基于 BIM 技術(shù)的綠色建筑設(shè)計(jì)的研究
——以深圳廣電集團(tuán)科技大廈項(xiàng)目為例

相光祖（浙江江南工程管理股份有限公司， 浙江 杭州310013）

1 背 景

1.1 綠色建筑的定義

綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物。綠色建筑技術(shù)注重低耗、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、集成與優(yōu)化，是人與自然、現(xiàn)在與未來之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)手段。

1.2 基于 BIM 技術(shù)的綠色建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

BIM 技術(shù)作為綠色建筑設(shè)計(jì)的工具，具有如下優(yōu)勢。

（1）BIM 的一些特性（如參數(shù)化、構(gòu)件庫等）能為建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果提供及時(shí)和高效的反饋。

（2）實(shí)際的構(gòu)件信息為綠色建筑分析軟件提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）綠色建筑設(shè)計(jì)是一個跨越多個學(xué)科的綜合性設(shè)計(jì)，BIM 模型正好能夠順應(yīng)此需求，不僅實(shí)現(xiàn)了單一數(shù)據(jù)平臺上各工種間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集中，而且還可結(jié)合Navisworks 等軟件加入四維信息，使跨階段的管理和設(shè)計(jì)完全參與到信息模型中來。

（4）BIM 的實(shí)施能將建筑各項(xiàng)物理信息分析從設(shè)計(jì)后期顯著提前，有助于建筑師在方案甚至概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行綠色建筑相關(guān)的決策。

2 BIM 在綠色建筑中的應(yīng)用

以深圳廣電集團(tuán)科技大廈項(xiàng)目為例，分析 BIM 在綠色建筑中的應(yīng)用。

2.1 采光模擬-日照分析

針對設(shè)計(jì)階段的要求，本工程設(shè)計(jì)配合 Ecotect 軟件和 Revit 軟件進(jìn)行日照分析。利用其強(qiáng)大的分析功能，對投影遮擋分析、日軌圖分析、遮陽優(yōu)化設(shè)計(jì)和太陽輻射強(qiáng)度分析進(jìn)行可視化處理。

在 Ecotect 軟件和 Revit 軟件中，通過設(shè)置項(xiàng)目的地理位置、日期和時(shí)間，可以指定地點(diǎn)、投影方向和遮擋。相比于 Revit 軟件，Ecotect 軟件的數(shù)據(jù)集成度高，但可視化略微遜色，因此采用兩種軟件交叉完成日照分析。實(shí)施采光模擬-日照分析的目的主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）動靜觀察建筑的日照時(shí)間，并判斷是否滿足日照標(biāo)準(zhǔn)，幫助輔助設(shè)計(jì)建筑日照；

（2）觀察光照強(qiáng)時(shí)的遮陽效果；

（3）觀察室外廣場地面在冬季和夏季的遮擋情況，輔助設(shè)計(jì)室外熱環(huán)境。

利用建好的模型文件，設(shè)置好深圳的地理位置（北緯23.30°，東經(jīng)113.83°）。在 Revit 軟件中打開日照分析，通過移動太陽的軌跡來改變時(shí)間狀態(tài)，相應(yīng)的光影也會出現(xiàn)變化。

2.2 光環(huán)境分析

光環(huán)境是建筑環(huán)境分析的重要組成部分，它涉及室內(nèi)視覺舒適度、遮陽形式、照明能耗、空調(diào)能耗等多種影響因素。深圳廣電集團(tuán)科技大廈項(xiàng)目多采用幕墻，因此光環(huán)境分析顯得格外重要，在分析過程中需要綜合考慮各種因素的影響。

在 Ecotect 中，室外照度采用的是設(shè)計(jì)天空照度，為全年從9點(diǎn)到17點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)中有85% 的時(shí)間能達(dá)到或者超過的照度。根據(jù)國家相關(guān)文件規(guī)定，深圳的照度設(shè)置為5000lx。本項(xiàng)目中的案例采用立體網(wǎng)格，即三維空間實(shí)體網(wǎng)格。深圳廣電集團(tuán)科技大廈周邊環(huán)境較為空曠，建筑間距較大，因此只對廣電大廈的地上幾層做采光分析。顏色越亮，代表光照越強(qiáng)。由軟件分析得知，深圳廣電集團(tuán)科技大廈裙樓的照度范圍在68%～75% 之間，可以滿足人們生產(chǎn)辦公的舒適要求。再對整體裙樓做光照分析，在線框模式下觀察到日照能量的分布。深圳廣電集團(tuán)科技大廈裙樓的照度范圍在68%～96% 之間，也能滿足建筑生產(chǎn)辦公的舒適要求。在實(shí)體模式中觀察到的光照照度與線框模式下基本相同，實(shí)體模式下的光照分布更加直觀，照度范圍在68%～96% 之間，可以滿足建筑生產(chǎn)辦公的舒適要求。

