青岛理工大学 山东青岛 266033
摘要：随着我国城市化建设的快速发展，建筑的能耗和环境问题口益引起人们的关注。传统的建筑环境分析与评估方法存在着建筑环境分析滞后、信息获取难度大、计算精度低等问题。BIM作为信息技术在建筑领域的应用，它通过建立建筑的三维信息模型，对建筑的所有相关信息进行集成化管理，为建筑的计算和分析等提供了数据支持。针对传统建筑环境性能分析与评估的不足，本文采用理论分析、模型分析和量化的方法研究了基于BIM技术的建筑环境性能分析与评估。
本论文的研究成果将有助于减少甚至避免工程施工过程中存在的工期拖延、质量不高、效益低下、安全管理体系不完善及各专业不协调等问题，提高施工技术和管理水平。
关键词： BIM，建筑能耗，评价
绪论
1.1 研究背景
能源短缺和环境恶化给二十一世纪全球经济的持续化发展带来了巨大挑战。自上世纪70年代石油危机以后，全球能源的供应变得更为紧张，据统计，世界能源需求以每年2%的比例持续攀升，预测表示，到21世纪中期，全球总能源消耗将达到其4倍以上[1]。我国是能源消耗大国，能源消费占全世界能源消费总量的13.6%，仅次于美国，但能源效率仅有33.4%，比发达国家落后20年，相差约10个百分点[2]。
在众多能源消耗领域，大致被建筑业、交通运输业和工业这三方所占据，而建筑业的能源消耗则占据了大约一半。世界上最大的建筑市场在我国，既有建筑面积约400亿平方米，95%以上为高能耗建筑。每年新建建筑面积16-20亿平方米，其中80%以上是高能耗建筑，单位建筑面积的能耗是发达国家的2-3倍之多[3]。在我国，建筑业消耗的物质占全国物质消耗总量的15%左右，建筑所使用的能源占全国总能耗的28%，建材生产及建筑活动造成的污染占34%以上[4]。因此，提高能源使用效率，减少建筑能耗，已经成为我国亟待解决的重要问题。
1.2 国内外研究现状
随着环境问题在世界日益受到关注，越来越多的国家开始对建筑进行能耗监测、统计和研究，进而将计算机模拟技术应用于建筑物能耗评估中并进行了深入的研究和实践。
在国外的先进研究中，BIM技术已经应用于建筑的全生命周期，在建筑能耗方面的研究也不在少数。Ramesh Krishnamurti,Tajin Biswas and Tsung.Hsien Wang 将可持续发展划分为若干个可控部分，根据相关要求检查饮用水，将BIM运用于城市用水建模，模拟计算可利用废水和雨水收集量等[13]。2009年，Annette Stumpf等人利用BIM在建设项目概念设计阶段进行能量分析，并建立了一个社区应急服务站的模型，用来探索不同围护结构和构件对建筑设计早期产生的影响。2010年，J.Woo等人提出利用BIM的精确数据模拟建成的建筑物，以便业主更直观的看到建筑模型参与讨论改进方案，他们还提出了将BIM与传感器网络配对以获取与建筑节能相关的数据[14]。
我国引进BIM技术的时间较晚，大多应用于建筑设计阶段。2006年，曾旭东根据我国建筑节能设计现状和国内外能量分析软件的应用现状，提出将BIM技术与建筑能耗分析相结合的设计方法[25]。2010年，冯妍在分析我国建筑能耗设计软件需求的基础上，进行了建筑节能设计软件系统的详细功能设计及系统开发[26]。2012年，邱相武等人根据我国建筑建筑节能设计存在的问题和不足，介绍了现有建筑数据电子文档基础上生成建筑能耗模拟模型的方法，对基于BIM技术的建筑能耗评价的功能模块进行了讨论[27]。
2传统建筑能耗评价方法
2.1 传统能耗分析的具体流程
在建筑工程的设计阶段，能够越早进行能耗模拟分析对整个工程越有利，这样不仅可以节省大量的人力物力，同时也能节省宝贵的时间，即使出现任何问题，也不需要因返工而做出大量修改。但目前国内传统的建筑方案设计中的能耗模拟分析情况并不理想，大部分建筑能耗的评估计算是在设计施工图阶段之后，甚至有一部分是在建筑施工或建筑交付使用后才进行建筑能耗分析。这样做的后果是如果项目出现任何问题，就需要花费更多的时间来处理。甚至有些企业通过谎报数据以顺利通过节能设计标准的检查，导致节能建筑的发展缓慢。
