摘要：本项目着重于分析在建筑设计和建造过程中对绿色建筑标准的诠释，从而实现设计的绿色指标，并且利用一个综合的建筑信息模型BIM将这些绿色指标清楚完整的表达出来，让管理者和用户在管理和使用过程中能按照预定的可持续性设计有效地使用和维护房屋及其设备。本项目不仅为设计阶段提供全面信息输入和绿色标准执行指导，而且注重施工和使用阶段的数据采集。北美绿色建筑评定系统LEED的各项评测点指标将被嵌入BIM模型，随着模型的不断更新，建筑物的绿色评定等级将会自动进行改变。由此可以清楚地了解设计、施工阶段的所有行为对绿色等级的影响。
1 背景介绍
评定绿色建筑一般分为两个阶段--施工设计图纸的评估和投入使用后一段时间后对一些关键数据的分析。对于建筑施工阶段的评审以及使用一年以后的可持续性监测还未能引起足够的重视。目前为止，还没有一种贯穿建筑生命周期的科学方法可以被利用在规划，设计，施工，使用，和最后拆除的各个不同阶段，来有效地执行和控制整个建筑的建设和使用都符合可持续性发展的要求。尽管近年来获得中国绿色建筑标志的建筑日趋增多，LEED等国外绿色建筑评定在中国建筑市场中的地位还是不可替代的，这种状况还将随着进一步开放的建筑市场而更加突出。仅2016年，北京、上海、江苏获得LEED认证的建筑面积分别达到了209万、175万、和136万平方米，占据中国内地绿色建筑榜单前三名。得到LEED认证更是赢得国外投资商的一大亮点，到2017年年初，中国共有超过一千个LEED认证的绿色建筑，而这个数字将不断增加。
尽管绿色建筑标准中定义了具体的指标和要求，设计师在设计过程中还是要花大量的时间对实际方案进行论证并且需要按照既定的绿色等级进行指标确认，这和有限的设计时间形成了强烈的冲突，以至于不能找到一个最优化的方案或者是以牺牲长期可持续性发展为代价。其次，由于中国绿色建筑发展起步较晚，施工和使用过程中的经验还不足以被回馈到设计阶段，设计的主要指标还是集中在材料的应用和新能源的采用上，其在施工和使用阶段中的长期绿色评估和优化还是一个空缺。怎样有效地收集这些指标并且整合成一个综合信息模型进行分析评估，将为以后的设计提供宝贵的数据和经验。
建筑信息模型(BIM)是近年来发展很快的技术，它最大的特点是将建筑模型本身变成一个信息库，可以储存各种数据并且保存这些数据和建筑组件之间的关系，比如说进度计划，工作空间，安全管理，以及物业管理 (Eastman et al. 2011)。目前，BIM 的应用在欧美发达国家正在迅速推进，如美国已推出国家BIM 标准，规定房屋建筑设计必须应用BIM 技术，推行集成项目交付IPD 管理模式。美国政府已经采用BIM技术在公共建筑管理中，各地方政府也开始支持这项技术的运用。加拿大大型建筑工程招投标中也规定图纸要用BIM软件进行设计，逐步替代AutoCAD的运用。各大建筑公司也已经招募BIM的专家或对员工进行培训，以适应这的转变。与欧美发达国家相比，我国BIM 应用起步并不晚，但由于建筑企业和项目管理模式及水平的限制，致使其推广应用更为艰难。
另外，建筑信息模型还可以根据实时信息进行自动更新以反映建筑现场的真实情况。这就需要实时定位系统（Real-time Location System (RTLS)）的介入。RTLS可以采用不同的技术，包括：GPS全球定位系统，RFID无线射频识别，Laser激光，Ultrasound超声波,Infrared红外线，等等。其中RFID被普遍认为是性价比较好的技术，RFID标签已经被广泛用于物流运输定位，仓储管理，门禁系统等，在建筑业多被用于预制构件的仓储管理等（罗曙光，2008）。鉴于RFID的定位优势和BIM对展示建筑模型空间和时间的优点，如果能将这两种技术在更深的层面上结合，配以适当的算法，应用在整个建筑生命周期中，一定会对各个阶段产生有益的影响。首先在材料运输阶段，时间可以被精确的计算和预测，是精益建设（Lean Construction）的首要条件。在施工过程中，可以减少浪费和精确定位，从而提高效率。此外，RFID与BIM结合，可以作为施工安全计划的一部份，并实时监控工作人员工作环境的安全等级并作出必要的反应，从而大大减少安全隐患。在建筑物运作和使用过程中，这两种技术结合更是能在长期的应用中减少手动操作引起的误差，及时更新数据，如果结合特定的专家系统（Expert System），则能够监控各种设备设施的工作状况，并及时诊断能耗异常问题，为找到问题根源提供参考。此外，专家系统还能分析和比较设计和实际能耗的差别，为判断某些指标设计的合理性提供帮助。
