BIM理念下住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計研究

趙宇飛，郝慧敏，陳雄，籍存德

（廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名525000）

1 引言

據(jù)資料統(tǒng)計，2018 年，全國建筑業(yè)企業(yè)完成總產(chǎn)值約2 350 000 億元，同比增長9.9%，但建筑業(yè)增加值的增速仍低于國內(nèi)生產(chǎn)總值的增速，行業(yè)利潤率連續(xù)兩年下滑，可以預(yù)見的是，2019 年這種態(tài)勢將會持續(xù)，建筑行業(yè)面臨重大變革，由粗放型建設(shè)轉(zhuǎn)型為集約型、可持續(xù)發(fā)展模式【1】。而設(shè)計階段基本決定總成本的70%，成為改革的先頭軍。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗高、能效低是建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計已無法滿足現(xiàn)況。

住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑物的重要組成部分，包括外墻、門窗、屋面等構(gòu)造【2】，而住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是整個工程設(shè)計非常重要的一個環(huán)節(jié)，基本決定了建筑的節(jié)能形式是主動節(jié)能還是被動節(jié)能，以及預(yù)期達(dá)到的節(jié)能效果。而目前，節(jié)能設(shè)計與建筑設(shè)計脫節(jié)，節(jié)能設(shè)計變成彌補(bǔ)式被動工作，阻礙了建筑工程設(shè)計的發(fā)展。因此，住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計研究亟待解決。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)建筑設(shè)計注入一股強(qiáng)心劑。眾所周知，目前BIM 主要應(yīng)用于工程設(shè)計，同時還應(yīng)用于工程建造與管理的數(shù)據(jù)化工具，它的出現(xiàn)，對住宅建筑的信息化、可視化模型的整合起到至關(guān)重要的作用，使得工程技術(shù)人員可同時對建筑信息模型做出正確理解和響應(yīng)【3】，住宅建筑常用的軟件是Autodesk Revit、Benetly Building 及ArchiCAD 等。各類軟件可實現(xiàn)建筑各專業(yè)協(xié)同集成設(shè)計，成為工程設(shè)計人員、高校學(xué)者、軟件開發(fā)人員等研究的重點。

本文通過總結(jié)歸納建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點，利用BIM 模型對建筑不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行節(jié)能分析，形成基于BIM的住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)庫，實現(xiàn)集成設(shè)計的策略。

2 住宅建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱、保溫性能關(guān)系到節(jié)能效果和性能，如果外圍結(jié)構(gòu)無法達(dá)到保溫指標(biāo)，則會增加能耗，住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)模式，受到諸多因素影響，外墻、門窗、屋面等構(gòu)成了整個的空間體系，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建保溫性能直接影響室內(nèi)熱環(huán)境【4】。常用的方式有外墻內(nèi)、外保溫，門窗及玻璃材質(zhì)，屋面類型和材質(zhì)，房屋朝向等，不同材質(zhì)的導(dǎo)溫、傳熱系數(shù)等熱工性能不同，不同的建筑構(gòu)造、朝向等均會影響室內(nèi)熱環(huán)境。傳統(tǒng)設(shè)計模式是建筑設(shè)計完成后，再進(jìn)行建筑節(jié)能的設(shè)計，此時建筑方案已很難進(jìn)行大的更改，不利于建筑節(jié)能的設(shè)計。

3 集成設(shè)計

建筑設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，涉及建筑功能、造型和空間要求等各方面要求，同時也涉及不同專業(yè)不同階段的有機(jī)結(jié)合?，F(xiàn)有的單向流水式的設(shè)計流程已不適用于住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。集成設(shè)計有別于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，主要區(qū)別在于設(shè)計不同階段多專業(yè)的協(xié)同配合【5】，在工程設(shè)計初期即考慮建筑的主、被動節(jié)能方式和各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同材質(zhì)的性能，從而優(yōu)化工程設(shè)計。集成設(shè)計需要各專業(yè)共同配合，解決既定功能要求下的節(jié)能目標(biāo)，更好地服務(wù)于設(shè)計項目的需求。暖通空調(diào)、設(shè)備機(jī)械在概念方案階段開始參與，簡要計算能耗，將結(jié)果反饋給建筑設(shè)計師，建筑設(shè)計師根據(jù)各專業(yè)反饋，統(tǒng)籌考慮，確定外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、材質(zhì)以及建筑朝向等，充分發(fā)揮設(shè)計階段對節(jié)能的有效性。