如果建筑能耗分析在方案设计完成之后进行而发现问题的话，则会导致方案的大量修改及变动，进而会影响到下一阶段任务完成的进度和质量。因此，在方案设计阶段就应当进行建筑能耗模拟分析，充分考虑节能设计要求，实现实际意义上建筑能耗的降低。
2.2 传统能耗分析方法存在的问题
建筑环境的基础数据，如材料特性、气象资料等，对能耗模拟的结果影响较大，但在我国，气象参数数据库和建筑材料的完整热物性数据库都较为匮乏，且设备在多工状态下的实验数据不足，这就在一定程度上影响了模拟计算结果的正确性。
目前，对于想要通过模拟分析软件来辅助建筑设计的工程师而言，在众多模拟软件工具中找到最合适的一款并不简单。这些软件在功能形式、适用范围及操作内容上各不相同，尽管在一定程度上它们的使用功能存在交叉，但是如果对各类工具的特性没有全面的了解，要选出真正满足建设项目需求的软件是非常困难的。对特定的建设项目，其实际环境更为复杂多变，更需要设计者从多角度多层面进行思考，因此确定最合适的模拟软件工具就更不容易了。
3 BIM技术理论研究建筑能耗评价方法
3.1 BIM技术的概述与软件介绍
按照美国国家标准对BIM的定义:BIM是设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。
3.2 BIM技术的特点及应用
①可视化的三维信息模型
可视化即“所见所得”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在建筑行业运用可视化的作用是非常具大的，在近几年建筑业迅速发展的时代，建筑形式各异，造型复杂，仅依靠二维图纸去表达设计意图而往往难以实现，依靠人脑力去想象的三维形象也不切实际。而BIM的可视化实现了三维立体的实物图的展现，其具有构件之间的互动性与反馈性，在BIM模型中，可视化的结果可以作为效果图的展示，同时能生成报表，而在建筑项目的设计、建造、运营等过程中，在可视化的情境下实现人员的协调、沟通与决策。
②面向对象的参数化建模
BIM是面向对象化的信息模型，按照一定规则来确定和约束几何参数，完成信息模型的搭建。其建筑构件(门、窗、墙体、梁、柱等)的基本元素也是数字化的对象，携带有相应的物理属性与功能特性，且具有智能化的互动能力，如墙与门窗、墙与柱子、墙与梁之间都能自动结构和完成相互扣减，实现几何关系与功能结构的协同统一。
其次BIM又是对象参数化的信息模型，其每个BIM对象都包含标识自身所有属性特征的参数，包括每个构件的几何参数和非几何属性，包括材料强度与供应商、构件造价等信息。而参数化的意义在于统计与分析，如工程量统计、材料用量、设备统计等，通过BIM技术这些都能自动且智能的实现，与其他专业软件之间实现数据共享，开展一系列模拟分析，包括结构验算、能耗分析，碰撞检测、模拟建造等等。专业协调、模拟和优化设计是面向对象的参数化BIM模型带来的价值。
③多元化的信息输出方式
BIM数据库能够导出各种形式的信息，如能直接从三维模型中获取2D图纸，包括综合管线图和结构留洞图、碰撞检查报告等，或者以报告的形式将信息输出，如工程量清单、设备表、成本分析等。任意变动模型中的任何信息，这些报告都会即时、准确、全面的同步改变，大大地提高了设计师的工作效率。
而BIM的优势体现在以下几点:提高设计和施工效率；实际施工前的可视化，减小设计变更的影响；提高施工流程的可预见性；评估建筑性能；计算节省的运营成本；最大限度地降低成本；与扩展团队进行协作。
因此在项目设计、建造和运营过程中结合BIM技术，可大大提高设计效率，同时优化设计方案，模拟施工建造过程来节约成本和降低建筑能耗，与环境和谐相处。
3.3 BIM技术能耗模拟的优势