在国内建筑项目中，BIM数据的自动采集和模型的自动更新还没有引起足够的关注。国外的BIM研究已经开始向这方面发展，例如将BIM和RTLS结合，用于建筑模型自动更新（Hammad et.al, 2011).）和提高施工安全性能上（Zhang et al., 2012）。结合RFID与BIM技术，将对整个建筑周期内可持续性发展提供一个有效的综合性方法，能满足不同阶段控制的目的，随着这两种技术的不断发展，整个系统可以变得更经济，更高效，更精确。从而可以在房屋建筑，乃至所有土木工程中得到广泛的应用。这样一个信息集成模型可以被各参与方所利用并作为信息读取和输入的唯一途径，包括设计方，建设方，管理方等，可以大大提高信息共享的程度，减少不兼容性。目前，我国正在进行着世界最大规模的基本建设，工程项目规模日益扩大，结构形式愈加复 杂，尤其是超大型工程项目层出不穷。然而，当前的管理模式和信息化手段都无法适应现代化建设的 需要。有效的应用BIM和RFID 技术，从根本上解决建筑生命期各阶段和各专业系统间信息断层问题，从设计、施工技术到管理全面提高信息化水平和应用效果，已成为建筑行业的迫切需求。
2 研究内容
本文的主要目标是研究（1）构建一种方法将LEED标准和BIM有效地结合起来，使每一个LEED评分点都能被自动地计算评估；设计模型中相关数据可以被自动获取，并借助外部支持文件对设计要点进行自动评估并打分；（2）分析LEED对于建筑物生命周期不同阶段的要求和评估指标，概括需要用户输入的各类信息并设计有效的用户界面；以及（3）设计一个RTLS系统用于实时收集施工数据和使用过程中的能耗数据，并将这些数据整合在BIM模型中 作为长期监测的基础。这项研究的主要内容是怎样结合LEED，BIM和RTLS技术，用一个整合了各种数据资源的建筑信息模型, 特别是空间位置关系信息，对建筑生命周期的各个阶段的可持续性进行有效的评估和优化。其目标就是为建筑物建立一个可不断更新的综合信息体，去分析带有空间位置信息的数据，从而提高资源利用的效率，杜绝资源浪费，在整个生命周期内提高资源共享度，保持数据格式的唯一性。如图1所示，LEED评估优化系统涵盖了设计、施工、和使用维护阶段建筑物的实际状况。
图1 房屋生命周期各阶段评估优化流程
从设计开始，以规则/文本描述的形式，LEED标准被嵌入BIM模型中，每个评测点都有详细的数据计算和评测过程。数据会根据要求自动的从模型中获取，或者通过用户界面输入。例如，在“Sustainable Sites 可持续性现场”评测点7.2中，屋顶日光反射指数（SRI）和屋顶面积可以直接从BIM模型中获取，前提是在设计屋顶时，SRI值会被输入到“Properties属性”中。这样就要求我们要提供给设计师所有需要实现定义的属性，并按照要求正确有效地输入到模型中。因此，对LEED文本进行仔细的分析和归纳是必不可少的。当设计完成，所有必需的评估数据输入完毕后，初步的LEED得分就可以由系统自动给出，设计师还可以通过调整设计方案来观察LEED得分情况，有助于在短时间内得到尽可能优化的方案。
其次，在施工阶段，项目经理需要检查设计的可持续性指标的可行性，比如再生材料，本地材料是否能找到供应商，施工中怎样节约能源，工地上的废弃物管理等等。各种施工变更也会在一定程度上影响设计的绿色建筑得分。所有这些变更和建筑物实际的情况都要被整合到BIM模型中，并且进行再次评估。建筑施工中的材料浪费和各权益方沟通不畅是导致LEED失分的重要原因。为此，一个RTLS系统将被设计并运用到实时数据采集中，一方面，在工程材料运输阶段，时间可以被精确的计算和预测，是确保精益建设（Lean Construction）的必要条件。在施工过程中，可以减少浪费和精确定位，从而提高效率。