利用 Ecotect 軟件還可分析其他與光照有關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算，如所有可見熱量區(qū)域、建筑溫度分布。根據(jù)軟件分析，深圳廣電集團(tuán)科技大廈裙樓1d 的日照強(qiáng)度在12點(diǎn)～17點(diǎn)最大，在1000lx～1300lx 之間（規(guī)范要求辦公場所的照度應(yīng)滿足500lx～1000lx），可以滿足人們的辦公生活需求。

2.3 噪聲模擬分析

室內(nèi)聲環(huán)境是室內(nèi)建筑物理的基本組成部分。通常人們在音響為50dB 以下的環(huán)境中能夠保證較高的工作效率；超過這一程度則會影響人們的情緒，造成疲勞。安靜睡眠則需要控制聲音在40dB 以下。對于會議室等特殊場所，需要按照建筑面積及需求對其進(jìn)行音質(zhì)設(shè)計(jì)，以便達(dá)到最佳聽覺效果。

在計(jì)算選項(xiàng)卡中，假設(shè)深圳廣電集團(tuán)科技大廈裙樓中，某樓層每10m2有1人辦公，則一共約有210人辦公，再輸入該樓層的體積，得到混響時(shí)間曲線。深圳廣電集團(tuán)科技大廈裙樓中語音頻率為0.5kHz～4kHz 范圍內(nèi)的計(jì)算值，遠(yuǎn)高于語音用途的建議混響時(shí)間1.2s～1.4s，是建議值的2倍。將部分吊頂材料改用水泥膨脹珍珠巖板，通過材質(zhì)的吸聲系數(shù)曲線對它們進(jìn)行比較，查看材質(zhì)在倍頻程中心頻率上的吸聲系數(shù)及其曲線。通過對比，發(fā)現(xiàn)兩種材質(zhì)差別主要集中在中高頻范圍：混凝土板對于中高頻的吸聲作用較弱，大部分中高頻聲被反射回室內(nèi)空間；而水泥膨脹珍珠巖板的中高頻吸聲作用相對于前者要強(qiáng)一些。深圳廣電集團(tuán)科技大廈在換了屋面吸聲材質(zhì)之后，語音所在的中頻范圍內(nèi)的混響時(shí)間明顯有所下降，并且基本控制在0.7s ～0.8s 左右；但低頻的混響時(shí)間還是偏高。對于需要講話的房間來說，其頻率特性曲線應(yīng)較為平直，同時(shí)低頻混響時(shí)間不宜高于中頻混響時(shí)間，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)再次修改墻體的材料以保證吸聲系數(shù)。

2.4 風(fēng)環(huán)境分析

建筑風(fēng)環(huán)境包括室內(nèi)風(fēng)環(huán)境和室外風(fēng)環(huán)境兩個部分。室內(nèi)風(fēng)環(huán)境針對空調(diào)通風(fēng)和自然通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，以防止室內(nèi)設(shè)計(jì)完成后出現(xiàn)室內(nèi)風(fēng)場不均、風(fēng)場盲區(qū)、自然通風(fēng)不良等影響室內(nèi)舒適的問題。室外風(fēng)環(huán)境針對單體建筑或者群落建筑進(jìn)行風(fēng)場模擬，以免因建筑規(guī)劃不合理而導(dǎo)致的風(fēng)場安全問題。另外，在一般情況下，要求規(guī)劃區(qū)建筑物周圍人行區(qū)域距地面1.5m 高度處的風(fēng)速小于5m/s，以達(dá)到滿足不影響人們正常室外活動的基本要求。利用 PHOENICS軟件可對深圳廣電集團(tuán)科技大廈風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評價(jià)分析。

本項(xiàng)目研究以夏季主導(dǎo)風(fēng)向西南偏西風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)速2m/s；冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北偏北風(fēng)，主導(dǎo)風(fēng)速1.6m/s。本項(xiàng)目主要就深圳廣電集團(tuán)科技大廈室外自然通風(fēng)狀況進(jìn)行模擬分析。本研究中，在原有二維圖紙的基礎(chǔ)上建立三維 BIM 模型，利用 PHOENICE 軟件對模型進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。

