BIM技術(shù)與綠色建筑環(huán)境研究

潘和平,詹 青

(安徽建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著人們對(duì)于高品質(zhì)生活的追求，綠色建筑成為時(shí)下興起之秀。于是對(duì)于到底什么是綠色建筑，怎么樣才能算得上是“綠色”建筑呢，一些專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了探索，但是將BIM 技術(shù)與綠色建筑環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái)的研究相對(duì)較少。BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)的建筑行業(yè)發(fā)展非常迅速，普遍應(yīng)用BIM技術(shù)帶來(lái)的效益也是巨大的。以BIM 技術(shù)的視角重新審視綠色建筑環(huán)境評(píng)價(jià)分析這個(gè)方向空間大，無(wú)論在理論研究上還是實(shí)際應(yīng)用中都有重要的價(jià)值。因此，綠色建筑環(huán)境這個(gè)方向有著光明的前景和發(fā)展前途，引起廣大專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注與重視。

1 綠色建筑與BIM技術(shù)的基礎(chǔ)研究

1.1 綠色建筑的定義及發(fā)展趨勢(shì)

人們常把綠色和自然、清新、舒適、環(huán)保、寧?kù)o聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于綠色建筑而言，由于受到各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、社會(huì)文化水平以及建筑的各種使用功能不同的影響，不同地區(qū)對(duì)綠色建筑的理解都是不相同的。從本質(zhì)上講綠色建筑比傳統(tǒng)建筑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響要小，在整個(gè)項(xiàng)目生命周期內(nèi)要按照綠色的含義去立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、施工，這意味著評(píng)定一個(gè)建筑是否滿(mǎn)足綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)不是唯一的，也不是固定不變的，一定是根據(jù)不同建筑所處的不同環(huán)境做一個(gè)相對(duì)整體的考察，并且考慮能源資源的消耗以及節(jié)能，綠色建筑絕對(duì)不是一個(gè)孤立的存在，必須依附于其他事物，與其周邊的事物有著密切的聯(lián)系[1]。

目前，亞洲在綠色建筑領(lǐng)域發(fā)展非常快，但是和歐洲國(guó)家相比，仍然有差距。根據(jù)調(diào)查的數(shù)據(jù)分析得到，在亞太地區(qū)，涉及到綠色建筑的企業(yè)在未來(lái)幾年內(nèi)還將會(huì)有一個(gè)大幅度的提升，當(dāng)然這個(gè)市場(chǎng)潛在發(fā)展空間是很大的，所以很多企業(yè)在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)獲得良好的業(yè)績(jī)和利潤(rùn)加成[2]。在未來(lái)幾年內(nèi)，為了向綠色建筑市場(chǎng)靠攏，使綠色建筑逐漸成為市場(chǎng)大環(huán)境下的一個(gè)大趨勢(shì)，同時(shí)也在綠色建筑上投入了一些綠色產(chǎn)品，綠色建筑是對(duì)資源合理利用且可持續(xù)發(fā)展的節(jié)能建筑，在當(dāng)下隨處可見(jiàn)的太陽(yáng)能資源就是一個(gè)很好的例子。

1.2 BIM技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用

綠色建筑的發(fā)展同時(shí)也伴隨一些技術(shù)的提升，BIM技術(shù)對(duì)于綠色建筑的發(fā)展是必不可少的，同時(shí)是相輔相成的。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的興起，其可貫穿整個(gè)項(xiàng)目生命周期，從前期立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、策劃到后期的運(yùn)營(yíng)管理，BIM技術(shù)無(wú)一不融入各個(gè)項(xiàng)目，特別是在一些復(fù)雜工程或者是對(duì)工程質(zhì)量和工期要求比較嚴(yán)格的時(shí)候，更是少不了BIM技術(shù)。對(duì)于風(fēng)、聲、光照這些抽象的東西該怎么處理呢，這就不免是個(gè)難題了，但是BIM剛好可以解決這個(gè)燃眉之急?？梢岳靡訠IM為基礎(chǔ)的一些專(zhuān)業(yè)軟件模擬出建筑物所處的環(huán)境，包括風(fēng)環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬以及光環(huán)境模擬等。從模擬出的結(jié)果，就可以很直觀地得出該建筑到底適不適合宜居，能不能實(shí)現(xiàn)“綠色”生活。