具体来说，RFID标签可以被安装在各种预制建筑构件，水暖通风管件，消防设施等固定物件上，多种初始化的信息可以被写入标签并储存在数据库内。由于建筑信息模型的结合，各种部件的安装位置也可以被确定并且可以被显示在BIM的空间模型中。在工程建设过程中，这些数据可以被读出并且与预定的位置进行比较，如果符合，则表示该构件已被安装到位，BIM模型将被更新以反映新的施工进度。这样一个反映实时状态的建筑模型可以被用来进行有效的进度控制，节省施工时间，更加有效地进行资源配置。另外，一旦这些安装构建被安装到位，它们所附的电子标签的位置也会逐渐构成一个空间关系网络，可以作为一个空间位置参考系。建筑投入使用后，对整个建筑的使用运营，要用到这样一个带有空间位置信息的综合模型，以到达有效管理和提高发展的可持续性。由于绿色建筑概念的不断深入，各种传感器都会被安装在适当的位置，用以记录能源的使用情况。这些数据来源于不同科技手段，不同采集方式，不同的表达方式，更加需要被整合在一起，加以有效利用。RFID电子标签正可以作为这些信息的载体，通过定期的数据自动更新，达到与物业管理数据库的自动数据交换。基于这些数据中包含的空间信息，一个专家系统将会被开发用于对能耗的分析和预警。
3具体方法和成果
首先要归纳总结可以直接从BIM模型中获取的数据，作为评定绿色建筑等级的基础。其次，额外的信息必须在设计阶段输入，这就需要系统的对LEED标准进行分析和提取，利用BIM中参数和属性设置有效全面地进行数据整理，为进一步分析提供足够的信息。其中，需要尽量探索和挖掘BIM本身具有的功能，比如工料分析等，用于获取材料用量，以计算再生材料所占百分比，来评定相应评分点的得分。此外，各种不同构件的属性需要重新定义，以增加反映可持续性特性的项目，比如，在“墙体”材料属性中增加“再生材料用量”。类似的定义将被应用到所有不同类型的构件。通过不同层次的类定义：“category类别, family族, 和type类型”可以有效地定义相同类型的构件。
本项目的核心部分是评估优化系统，由输入，分析，和输出三个模块组成。输入模块主要是将LEED文本规则化以及提供输入指导，帮助用户输入足够的数据并储存到BIM模型中。然后，由系统自动获取模型本身的数据和用户输入的信息并导入到分析模块。分析模块包含了所有评分点的详细计算和分析，将由输入导入的信息进行加工处理。比如在评定屋面热岛效应时，从输入模块导入数据，产生计算所需数据，再根据LEED标准公式计算，其结果决定这个评定点能否得分。图2显示了评定屋面热岛效应的流程图。一共有三个评测选项，只要符合其中任意一项，都能得到１分。这是LEED评定标准中最浅显的评定规则，其他评分点都需要更多的数据支持和更复杂的数据分析。最后，所有评分点的评分结束后，将得到整个项目的总体得分。输出模块不仅给出最后评定等级，还对各部分的得分组成进行分析，进而指出可以改进的部分以及可以采取的措施。
图2：屋面热岛效应评定过程流程图
图3展示了在Revit软件中开发的插件界面。包含了从LEED评定标准中提取出来的各评分项目。例如图3(b)是关于可持续性场地的得分项目，图3(c)是具体的屋顶热岛效应的得分点评定，屋顶的数据由Revit模型中自动读取并根据标准自动计算得分值。
图3 自主开发的嵌入Revit 软件中LEED评定标准界面
本项目还有一个重要方面是将BIM和RTLS两种技术实现技术层面上的结合，就是要将RFID电子标签的信息读取并反映到建筑信息模型上。在这个阶段，适当的电脑编程语言要被选定，以设计一个介于两种技术之间的界面，来进行实时的信息交换。位置信息从标签中实时读取到建筑模型中，并以一种临时或永久的表达方式出现在建筑空间结构中。需要考虑的技术指标主要有信息更新频率，空间拓扑结构要求，信号互相干扰的影响度，位置信息的精确度，信息无线传输的方式，等等。一个2.4Hz的RFID系统被选择用于本项目中。电子标签被附到不同的物件上进行数据收集和分析。连接BIM和RFID的插件被开发用于传输数据到BIM模型。如图4(a)所示，电子标签的数据写入和读出可以通过这个用户界面进行，图4(b)显示了相应的电子标签被读入BIM模型后的表达方式：一个名为TAG标签。所有存储在电子标签中的信息也同时被录入BIM模型并保存在属性Properties中。这样一个简单的关联实现了两种技术的结合，并且为进一步开展项目提供了基本的技术保障。
图4 RFID电子标签数据写入和读取以及在BIM模型中的表现形式
