基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設計方法研究

魏舒樂

(西安培華學院 建筑與藝術設計學院， 西安 710125)

0 引言

建筑在生命周期內(nèi)，會有大量的資源能源消耗產(chǎn)生。生命周期評價(LCA)和生命周期成本(LCC)采取科學的定量計算方法，目前在國際范圍內(nèi)作為對建筑可持續(xù)性的評價方法以被普遍意義，傳統(tǒng)的LCA分析過程較為繁瑣，因而建立應用于方案不同階段的高效整合的BIM-LCA評價方法，實現(xiàn)基于LCA方法的設計優(yōu)化，支持不同精度的環(huán)境與性能評價[1]。

1 需求分析

建筑在生命周期內(nèi)包含材料生產(chǎn)、建造、使用、生命周期終點和材料回收利用五個階段，在可持續(xù)建筑概念設計和方案設計這兩個不同階段中，建筑師面臨眾多問題具體包括：項目地理方位(通常由業(yè)主決定)、建筑立面、朝向、體形、具體結構體系的選擇等；在設計后期階段建筑師需選擇建筑熱工材料、HVAC 系統(tǒng)，還需完成對生態(tài)節(jié)點細部構造的設計。不同階段因素的多樣化給建筑師的工作帶來巨大挑戰(zhàn)，各階段中的每個因素都可能有不同的可供選擇方案，產(chǎn)生更多的方案組合。從建筑環(huán)境評價的角度看，從能耗的角度判斷是最優(yōu)的，但從全生命周期的角度判斷卻非最優(yōu)解。

2 基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設計方法

2.1 評價目標

在可持續(xù)建筑設計過程中的不同階段，實現(xiàn)量化分析不同方案的含能及能耗，基于對相關建筑性能優(yōu)化分析，引入LCA并將其作為有效評判指標之一，實現(xiàn)方案優(yōu)化以LCA比選作為標準，進而提高方案決策的科學性[2]。

本文的BIM-LCA優(yōu)化設計方法主要在概念階段、方案階段和施工圖階段中應用，而建筑構件從已有的構件數(shù)據(jù)庫中選取，完成含能計算，簡化了設計過程，選取各階段比選參數(shù)、確定LCA精確度、分析工具的確立和計算、計算結果的分析與方案比選為基本的邏輯，具體的技術框架如圖1所示。

2.1.1 概念設計階段

應根據(jù)評價目標定義建筑LCA的系統(tǒng)邊界，建筑具有綜合性和復雜性，實際操作過程中，系統(tǒng)邊界的確定過程受限因素較多。LCA 工具在概念設計階段選擇時需以快速易操作為基礎，基于基本構件的方法(在歐洲該方法比較成熟，有具體的實現(xiàn)工具)是較好的選擇，本文LCA工具的具體選取為：以VE能耗模擬平臺為基礎的IMPACT數(shù)據(jù)庫，包含LCI(建筑生命周期清單信息)及預定義建筑構件(維護結構熱工性能信息)。IMPACT數(shù)據(jù)庫整合了六種計算方法/標準，按照不同的評價方法其評價結果選取了對應影響類型； 概念階段方案比選針對的是建筑整體性能的優(yōu)化，IMPACT 所采用的方法可有效滿足這部分需求，且其操作平臺(IES)和 BIM工具有接口，可實現(xiàn)能耗模擬，在LCA和LCC分析結果中可直接整合能耗結果，數(shù)據(jù)結果的可靠性和一致性較高[3]。

對于建筑生命周期范疇定義，IMPACT 評價符合歐盟標準，包含材料生產(chǎn)、建造、使用、生命周期終點和材料回收利用5個階段[4]，如表1所示。

圖1 不同階段BIM-LCA評價目標及分析工具

表1 生命周期范疇

IMPACT 的數(shù)據(jù)集(dataset)主要包括建筑構件數(shù)據(jù)集和建筑材料數(shù)據(jù)集，功能單位通常為每單位總建筑面積； 在建筑LCA中，需設定建筑的壽命。我國建筑的設計使用壽命的規(guī)定如表2所示。

表2 建筑設計使用年限的規(guī)定

在 IMPACT工具中可選范圍為0-80年，但為確保參數(shù)的一致性，建筑壽命常設定為 60 年[5]。

2.1.2 方案設計及施工圖階段

方案設計及施工圖階段，建筑信息越來越細化，LCA的評價目標為特定空間細節(jié)設計、保溫材料的比選等，在此階段，IMPACT 基礎構件數(shù)據(jù)庫已無法滿足設計對精度的需求，而需完善建筑BIM模型與LCA工具間的聯(lián)系，使其更加精準，實現(xiàn)快速讀取數(shù)據(jù)及材料定義。本文LCA工具采用以Revit平臺為基礎的插件Tally，在BIM平臺上，建筑師可依據(jù)Tally數(shù)據(jù)庫完成建筑信息模型的自定義，模型操作簡便，無需使用者具備專業(yè)技能[6]。