風(fēng)環(huán)境模擬是室外自然風(fēng)模擬和室內(nèi)自然通風(fēng)模擬，主要用的軟件是VENT 。在進(jìn)行室外模擬的時(shí)候，我們要保證風(fēng)速的大小能夠在人體的舒適范圍內(nèi)，在測(cè)得得風(fēng)速偏大時(shí)，我們可以采取一些方法去改進(jìn)，比如調(diào)整建筑物布局，載種樹(shù)木或者設(shè)置擋風(fēng)板等。在進(jìn)行室內(nèi)模擬的時(shí)候，要考慮開(kāi)窗的大小，研究室內(nèi)的空氣流通狀態(tài)，保證室內(nèi)換氣次數(shù)能滿(mǎn)足人體舒適度要求。

聲環(huán)境模擬就是要研究周邊噪聲對(duì)建筑物的影響，用到的軟件是CADNA/A。要特別考慮的是建筑材料的選取，不僅要達(dá)到環(huán)保條件，還有對(duì)于聲音的隔斷也是很重要的?，F(xiàn)代人因?yàn)榘滋烀γβ德档墓ぷ髟偌由喜灰?guī)律的作息，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)衰弱的情況，甚至是出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)聲響都會(huì)難以入眠，所以在夜晚的時(shí)候一個(gè)安靜的休息環(huán)境顯得格外的重要。

光環(huán)境模擬是對(duì)于自然采光進(jìn)行模擬分析，一般會(huì)用兩個(gè)指標(biāo)去進(jìn)行考察，分別是采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照強(qiáng)度，用到的軟件是ECOTECT。除此之外，也有一些特殊的情況要特殊對(duì)待，除了要考慮以上的兩個(gè)指標(biāo)外，還要再增加一個(gè)采光均勻度。

對(duì)于BIM技術(shù)的這3個(gè)模擬技術(shù)來(lái)說(shuō)，分別在空氣、噪音、光照3個(gè)方面起著重要的作用，恰恰這3個(gè)方面是生活中很重要的，對(duì)人們的生活有著巨大的影響。所以，BIM技術(shù)中的風(fēng)聲光環(huán)境模擬技術(shù)對(duì)于綠色建筑的設(shè)計(jì)有著很重要的作用，提供了很大的幫助，可以通過(guò)此技術(shù)盡可能讓建筑達(dá)到這3個(gè)方面的最好舒適度，推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展，提供更好的舒適環(huán)境。

2 BIM技術(shù)下綠色建筑環(huán)境分析

2.1 綠色建筑的環(huán)境評(píng)價(jià)體系

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則

對(duì)于光環(huán)境、聲環(huán)境、風(fēng)環(huán)境的最終評(píng)價(jià)分析結(jié)果而言，可以通過(guò)以BIM為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)模擬得到，但是影響環(huán)境質(zhì)量的因素很多，在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)的時(shí)候應(yīng)遵循一些準(zhǔn)則：

(1)代表性原則。顧名思義，代表性指的是評(píng)價(jià)指標(biāo)中最具有說(shuō)服力和最可靠的一個(gè)指標(biāo)，可以代表大部分指標(biāo)，它是可以代表基本指標(biāo)的情況，它可以真正反映出環(huán)境的質(zhì)量。

(2)可比性原則。很明顯這個(gè)原則是需要去比較的，是有可比性的，在不同的方面進(jìn)行比較。這個(gè)原則包括兩個(gè)維度的比較，即橫向的比較和縱向的比較，在選擇指標(biāo)的時(shí)候，要對(duì)不同城市類(lèi)似建筑比較，同時(shí)也要對(duì)同類(lèi)城市不同的建筑進(jìn)行比較。