下一个关键阶段就是建模，除了包括建筑本身的结构件以及设备，施工过程中临时设施，材料堆放位置，工作空间划分，工程进度安排，工作队组安排，工作内容，施工机械计划等等都需要以不同的形式反映到这个综合的建筑信息模型中。由于工程进度的不同，建筑信息模型是根据时间进行变化的，因此在不同的时间段，所有信息都应该被更新，这是非常关键的环节，不及时更新的模型就失去了实用价值。因此，
RFID电子标签的位置和数量需要被设定，这也需要从不同的角度进行设计和论证，即要考虑到整个空间结构的构成情况，也要考虑金属对信号传递的影响，安装过程的可执行性，对建筑施工的影响程度，以及在以后使用过程中的维护。在这个阶段还需要决定写入RFID标签的数据结构，这是因为标签有限的数据储存能力，并决定哪些数据需要被反复更新以及更新的频率，这些关系着标签的使用寿命，从而影响整个系统的造价。图5 展示了固定(a)和手持(b)的接收器，以及可读写(c)和只读(d)标签。两种接收器的工作频率是2.4GHz，在50米范围内可以同时辨别500个标签。
图5 接收器和电子标签
在施工过程中，材料的使用情况可以进一步被核实并进行相应的评分，例如混凝土中粉煤灰的比重，可以从每一批次的材料配比单中获取，通过相应的公式计算，可以得出在可以循环使用材料（MR4）中的得分。通过计算各原材料运输距离，可以计算出地域化材料（MR5）中的得分，这些信息都可以间接的从电子标签中存储的数据中得到并听哦能通过一系列的计算后获得。
结语
可持续性发展在国内外建筑行业已成为一个重要的评价标准和实施规范。在房屋生命周期的各个阶段，都涉及怎样利用各种新能源与新技术，从而达到环保节能的要求。很多国家都制定了评定绿色建筑的标准，比如中国的绿色三星评定标准,美国的LEED，还有英国的BREEAM。要完全达到这些标准，不仅仅要在设计上达到要求，还要在具体施工和使用管理上对传统的方式方法进行改进和改良。在施工过程中有没有完全达到设计要求，材料应用有没有符合绿建的要求，等等，都是值得关注和研究的。本文提出的将LEED和RTLS系统嵌入BIM的方法，可以将数据收集自动化，并且通过嵌入的公式和法则，自动计算得分点，避免了手动操作的误差，提高了工作效率，并且将数据收集系统化，透明化，为评分提供了更加可靠的数据来源。
参考文献
Eastman, C., Teicholz, P., Sacks, R. and Liston, K. 2011. BIM handbook: a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers, and contractors, John Wiley and Sons.
Hammad, A., Asen, Y., & Zhang, C. (2011). Visualising Construction Processes Using Augmented Reality: Fusing BIM, Video Monitoring and Location Information. the 11th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality. Weimar, Germany.
罗曙光（2008）。基于RFID的钢构件施工进度监测系统研究，硕士学位论文，同济大学。
Zhang,C.,Hammad, A., Soltani, M., Setayeshgar,S.,& Motamedi,A.(2012).Dynamic virtual fences for improving workers safety using BIM and RTLS. 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering.Moscow,Russia.
论文作者:甘宗华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/26
标签：建筑论文; 模型论文; 数据论文; 信息论文; 阶段论文; 三星论文; 持续性论文; 《建筑学研究前沿》2017年第28期论文;