BIM在建筑节能改造可持续设计中的应用研究①

□□ 樊长林，曹红梅，魏宝兰 (太原城市职业技术学院，山西 太原 030027)

引言

众所周知，建筑物的建造、使用和维修改造过程中会消耗大量能源，能源的消耗和CO2排放量息息相关，CO2排放会破坏生态环境。可持续理念源自于人类对地球资源有限性的认识，具有很强的自然、社会、经济、技术属性，主要强调对于生活环境资源的可持续应用，节约耗能、太阳能的利用以及空气的循环利用等。这就需要在改造维修过程中，使用绿色的建造材料、节能的建筑设备，既能满足当代人需要又保障子孙后代永续发展需要。在降低建筑整体环境影响的情况下，减少工程成本，获取足够的经济效益，同时能够为居民提供高效节能、环境优美的高质量的居住环境。评价建筑的能源消耗及其对环境的影响成为各国学者研究的热点问题。英国建筑研究院环境评估方法(Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM)、美国能源与环境建筑认证系统(Leadership in Energy & Environmental Design Building Rating System,LEED)等众多环境评价标准体系在设计过程中广泛运用[1]。然而，这些评价标准大都适合在新建建筑设计过程中的应用,适用于维修改造建筑的标准相对较少。除此之外，由于图纸丢失或损坏，使得一些信息无从核实，很难完整描述既有建筑的特性。

因此，获取建筑尺寸、材料特性等真实信息,并安全便捷贮存的技术研究极其重要,这将有助于既有建筑特性的准确描述。BIM技术可将大量的建筑信息集成共享,有助于项目各方人员的协同工作[2]。建筑信息和测定的数据可通过BIM技术及时增添贮存和变更，本文旨在研究既有建筑改造环境评估方法,并将相关的信息集成到BIM，便于在建筑整个生命周期提取应用,并对可持续设计进行评价决策。

1 建筑项目环境评价现状

为了推广可持续设计理念，判定建筑项目对环境的影响，国内外相关机构建立了环境评价体系，评估指标包括能源消耗、温室气体排放、土地和水的利用、健康幸福指数、当地生态价值等[3]。当前评价过程主要是首先根据评价的标准对各项指标进行评价打分，然后采用加权平均值进行相关建筑物整个可持续性的评价。国际上主要采用英国BREEAM和美国LEED两种评估方案，但是，许多研究者指出这两个方案存在缺陷。按照BREEAM、LEED标准经过计算、分析、演绎得到的评价结果不十分可靠，实施过程存在着随机误差和系统误差[4]，运用传统的量具和方法,在建筑数据搜集、计算、测评等阶段会产生错误[5]，并且对评价结果的解释具有很大的主观性[5-6]。文献[7]指出，按照BREEAM、LEED进行整个生命周期能量分析，没有考虑到材料的制造、建筑建造、使用和拆除等阶段的因素。文献[8]中宣称,BREEAM的评价标准虽然包含整个生命周期能源的影响，但是只分析材料对全生命周期能源的影响。文献[9]指出,绿色指南规范所定义的标准，无法对建筑的各构件使用材料进行评价。只有对建筑从规划到拆除的各个阶段准确评估，才能确切评价建筑对环境的实际影响[10]。当前，国内外存在多种可持续评价的体系[11-14]，但采用方法相互独立，很难实现完全统一。

2 全生命周期材料能量

建筑材料整个生命周期的能量评估对于判定建筑维修改造项目对环境的影响十分重要，主要包括建造前、施工建造、建造之后的三个阶段，如图1所示。整个生命周期材料的能量包括隐含能量和操作能量。隐含能量在制造、运输及拆除等阶段已经固化[1,15]。操作能量主要指在供暖、制冷、照明、运行设备等方面耗散的能量，可持续设计要求建筑具有较低的操作能量。为了方便计算，隐含能量和操作能量采用相同的单位来度量，二者之和反应了建筑的能量总消耗。建材产品说明书中应该提供整个生命周期的隐含能量,并注明整个生命周期建筑材料对环境的影响[16]。从全球来看,虽然在美国有许多整个生命周期材料能量数据源，但常用权威开放的数据是来自英国的巴斯大学ICE，其中,包含400种物质的隐含能量，30种主要材料门类，包括170多种不同建筑材料,然而ICE数据只考虑了材料隐含能和碳值，却忽略了材料操作能。2010年出版的ICE第一版数据中主要基于CO2排放量，而在第二版中包括了其他温室气体的影响和等价的CO2数量。BREEAM中的数据描述了构件整个生命周期资源的总消耗，但是许多数据来源是保密的，并且衡量准则建立在假设的基础上，缺少较强的稳定性。英国的建筑研究院和美国的绿色建筑委员会分别采用英国建筑环评体系(BREEAM)和能源与环境建筑认证系统(LEED)，两者都阐述了建筑整个生命周期计算能量的方式，建筑内部的材料内能计算采用类比法，设计人员无法控制材料最终节能绩效。