(3)獨(dú)立性原則。每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)考察某一個(gè)針對(duì)的問(wèn)題，最好不要相互干擾，每個(gè)指標(biāo)能獨(dú)立實(shí)施。保證指標(biāo)的獨(dú)立性，可以更加公平的去考察問(wèn)題，也對(duì)前面的可比性原則有著更好的保障。

2.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取方法

選取的指標(biāo)主要涉及三個(gè)維度，采用主分量分析法去研究光、聲、風(fēng)，在指標(biāo)選取的時(shí)候除了要遵循以上的選取原則外，還有一個(gè)必須要遵循的條件，即必須要滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要參照以下這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：GB50033-2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T12454-2008《視覺(jué)環(huán)境評(píng)價(jià)方法》、GB3096-2008《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——聲 環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T50785-2012《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6]。針對(duì)以上的維度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層層考量,必要時(shí)候向從事環(huán)境監(jiān)測(cè)的工作人員以及有經(jīng)驗(yàn)的室內(nèi)裝修人員咨詢(xún)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量方面的意見(jiàn)，然后將最終篩選出來(lái)的指標(biāo)劃分等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)。在這個(gè)過(guò)程中，要提到一種分析法，即主分量分析法，這是一種常見(jiàn)的、普遍的統(tǒng)計(jì)方法。所謂主分量分析法就是當(dāng)能獲得的樣本的信息非常少的時(shí)候，首先采取少中選優(yōu)，即在這些少量的信息中挑選出最具有代表性的信息，其次將具有代表性的信息進(jìn)行整理分析，探討如何得出這些指標(biāo)的權(quán)重，最終以主成分作為決策分析的綜合指標(biāo)值。

3 BIM技術(shù)下的綠色建筑在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介及BIM軟件的應(yīng)用

3.1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

合肥市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)紫云路安徽建筑大學(xué)體育館，位于南校區(qū)西北角，主要由西側(cè)兩層、中間連接大廳以及東側(cè)體育館3大部分組成，其中西側(cè)一層為乒乓球場(chǎng)館以及舞蹈室，二層為羽毛球場(chǎng)館；東側(cè)又可分為籃球館和4層的辦公樓，中部為連接大廳，可通過(guò)樓梯到達(dá)羽毛球館以及籃球場(chǎng)看臺(tái)?？偨ㄖ娣e10 035 m2。

體育館的主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑高度為22.7 m，體育館主要功能是作為教學(xué)訓(xùn)練場(chǎng)地，除此之外，有時(shí)候也可作為訓(xùn)練、比賽、演出等的臨時(shí)場(chǎng)地。

3.1.2 BIM基礎(chǔ)下綠色建筑的建模

到底應(yīng)該如何進(jìn)行綠色建筑環(huán)境分析？首先將已有的體育館的圖紙導(dǎo)入BIM相關(guān)軟件，開(kāi)始Revit建模過(guò)程，接著在BIM里面進(jìn)行一些有效地修改并將最后的模型導(dǎo)入到Ecotect軟件中進(jìn)行綠色建筑分析。Revit建模過(guò)程主要包括建筑結(jié)構(gòu)和機(jī)電管線兩部分，但是這里面涉及的專(zhuān)業(yè)很多，因此BIM模型的建立需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)相互協(xié)調(diào)配合共同完成[7]。建模的過(guò)程如圖1所示。

圖1 建模過(guò)程

這個(gè)體育館施工的難點(diǎn)在于它的外立面是不規(guī)則的，通過(guò)二維設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)不到上述模型的效果，如果我們想要達(dá)到和設(shè)計(jì)圖上一樣的效果，需要引入BIM技術(shù)去彌補(bǔ)二維設(shè)計(jì)的不足，充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不但可以解決這一問(wèn)題，而且可以近乎完美得達(dá)到設(shè)計(jì)圖中最好的效果。

圖2 BIM模型

3.2 綠色建筑環(huán)境分析

3.2.1 室外風(fēng)環(huán)境模擬

(1)參照依據(jù)

