BIM技術(shù)在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用與研究

摘 要：在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中引入BIM技術(shù)，有助于節(jié)約能源并提升能源利用率，高效利用綠色建筑材料，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，還可實時共享和傳遞設(shè)計數(shù)據(jù)，基于技術(shù)優(yōu)勢保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加準確與合理。本文主要通過介紹BIM技術(shù)的概述，結(jié)合具體的項目案例，分析BIM技術(shù)在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用要點，以期為相關(guān)設(shè)計人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；綠色建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應(yīng)用

1 前言

為響應(yīng)國家的節(jié)能減排號召，建筑領(lǐng)域越來越關(guān)注發(fā)展綠色建筑，而綠色建筑設(shè)計比普通建筑設(shè)計有更高標準和要求，為有效滿足相關(guān)要求，需要合理創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間引入BIM技術(shù)，可通過構(gòu)建可視化3D模型合理優(yōu)化設(shè)計方案，支持多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，有效提升設(shè)計效率及質(zhì)量，并高效實現(xiàn)綠色建筑設(shè)計目標。所以，有關(guān)設(shè)計人員要對BIM技術(shù)加深認識，關(guān)注結(jié)合綠色建筑實際情況，積極地在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間應(yīng)用BIM技術(shù)，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更具可操作性、合理性。

2 BIM技術(shù)的概述

BIM技術(shù)是一種在工程設(shè)計、管理、施工等工作中廣泛應(yīng)用的輔助工具，該技術(shù)可對相關(guān)數(shù)據(jù)及信息展開深層次分析，并考慮項目具體情況，仿真建立建筑信息模型。建筑項目整個推進過程中均可引入BIM技術(shù)，利用技術(shù)優(yōu)勢促進信息高效傳送與共享，支持多部門協(xié)同作業(yè)，高效制定技術(shù)方案，保證方案能夠順利實施[1]。BIM技術(shù)具有可視化、信息共享、可協(xié)作等特征。目前各大規(guī)模的設(shè)計企業(yè)都廣泛應(yīng)用BIM技術(shù)，如表1所示。

目前，在大型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計企業(yè)中，基于BIM技術(shù)展開結(jié)構(gòu)設(shè)計時間在5年以上的企業(yè)數(shù)量約占到41%，應(yīng)用BIM技術(shù)時間在3～5年的企業(yè)數(shù)量約占到43%；而在中小型規(guī)模的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計企業(yè)當中，應(yīng)用BIM技術(shù)時間在5年以上的占比約13%r43aUZOF653h+O7sVGfYCg==，技術(shù)應(yīng)用時間在3～5年的占比約45%。相應(yīng)調(diào)查數(shù)據(jù)符合BIM技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域的推廣周期，也就是該技術(shù)最初推廣期間主要應(yīng)用在大規(guī)模且技術(shù)相對領(lǐng)先的建筑設(shè)計企業(yè)，在技術(shù)價值得到認可之后才逐漸在建筑設(shè)計領(lǐng)域不斷加大推廣力度，有效推進建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)進步和發(fā)展。另外，根據(jù)調(diào)查顯示，發(fā)現(xiàn)目前大部分中小規(guī)模的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計企業(yè)在應(yīng)用BIM技術(shù)期間，大多只展開了規(guī)?？s放試驗，或開始逐步普及BIM概念，只有少部分大規(guī)模建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計企業(yè)會在大型項目整體設(shè)計或者局部設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)用BIM技術(shù)。

3工程概況

某綠色建筑項目建筑總面積是28113 m2，其中地下面積5611 m2，地上面積22502 m2，該項目總高度是86.75 m。在該建筑項目設(shè)計環(huán)節(jié)，著重通過BIM技術(shù)進行綠色建筑分析、設(shè)計內(nèi)部裝飾、構(gòu)建三維模型、可視化展示、幕墻設(shè)計等，即使設(shè)計方案得到深化，又有效保障設(shè)計質(zhì)量，切實提升設(shè)計效率，防止后期施工過程中有大量返工問題，可促進項目有序、順利地實施，在此基礎(chǔ)上減少項目造價成本。