在 PHOENICS 軟件中，模型外場的尺寸選擇主要以不影響建筑群邊界氣流流動為準(zhǔn)。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行模擬試算后，確定放置外場計(jì)算尺寸為1200m×1000m×300m（長×寬×高），模型中沿 Y 軸方向設(shè)置為北向。

在進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境模擬時(shí)，確定合理的邊界條件，是保證模擬計(jì)算結(jié)果正確與否的一個重要環(huán)節(jié)。為了讓區(qū)域的模擬比較接近真實(shí)情況，對建筑所處地理位置的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行分析；利用風(fēng)玫瑰圖，給出頻率最高的風(fēng)速、風(fēng)向情況，確定為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速，作為模擬區(qū)域的輸入條件。深圳廣電集團(tuán)科技大廈在室外1.5m 高、西南偏西風(fēng)場下，計(jì)算得到平均風(fēng)速為1.67m/s；最高風(fēng)速出現(xiàn)在西北墻角處，約2.2m/s。

分析圖形模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論。

（1）在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，建筑室外絕大部分區(qū)域在人行高度1.5m 處的風(fēng)速環(huán)境，沒有超過節(jié)能評估評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5.0m/s；風(fēng)速放大系數(shù)不大于2。因此，我們認(rèn)為，在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，建筑的室外風(fēng)環(huán)境在舒適度要求的范圍之內(nèi)。

（2）在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，建筑室內(nèi)絕大部分區(qū)域在高度1.5m 處的風(fēng)速環(huán)境，沒有超過節(jié)能評估評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5.0m/s；風(fēng)速放大系數(shù)不大于2。因此，我們認(rèn)為，在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，建筑的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境在舒適度要求的范圍之內(nèi)。

（3）在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，辦公室絕大部分區(qū)域在高度1.5m 處的風(fēng)速環(huán)境，沒有超過節(jié)能評估評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的5.0m/s；風(fēng)速放大系數(shù)不大于2。因此，我們認(rèn)為，在2.0m/s 的西南偏南風(fēng)場下，辦公室風(fēng)環(huán)境在舒適度要求的范圍之內(nèi)。

2.5 建筑能耗模擬計(jì)算

深圳廣電集團(tuán)科技大廈的建筑能耗計(jì)算，主要以空調(diào)能耗為主要研究對象。其建筑的空間體量較大，設(shè)備較為密集，建筑能耗的計(jì)算變得越來越困難，但對計(jì)算精度的要求在不斷提高。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，再結(jié)合復(fù)雜的能耗計(jì)算方法，有望能夠取得滿足室內(nèi)環(huán)境要求的逐時(shí)建筑能耗。下面以深圳廣電金融中心為例，對該建筑大樓的建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算（見表1、表2、表3、表4和 表5）。

表1 深圳廣電金融中心的建筑能耗基本情況

表2 維護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)

表3 體形系數(shù)

表4 窗墻比

表5 能耗計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文通過對 BIM 技術(shù)和綠色建筑相關(guān)理論的研究，結(jié)合 BIM 技術(shù)分析出基于 BIM 的綠色建筑工作流程。以此解決傳統(tǒng)綠色建筑的瓶頸問題。本課題的思路是以深圳廣電集團(tuán)科技大廈為案例，以 BIM 技術(shù)在綠色建筑實(shí)踐的應(yīng)用為導(dǎo)向，以綠色建筑設(shè)計(jì)時(shí)間順序?yàn)橹骶€，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行 BIM 技術(shù)應(yīng)用研究，得出以下應(yīng)用方法。

（1）應(yīng)用 BIM 技術(shù)參數(shù)化、可視化的特點(diǎn)可快速進(jìn)行概念建模，利用日照、通風(fēng)等模擬工具對建筑的體型及總平面布局進(jìn)行深化設(shè)計(jì)；然后以簡單 BIM 模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行初步性能分析，對比選出最優(yōu)方案。

（2）在綠色建筑設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用 BIM 技術(shù)參數(shù)化、協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，協(xié)同建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電等專業(yè)，對已選出的最優(yōu)方案在 BIM 平臺上進(jìn)行具體深化設(shè)計(jì)；結(jié)合風(fēng)、光、熱、聲、能耗等性能模擬，進(jìn)行建筑的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)到綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的要求。