采用斯維爾Vent2014軟件模擬建筑室外風(fēng)環(huán)境的數(shù)值。根據(jù)最新頒布的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，以及《建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，在這些標(biāo)準(zhǔn)里面我們主要要參照這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是風(fēng)速、風(fēng)壓、模擬評(píng)價(jià)。

(2)夏季工況模擬

設(shè)定風(fēng)向?yàn)镹E，風(fēng)速為2.39 m/s，人行高度處的風(fēng)速基本都處于合理的范圍之內(nèi)，弱風(fēng)區(qū)較少，非常適合行人在戶(hù)外進(jìn)行活動(dòng)。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向下，除第一排迎風(fēng)建筑外，本案項(xiàng)目前后壓差小于5 Pa，有利于自然風(fēng)的利用以改善室內(nèi)熱環(huán)境。

(3)冬季工況模擬

設(shè)定風(fēng)向?yàn)镾，風(fēng)速為2.9 m/s，環(huán)境對(duì)于模擬結(jié)果有著較大的影響，季節(jié)不同，風(fēng)速的大小，都會(huì)有一定的影響，那么如何去改善或者解決這些問(wèn)題呢？在進(jìn)行模擬的時(shí)候要尤其考慮這種室外風(fēng)主導(dǎo)的時(shí)候，可以采取一些措施去改善這個(gè)問(wèn)題，比如可以調(diào)節(jié)周邊建筑之間的間距去改善該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力。經(jīng)模擬最終得出，人行高度處的風(fēng)速基本都處于0.34 m/s～2.09 m/s之間，風(fēng)速系數(shù)大約為1.54，符合舒適要求。

(4)過(guò)渡季工況模擬

設(shè)定風(fēng)向?yàn)镋，風(fēng)速為2.74 m/s，在模擬的時(shí)候過(guò)渡季、夏季工況下場(chǎng)地內(nèi)人活動(dòng)區(qū)不出現(xiàn)渦旋或無(wú)風(fēng)區(qū)，整體一般身高標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的人體高度所處風(fēng)速都處于合理的范圍之內(nèi)，風(fēng)速分布在0.30 m/s～1.70 m/s之間，符合《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 室內(nèi)自然采光模擬分析

(1)參照依據(jù)

在模擬的時(shí)候參考國(guó)家最新頒布的關(guān)于綠色建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及建筑采光設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，建筑總平面圖、建筑設(shè)計(jì)圖紙等圖紙資料，其他相關(guān)資料。主要功能房間采光系數(shù)情況如表1所示。

表1 主要功能房間采光系數(shù)達(dá)標(biāo)情況

(2)模擬結(jié)果

在進(jìn)行采光模擬的時(shí)候選取的是最不利的樓層，即第一層。一層室內(nèi)自然采光系數(shù)分布云圖如圖3所示。

圖3 一層室內(nèi)自然采光系數(shù)分布云圖

由上面計(jì)算可知該體育館采光系數(shù)達(dá)標(biāo)率為90%，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2.3 室外聲環(huán)境模擬

項(xiàng)目?jī)?nèi)的主要噪聲因素包括：周邊道路、配電系統(tǒng)。

體育館外的操場(chǎng)北臨紫蓬路，東接校園主干道，沿體育館四周布置環(huán)道，主入口位于體育館東側(cè)，南側(cè)考慮室外停車(chē)場(chǎng)。

聲模擬采用Cadna/A軟件，根據(jù)周邊道路等主要噪聲情況進(jìn)行預(yù)設(shè)，參照最新城市道路規(guī)范中的城市主、次干路的速度[9]。通過(guò)計(jì)算機(jī)反復(fù)模擬和校正，最終確定一個(gè)最接近項(xiàng)目建成后的噪聲環(huán)境。