4BIM技術(shù)在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

4.1做好準備工作

4.1.1合理選擇軟件

要在該綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中合理應(yīng)用BIM技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，需要先合理選擇軟件系統(tǒng)。設(shè)計人員要充分考慮該綠色建筑對BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計所提出的具體要求，并在此基礎(chǔ)上合理選定BIM軟件，比如Revit Architecture、EnergyPlus、魯班算量系列軟件Lubansoft、廣聯(lián)達模型檢查產(chǎn)品GMC、Ecotect Analysis等。另外，要求設(shè)計人員在充分掌握該綠色建筑的結(jié)構(gòu)分析模擬、能耗分析以及機電設(shè)備應(yīng)用等要求的基礎(chǔ)上，合理確定接口形式，主要包括SDNF、IFC、DXF、CIS/2等，以更便捷地對BIM參數(shù)進行轉(zhuǎn)換處理，充分達到項目深化設(shè)計要求。

4.1.2建立構(gòu)件庫

要在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間合理應(yīng)用BIM技術(shù)，還需要基于項目實際情況科學建立構(gòu)件庫，具體是要先劃分建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求合理選定結(jié)構(gòu)構(gòu)件，之后編碼，并將構(gòu)件數(shù)據(jù)和信息輸入到數(shù)據(jù)庫當中，以更智能化、數(shù)字化地管理構(gòu)件庫。

由于綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間涉及不同的構(gòu)件，而且這些構(gòu)件在差異化結(jié)構(gòu)體系當中并不具備通用性，所以要求設(shè)計人員先充分了解建筑結(jié)構(gòu)體系，掌握不同結(jié)構(gòu)有哪些差異，在此基礎(chǔ)上遵循通用性、標準性等原則選擇建筑構(gòu)件，保證所選構(gòu)件符合綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準與需求。之后，要結(jié)合計算機識別技術(shù)，合理歸納建筑構(gòu)件的尺寸、定位等幾何信息以及荷載、材質(zhì)、做法說明等非幾何信息，并對不同信息分別編碼。構(gòu)件在完成編碼同步向系統(tǒng)上傳編碼信息之后，需要設(shè)計人員根據(jù)實際情況確定構(gòu)件庫應(yīng)用權(quán)限。

在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，還需常應(yīng)用可循環(huán)材質(zhì)構(gòu)件，這類構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)材料當中的重量占比要超過10%，對此，需要設(shè)計人員結(jié)合BIM Revit軟件功能，對可循環(huán)材料的體積還有面積等參數(shù)進行精準化提取，之后對相關(guān)信息進行全面統(tǒng)計，個性化地建立構(gòu)件庫。在針對綠色建筑結(jié)構(gòu)建立的BIM模型中，構(gòu)件庫屬于前端記錄信息，相關(guān)信息主要來自建筑圖元屬性，要求設(shè)計人員在充分了解可循環(huán)利用材質(zhì)及其具體應(yīng)用明細的基礎(chǔ)上，對有關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時壓縮處理，或者可針對這類材料專門列出圖元類型信息，還要進行格式以及字段等設(shè)置，所涉及的材料主要有銅、石膏制品、木材、玻璃幕墻以及門窗玻璃等，這些材料會應(yīng)用在門窗、天花板、墻體以及腳手架等部位。