4 BIM集成設(shè)計的實現(xiàn)

基于BIM 理念的住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計已成為研究的熱點，并且已經(jīng)進(jìn)行了初步的應(yīng)用。操作的主要方法是利用BIM 建筑數(shù)據(jù)可交換的IFC 標(biāo)準(zhǔn)，以gbXML 格式或DXF文件自動導(dǎo)入到能耗分析軟件中，進(jìn)行測試和分析【6】。常用的能耗軟件主要包括：Ecotect、Energy Plus、ANSYS 等。

在集成設(shè)計時，BIM 的主要價值在于可實現(xiàn)可視化三維模型下的協(xié)同設(shè)計，各專業(yè)均可通過BIM 直接或間接地實現(xiàn)各自的目標(biāo)，其主要優(yōu)點在于可全面系統(tǒng)地考慮各專業(yè)對設(shè)計目標(biāo)的需求，以及如何實現(xiàn)該目標(biāo)的途徑，建筑設(shè)計師在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行建筑設(shè)計各項工作的完善與深化工作，實現(xiàn)了各專業(yè)的協(xié)同集成設(shè)計。而目前，設(shè)計人員對該方式的思路比較清晰，但如何實現(xiàn)充分的信息共享，提高設(shè)計的效率方面還有待考究。

事實上，住宅建筑的協(xié)同集成設(shè)計可認(rèn)為是通過BIM 三維載體，依托網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的溝通，這更是一種管理模式，其核心內(nèi)容在于住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表達(dá)，不僅局限于三維實體，還包括構(gòu)成三維實體中住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建物理信息，各專業(yè)通過本專業(yè)目標(biāo)的需要，對外圍護(hù)構(gòu)建物理信息的深化和豐富，完成了集成化的設(shè)計模型，這是BIM 理念價值的集中體現(xiàn)【7】。因此，BIM 協(xié)同集成設(shè)計各專業(yè)的方法和渠道、內(nèi)容與實體，是實現(xiàn)BIM 理念下集成設(shè)計的重要因素。從公司層面，根據(jù)國家、省部級及行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則等制定設(shè)計的方法，以及BIM 技術(shù)應(yīng)用的策略和各專業(yè)切入節(jié)點，優(yōu)化溝通渠道，打造BIM 軟件集成平臺，形成基本的操作流程，制定不同階段的會審和責(zé)任機(jī)制，建立BIM 協(xié)同集成設(shè)計的方法和各專業(yè)溝通渠道，搭建BIM集成設(shè)計的基本框架。因此，每個項目的設(shè)計人員均可通過公司集成設(shè)計平臺上傳、下載模型信息，并進(jìn)行分析和反饋，使設(shè)計的效率和效果得到顯著提升。BIM 集成設(shè)計還體現(xiàn)在設(shè)計的內(nèi)容和實體上，各專業(yè)通過BIM 集成設(shè)計平臺，設(shè)置各專業(yè)的項目樣板，對住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻、門窗等構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范化處理，統(tǒng)一設(shè)置各構(gòu)件的熱工性能參數(shù)，形成基于BIM 的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)庫，根據(jù)能耗分析結(jié)構(gòu)，選用合適的材質(zhì)，從而實現(xiàn)住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計策略。

5 結(jié)論

本文通過對國內(nèi)建筑業(yè)形式剖析，以及住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計概況和對BIM 技術(shù)的介紹，論述BIM 協(xié)同集成設(shè)計各專業(yè)的方法和渠道、內(nèi)容與實體的可操作性，得到以下結(jié)論：

1）通過BIM 技術(shù)，可實現(xiàn)住宅建筑三維實體與其他常用能耗軟件的無縫對接，并進(jìn)行測試和分析。

2）BIM 理念下住宅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計實現(xiàn)，需從公司層面制定相關(guān)制度，建立基本框架，進(jìn)行頂層設(shè)計，然后通過項目層級得以實現(xiàn)，各專業(yè)設(shè)置項目樣板，規(guī)范流程，從而實現(xiàn)住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計策略。