件中忽略和墙体连接的所有结构柱并简化构造柱，减少文件中的异形空间，创建等效的常规空间，从而提升分析模型的完整度。同时，IES对于模型封闭程度比Ecotect还要高，也就是说IES比Ecotect更容易报错。

    由于Ecotect在2011年停止了更新，如果需要将Revit2013以上版本的文件在Ecotect中进行分析，也需要对生成的gbxml格式进行转码，方法为通过写字板打开gbxml文件并另存为新的xml格式文件，在编码选项中将编码改为UTF-8之后再导入到Ecotect中（图14）。

    ▲图13保证房间在空间上完全封闭

    ▲图14通过改变编码解决版本问题

    4.3、流体力学分析软件的交互方式

    流体力学分析可以通过StarCCM+或CFDesige完成。两个软件所接收的文件格式均为*.STL格式文件，此类文件无法通过Revit直接导出，针对两个软件我们也有相应的解决方案。

    （1）CFDesign作为Autodesk系列软件产品，自身在安装过程已在Revit中嵌入了导入插件，可以通过该插件功能将模型直接导入CFDesign进行分析（图15）。

    （2）StarCCM+本身较为封闭，且只接受*.STL格式文件，解决方法是通过Rhino进行“搭桥”使其在两个软件间进行转换，通过Revit生成的SAT文件导入Rhino中再导出*.STL文件，就可以成功地将Revit文件导入StarCCM+中。但是这种方法也存在问题，需要在Revit中尽量减少多边形数量，在Rhino中将所有线段进行合并，这需要一定工作量的调整。

    ▲图15利用CFDesign软件进行分析

    05、结论

    通过对解放南路地区文体中心项目采用BIM技术实现绿色建筑设计的实践，研究了BIM技术的成果输出方式以及与各分析软件间的数据交换方式。实践证明，利用BIM技术建立起来的动态信息模拟具有良好的科学性、合理性、完整性和关联性。以BIM模型为载体，在能耗模拟、各专业碰撞检测、循环验证等可持续设计方面进行了尝试，探索了Revit平台和分析软件的结合应用，为我国绿色建筑的发展提供了经验。

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