4.1.3創(chuàng)設(shè)協(xié)同設(shè)計平臺

在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中引入BIM技術(shù)，可支持多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，為促進各專業(yè)人員加強合作，要預(yù)先創(chuàng)設(shè)協(xié)同設(shè)計平臺，在相應(yīng)平臺當中方便不同專業(yè)的人員加強溝通和交流，及時共享和傳遞綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，并根據(jù)不同專業(yè)的需求，對設(shè)計信息和構(gòu)件庫內(nèi)容實現(xiàn)及時修改和動態(tài)更新。BIM技術(shù)應(yīng)用期間還具有檢測沖突作用，在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計過程中，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案當中的缺失、碰撞、遺漏以及錯誤等問題，同步予以糾正，進一步提升設(shè)計效率，保障設(shè)計質(zhì)量。

4.2建立3D參數(shù)化模型

在該綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計人員主要選擇Autodesk Revit Architecturer軟件構(gòu)建項目3D參數(shù)化模型。在模型建立中，首先，結(jié)合樣板文件、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案等優(yōu)化確定結(jié)構(gòu)標高；其次，參考GB/T 51301-2018《建筑信息模型設(shè)計交付標準》有關(guān)要求和內(nèi)容，圍繞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)置3D模型，其中主要涵蓋了樓梯、板、梁、柱、基礎(chǔ)以及剪力墻等構(gòu)件；最后，將所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)3D模型和其他專業(yè)模型相鏈接，構(gòu)建綜合模型。

通過建立3D可視化模型，設(shè)計人員能夠更清晰地掌握不同構(gòu)件的相互關(guān)聯(lián)，了解各構(gòu)件信息，其中既有幾何形狀信息，也有邏輯、材料等非幾何信息。在模型鏈接之后，形成綜合Revit三維模型，設(shè)計人員可基于相關(guān)模型進行漫游演示，由此檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件和相關(guān)設(shè)備有無矛盾和碰撞，若發(fā)現(xiàn)有問題則會自動化生成報告，方便設(shè)計人員快速確定問題點位，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)深化設(shè)計，合理改進建筑結(jié)構(gòu)空間和布局。

4.3建筑朝向設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)，設(shè)計人員可通過技術(shù)優(yōu)勢模擬建立綠色建筑環(huán)境和地形等模型，根據(jù)之前所了解的信息優(yōu)化確定最佳建筑朝向，合理優(yōu)化原生態(tài)環(huán)境。在實際設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員可使用BIM軟件當中的氣象分析工具Weather Tool，以圖像化的形式展示當?shù)貧庀笮畔?，并以可視化方式對氣象參?shù)進行深入分析，也可在焓濕圖當中顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，以迅速掌握項目所在區(qū)域的地熱舒適區(qū)，根據(jù)不同朝向確定區(qū)域全年太陽輻射情況，在了解當?shù)剡^冷期以及過熱期所對應(yīng)的太陽輻射熱量等信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)精準計算，確定最佳的建筑朝向[2]。

4.4高程設(shè)計

在該綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，為使擬建項目和周邊環(huán)境具有一致性，設(shè)計人員要先利用BIM技術(shù)對現(xiàn)場自然地理條件進行深入分析，之后設(shè)置項目場地絕對標高，進而在系統(tǒng)當中導(dǎo)入三維等高線參數(shù)，格式選擇DGN，也可選擇DWG，隨后通過文件導(dǎo)入形式建立數(shù)字高程模型。設(shè)計人員可基于所建立的模型，通過BIM軟件當中的Civil3D地形曲面特征，按照系統(tǒng)提示優(yōu)化設(shè)置高程最值、分組數(shù)量以及分析條件等信息，之后系統(tǒng)將自動化生成項目高程差和相應(yīng)的動態(tài)變化數(shù)值，以支持設(shè)計人員優(yōu)化制定布局方案。

4.5采光及可視度設(shè)計

在該綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計人員可通過Ecotect Analysis軟件將模型文件信息導(dǎo)出，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計項目地理位置信息還有所用材料材質(zhì)等，同步生成包含熱輻射圖以及日軌圖等在內(nèi)的天空模型。同時，設(shè)計人員要在綜合考慮項目周邊遮擋物布局情況下，更直觀地呈現(xiàn)冬季和夏季太陽輻射情況和角度變化情況等，明確哪些區(qū)域是太陽不能照射到的，同步確定全年不同區(qū)域內(nèi)可被陽光照射以及不可被陽光照射的極限參數(shù)。