2.2 BIM能耗模擬工具的選取及整合

為有效實現(xiàn)方案設計及施工圖階段，基于與LCA工具易于整合，建模方法易掌握，有通用數(shù)據(jù)格式的原則，在概念設計階段本文選擇Sketch Up作為BIM建模工具，在方案及施工圖階段選擇Revit作為BIM 工具，Sketch Up具備快速建立體量模型的優(yōu)勢，且LCA操作平的能耗模擬(IES)可在建模工具Sketch Up生成插件，進入 VE 軟件界面通過模型的直接讀取即可實現(xiàn)，無需在能耗模擬軟件與建模軟件間來回切換， 實現(xiàn)了高效的整合，如圖2所示。

圖2 概念設計階段BIM-LCA工具整合

設計階段均選擇IES作為能耗模擬工具，在BIM-LCA 模型中，以數(shù)據(jù)庫模塊的形式，整合LCA工具IMPACT至能耗模擬工具 IES，再以鏈接插件形式整合能耗模擬工具至建模工具 Sketch Up 中；在方案和施工圖設計階段，BIM-LCA 模型中，以插件形式分別整合LCA工具Tally至BIM工具Revit中、整合能耗模擬工具IES至Revit中[7]。

3 不同階段優(yōu)化流程的確立

3.1 材料定義與數(shù)據(jù)獲取方法

設計階段不同對建筑模型的精度要求不同，需根據(jù)實際情況采用LCA數(shù)據(jù)獲取方式，以及精度不同的材料定義，基于BIM-LCA 方法，本文在概念設計階段，使用基礎構件(已包含該構件的材料及尺寸、分構件、LCA數(shù)據(jù)、細部構造的選項)定義法，建筑師只需從IMPACT數(shù)據(jù)庫中，選擇預定義的建筑構件，賦予模型，如在建模過程中由抽象矩形面代表窗戶，據(jù)此在IMPACT中對窗的基礎構件描述為PVC-U window with steel reinforcement, doubleglazed；在方案設計階段，模型的建立需有基本構造區(qū)分，本文使用分類構件法，如窗模型需完成窗框和玻璃的區(qū)分，在Tally數(shù)據(jù)庫中即可實現(xiàn)不同窗框構件和玻璃構件的選擇；在施工圖設計階段，詳細的構件構造及尺寸需建立起來，本文使用構件材料定義法，如墻模型需對飾面、內(nèi)飾面厚度、抹灰、砌塊、構造順序、防水及保溫進行定義，對應材料在數(shù)據(jù)庫中選擇，完成原料配比的定義。具體去表3所示[8]。

表3 不同設計階段的構件定義方法

IMPACT數(shù)據(jù)集及Tally 數(shù)據(jù)庫的構架層級分別如圖3、圖4所示。

圖3 IMPACT 數(shù)據(jù)集架構

3.2 不同階段BIM-LCA評價流程

在方案及施工圖設計階段評價流程為：(1)在 Revit中建立BIM模型，完成基本建筑構件族的定義；(2)在Tally 數(shù)據(jù)庫中，依據(jù)基本族信息選取相應材料或所有的族實例，同時導入Revit模型至VE中完成能耗模擬；(4)在Tally界面輸入能耗模擬數(shù)據(jù)，生成最終的 LCA報告。具體流程如圖5所示[9]。

圖4 Tally 數(shù)據(jù)集架構

概念設計階段評價流程為：(1)在Sketchup中建立包括基本的內(nèi)墻外墻及開窗在內(nèi)的體量模型，并通過鏈接導入IES；(2)在IMPAC數(shù)據(jù)庫中，選取大構件賦予體量模型；(3)在IES中進行能耗模擬；(4)在 IMPACT模塊輸入LCA及LCC相關參數(shù)，得出報告結果，具體如圖6所示。

圖5 方案及施工圖階段BIM-LCA優(yōu)化流程

圖6 概念階段BIM-LCA優(yōu)化流程

4 優(yōu)化設計方法的實現(xiàn)

在計算建筑整體LCA時，需以生命周期數(shù)據(jù)庫CLCD為基礎，基于EXCEL工具對案例進行LCA計算，實現(xiàn)建筑生命周期評價的具體工作流程如圖7所示。

5 總結

本文主要對基于BIM-LCA的綠色建筑優(yōu)化設計方法進行研究，首先分析了基于BIM-LCA 的優(yōu)化評價目標以及系統(tǒng)邊界，選取了具體的BIM、LCA及能耗模擬工具，根據(jù)不同設計階段建立了不同的整合BIM-LCA模型，并據(jù)此進一步確定了優(yōu)化設計流程。為綠色建筑提供較為實用的優(yōu)化設計方法。