建筑信息模型应用范围很广，在设计阶段可以实现全生命周期的性能评估，在建筑设计与节能、性能的模拟分析以及建筑的全生命周期管理中都有应用。Saad Dawood等人提出架构用3D和BIM技术将EIA(环境影响评价)、WLCCA(全寿命周期成本评估)以及LCA(生命周期评价)融合起来。Yan Yuan等人提出了一种方法，利用BIM在信息处理和定量分析上的功能实现了建筑设计和节能技术的协同作用。
与传统方法相比，在建筑能耗评估和分析中结合BIM技术可以有效解决其不足的地方，同时极大的提高分析效率。Kevin Tantisevi等人提出用BIM技术计算建筑的Overall Thermal Transfer Value ( OTTV-整体热传递价值)，并和传统的手动计算OTTV的方法进行比较，实验说明用BIM技术耗时短，可持续性好。Tuomas Laine等人认为用BIM作为数据源讲行能耗分析，数据输入甲为高效且分析过程中产生的数据可再利用。
4 基于BIM技术的施工可视化应用
4.1基于BIM模型的施工组织设计
施工方案的合理选择是工程项目施工组织设计的核心，施工方案是否合理，不仅影响到施工进度计划和施工平面图的布置，而且还直接关系到工程的施工安全、效率、质量、工期和技术经济效果。施工方案设计主要包括确定施工程序、确定单位工程施工起点和流向、确定施工顺序、合理选择施工机械和施工工艺方法及相关技术组织措施等内容。
施工方案的选取受到施工流向、施工程序、选择施工方法、施工机械、安排施工顺序等因素的限制。因此，如何考虑这些动态因素的影响，是选择施工方案的关键。
基于BIM技术4D模拟的引入，解决了施工项目管理过程中动态分析的困难，为全过程动态模拟提供详实数据，它在项目施工以前对建设过程进行彩排，精确直观地展现施工进度和施工工艺流程，便于项目管理者选择更为合理、有效、安全的施工方案。
4.2传统建筑能耗分析的流程和存在的问题
我们知道，对于建筑工程项目而言，在设计阶段进行能耗模拟分析应该越早越有利，最好在概念设计阶段就应该开展能耗分析工作，就整个工程来说，不仅大大节省了人力物力，同时最为关键的是节省了时间，即使出现很多问题，也不需要由于返工而进行大量的修改工作。就目前中国而言，传统的建筑能耗模拟分析情况堪忧，就分析的时间来说，大部分在设计施工图阶段以后才进行建筑能耗的计算与评估，还有部分甚至在建筑施工或者建筑交付使用后才来做建筑能耗分析这一重要过程，众所周知，如果项目出现任何问题，越到后期处理起来越麻烦。还有些企业为了通过节能设计标准，通过采用谎报数据的形式，导致节能建筑的发展非常缓慢。
4.3 BIM建筑能耗分析技术的方法
从某种程度上来说，可持续建筑是将建筑导致的环境影响最小化。其高效利用能量是其最重要的一个特点，达到建筑全生命周期内减少能源消耗的目的。而建筑设计是十分重要的，如建筑的形体和方位，会对建筑的能量消耗产生很大的影响，因此设计师应该持高度负责的态度，考虑所设计的建筑对环境的影响。
设计师在建筑前期设计阶段的能耗分析相比设计最终阶段的能耗分析，其解决问题相对轻松，耗费的人力物力都很少。同时在设计早期得到建筑能量问题的反馈，处理这些问题也相对容易。建筑师如果有了有效的能量分析工具和建筑分析模型，就可以达到这个目的，BIM技术就很好的为我们解决了这个问题。
结论
本论文以BIM基本理论及其相关软件为基础，结合BIM技术在国内外的研究现状和工程施工组织过程，阐述基于BIM技术的施工可视化在Autodesk Navisworks Manage可视化分析软件平台上的实施过程及其应用。本论文是中国建筑信息模型标准框架研究 CBIMS中施工企业业务流程应用实施标准的研究内容。
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论文作者:龚烜,陈静茹
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/16
标签：建筑论文; 技术论文; 模型论文; 信息论文; 建筑设计论文; 方法论文; 阶段论文; 《防护工程》2017年第24期论文;