另外，BIM軟件當中還具有仿真模擬光環(huán)境的功能，設(shè)計人員可基于此功能對項目室內(nèi)對室外的可視情況還有可視面積等進行綜合分析，之后圍繞建筑室內(nèi)自然光采光系數(shù)以及等照度等自動化輸出分布云圖，基于此優(yōu)化設(shè)計窗口比例、尺寸、燈具性能參數(shù)等開窗信息，保證建筑空間當中照度分布更加均勻，盡量減少人工照明能源應(yīng)用量，達到綠色設(shè)計要求[3]。

4.6風向設(shè)計

該項目在設(shè)計過程中，還要基于通風分類標準及相關(guān)要求，對項目通風情況展開分析，同時可通過Weather Tool等工具對項目不同季節(jié)的主導(dǎo)方向展開分析，確定最佳朝向，充分利用穿堂風，并有效提升建筑空間熱舒適度。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，為優(yōu)化通風對流條件，需要設(shè)計人員系統(tǒng)化分析建筑前方迎風面既有建筑的尺寸和形體會對項目背風面漩渦區(qū)間所產(chǎn)生的影響，快速找出會對項目通風產(chǎn)生不利影響的風向入射角，之后結(jié)合通風氣流方向優(yōu)化設(shè)計建筑間距，選擇合適的風向入射角，在此基礎(chǔ)上改善項目自然通風效果[4]。在該設(shè)計環(huán)節(jié)，由于外部場地環(huán)境比較復(fù)雜，設(shè)計人員可著重通過BIM當中的CFD仿真工具對自然風的流速極值點位、氣流方向以及氣流面密度等進行模擬，在保證居民活動區(qū)域內(nèi)的風速在5 m/s以下的基礎(chǔ)上優(yōu)化評估建筑造型，保證項目附近沒有明顯的渦流，同時室外風速不會對居民室外活動產(chǎn)生較大影響。

4.7間距設(shè)計

Ecotect具有陰影范圍功能，設(shè)計人員可基于此功能對項目陰影變化情況和規(guī)律還有不同分區(qū)特征等進行分析，掌握項目在一天中不同時間段內(nèi)具體的陰影變化情況，結(jié)合相關(guān)參數(shù)設(shè)計建筑間距，從而在項目設(shè)計中高效實現(xiàn)節(jié)地目標[5]。

4.8道路設(shè)計

設(shè)計人員要結(jié)合項目相關(guān)信息和參數(shù)對項目用地情況展開深入研究，同時根據(jù)所構(gòu)建的BIM模型，系統(tǒng)化分析項目整體布局以及附近的道路情況等，合理確定項目各道路出入口點位。像在該項目當中，主次干道以平行方式分布，就可在兩道路對向部位各自設(shè)進/出口，以構(gòu)建環(huán)狀交通環(huán)境。

5結(jié)論

在綠色建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)用BIM技術(shù)，可支持多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，深度優(yōu)化設(shè)計方案，促進建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率提升。為充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢，需要設(shè)計人員深化了解BIM技術(shù)特點、優(yōu)勢和軟件應(yīng)用方法等，并遵循綠色環(huán)保原則，全程貫穿低碳理念，因地制宜地構(gòu)建綠色建筑結(jié)構(gòu)三維可視化模型，對項目現(xiàn)場情況進行模擬仿真，既能提升設(shè)計效率及質(zhì)量，又能達到綠色建筑設(shè)計要求。

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作者簡介：馮文翔（1991.11-），男，壯族，廣東德慶人，本科，結(jié)構(gòu)設(shè)計中級，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、地基處理設(shè)計、基坑支護設(shè)計等。