(1)計(jì)算原理

對(duì)于室外聲環(huán)境模擬，需要知道的是建筑物附近的情況，所以常用的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)模型去求解，即k-ε模型。在模擬分析過(guò)程中還會(huì)應(yīng)用到多種方程，這些方程在模擬分析的過(guò)程中都發(fā)揮著不同的作用，會(huì)涉及到連續(xù)性、能量和動(dòng)量等。但是在使用的時(shí)候更傾向于通用方程：

(1)

式中：φ在不同的情境中代表著不同的含義，比如速度、湍流動(dòng)能、湍流耗散率、溫度，具體含義要根據(jù)具體情況來(lái)定。

(2)晝間模擬結(jié)果

晝間整體、局部平面噪聲分布圖如圖4、圖5所示。由晝間聲環(huán)境模擬的結(jié)果分析來(lái)看，體育館場(chǎng)地內(nèi)的噪聲來(lái)源主要是附近道路的車(chē)輛。噪聲最大值達(dá)到了52 dB。

圖4 整體平面噪聲分布圖 圖5 局部平面噪聲分布圖

(3)夜間模擬結(jié)果

夜間整體、局部平面噪聲分布圖如圖6、圖7所示。由模擬結(jié)果可知：夜間最大值為33 dB，噪聲環(huán)境良好。模擬分析結(jié)果滿(mǎn)足國(guó)家最新頒布的關(guān)于聲環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)要求。即：滿(mǎn)足晝間噪聲不大于55 dB、夜間不大于45 dB。

圖6 整體平面噪聲分布圖 圖7 局部平面噪聲分布圖

3.2.4 室內(nèi)自然通風(fēng)環(huán)境模擬

(1)參照依據(jù)

依據(jù)CFD基本求解原理和流程通過(guò)斯維爾Vent2014軟件進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)模擬，參照國(guó)家最新頒布的關(guān)于綠色建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，即《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2014對(duì)室內(nèi)通風(fēng)的要求和《建筑通風(fēng)效果測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T309-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于模擬評(píng)價(jià)的要求[10]。

表2 換氣次數(shù)與面積比例

有很大一部分的面積開(kāi)口設(shè)置在迎風(fēng)處，因此體育館內(nèi)的80%房間都可以通過(guò)迎風(fēng)處的進(jìn)風(fēng)口形成有效氣流，使得體育館內(nèi)保持新鮮空氣流通，且流動(dòng)的空氣更不易滋生細(xì)菌，營(yíng)造更為舒適的環(huán)境；相對(duì)迎風(fēng)處，背風(fēng)處局部區(qū)域的風(fēng)速較小。由模擬結(jié)果可知，體育館內(nèi)頻繁使用的房間通風(fēng)狀況良好，同時(shí)由表2和公式(1)推導(dǎo)可知體育館配套公建換氣次數(shù)比例為89.51%，綜合來(lái)說(shuō)滿(mǎn)足人體的舒適要求，提供了舒適的環(huán)境。

4 結(jié) 語(yǔ)

從BIM 技術(shù)的視角重新審視綠色建筑，對(duì)如今綠色建筑發(fā)展的現(xiàn)狀與存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。綠色建筑作為現(xiàn)代建筑的一個(gè)潮流趨勢(shì)，有了BIM技術(shù)參與的綠色建筑會(huì)越來(lái)越發(fā)揮它的真正功能，實(shí)現(xiàn)真正的“綠色”，實(shí)現(xiàn)人們宜居家園的目標(biāo)。從綠色建筑的定義入手，到將BIM技術(shù)引入綠色建筑，這一個(gè)過(guò)程雖然是短短數(shù)語(yǔ)，但是其中的復(fù)雜必須深入其中才可知。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)于BIM模型的構(gòu)建，對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取原則和方法，以及后期對(duì)于各種環(huán)境的模擬都是一個(gè)連貫的、相互影響的過(guò)程。有了BIM技術(shù)介入的綠色建筑，使得一些抽象的東西變成以指標(biāo)的形式具體化，有利于不斷完善不足和提出新的綠色理念，為人們的良好生活居住環(huán)境有著重要的意義，從而讓人們居住在更加舒適的環(huán)境。