图1 建筑材料生命周期

在缺少可靠的材料参数且不能准确了解建筑性能情况下，运用BIM数据共享可以将这种不确定性的影响降低。在改造设计之前，可利用高光谱分析把既有的建筑材料特性标识出来。同时，应用BIM的模拟、建筑能效分析及内部热舒适性分析等功能，可逐步实现建筑改造的可持续性评价。

3 BIM在改造可持续设计中的应用

BIM技术将建筑信息并入一个共享数字平台，可以使各种专业协同合作，激发设计创新的潜力，利于创新的设计、优化工程解决方案，更好地满足客户需求，减少可持续设计决策错误。然而，发挥其最大潜力还需要进一步的研究。

BIM技术可以提供创新性设计方案，是可持续战略的基本解决办法[17]。2010年秋英国政府发布的低碳建筑报告中指出,BIM技术将改变传统建筑业的模式。在设计、建造、调试等过程中运用BIM，可以降低建筑对环境的影响。在确定设计方案过程中,可以根据不同目标和评价准则,输入不同设计参数,利用BIM可以进行能量模拟,通过模拟结果对比确定最优设计方案。尽管如此，由于建立模型比较费时并且对输出结果的判断和解释难度较大,设计者很少运用BIM进行能量性能分析。对于既有建筑，建筑能源管理系统相关数据资源虽然得以保存，但数据搜集能力和贮存量还达不到要求。因此，当前BIM技术还不能实现最优的可持续设计。

BIM在建筑节能改造项目中的应用还处于初始阶段。既有建筑的相关数据获取分析及建模能力都十分欠缺[2，7]。既有建筑的信息获取是BIM技术应用的关键问题之一。虽然LIDDAR激光扫描仪获取的点云数据可以创建几何尺寸精确的模型，但是在三维领域中,点云数据意义不大，只有当点云数据转化为二维或三维BIM模型后才能在BIM可持续设计中应用。将已有数据转化为BIM模型工作量大，需要大量操作人员，在此过程中会产生大量的人为过失。在BIM建模过程中,热舒适度、照明、烟雾等相关信息数据可从英国NBSBIM库获取。NBSBIM库是一个由专家编写授权的标准库,其中包含大量通用2D和3D开放数据。这些数据包含详细的技术、几何信息，描述了产品的物理特征和几何特征。这些信息可操作、更新，载入BIM模型后便可进行设计。这样能够节约时间，并保持各环节的一致性。但是BIM库中包含大量的通用对象只能在概念设计和方案设计阶段运用，在后期施工、使用管理方面数据还有待于进一步补充完善。

BIM技术的运用改变了设计完成后才能进行环境分析的状况[17]。在改造设计初期，设计者运用BIM探求能量设计决策,通过虚拟建筑3D模型进行可持续设计分析优化。根据其他特点诸如：天气信息、当地建筑材料供应、设计施工等标准规范等。图2给出了各种软件和BIM模型之间的数据交换,这种交换主要基于IFC和gbXML标准,促进建筑信息模型的互操作性，使不同的BIM设计软件和工程分析软件之间能够传递数据和模型整合，使得这些软件具有更好的数据交换性和互操作性,使用方便。

图2 各软件之间数据交换

虽然这些分析工具有一定的优势，但是存储技术、数据处理等方面需要进一步改善。其中，模拟输入输出的数据必须进行仔细核对验证。数据输入失误必将造成错误的结果，检查改正输入失误是一项繁重的工作。任何模拟仿真都只能是预测而不是正确无误，模拟的预测结果也不能盲目地运用。有些时候，对于缺少经验的模拟者来说，结果很难理解诠释。因此，模拟者需要进行特殊的培训和熟悉计算机相关知识。

4 结语

BIM被广泛认为是实体建筑数字化的代表,但也不是包罗万象,要充分发挥其潜力还有很长的路要走。目前BIM的应用主要集中在新建项目工期、成本、质量等三个方面管理，在可持续设计方面应用较少。为了便于BIM在可持续设计中应用，有必要进行基于BIM技术材料整个生命周期的能量评估研究，建立环境评估体系，确定材料的全寿命内所包含能量，以便辅助设计人员做出明智的可持续发展决策。

实体工程的数码重建将耗费大量时间、成本和人力。今后研究重点应该集中在利用自动扫描技术获取数据信息，建立包括每种材料全生命周期能量BIM信息集成库。将不同模型库标准化，便于能量计算、比较，利于后期材料设备更换时产生的影响透明化，并且整个建筑生命周期能量自动改变。对于制订改造项目可持续标准而言，材料内含能的研究，确保BIM库中集成数据可靠、更新及时是至关重要的工作。