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淺談被動(dòng)式建筑與BIM技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用

2017-09-18

陳璐

【引言】：當(dāng)今社會(huì)能源緊缺，伴隨建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，自然資源領(lǐng)域消耗巨大，不可再生能源、淡水、天然材料、可耕地等正走向枯竭，溫室氣體的排放量也大幅增加。而如何創(chuàng)造節(jié)能建筑甚至是產(chǎn)能建筑，以及以何種技術(shù)手段充分實(shí)現(xiàn)建筑與節(jié)能的一體化設(shè)計(jì)，成為當(dāng)今建筑課題的重中之重。眾所周知，建筑師從設(shè)計(jì)初期就選擇正確的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能措施，才能真正設(shè)計(jì)出節(jié)能的建筑，這就產(chǎn)生了被動(dòng)式建筑。但是當(dāng)今建筑的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二維圖紙的表達(dá)，因此在條件復(fù)雜，不確定性存在的情況下，必須借助軟件進(jìn)行模擬，從而達(dá)到建筑設(shè)計(jì)施工一體化，建造出科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、節(jié)能高效、完成度高的被動(dòng)式建筑。

1、被動(dòng)式建筑

1.1 被動(dòng)式建筑的概念

被動(dòng)式建筑，是基于被動(dòng)式設(shè)計(jì)而建造的節(jié)能建筑物。“被動(dòng)式建筑”無需安裝“主動(dòng)”的制熱和冷卻系統(tǒng)（比如：鍋爐、地?zé)嵴羝谩⒖照{(diào)等）。被動(dòng)式建筑可以用非常小的能耗將室內(nèi)調(diào)節(jié)到合適的溫度，非常環(huán)保。

被動(dòng)式建筑的概念最早源于瑞典隆德大學(xué)的Bo Adamson教授和德國被動(dòng)式建筑研究所（Passivhaus Institut）的Wolfgang Feist博士在1988年5月的一次討論，之后Feist博士一直致力于建筑節(jié)能的研究，在1991年建造了世界上第一所被動(dòng)式建筑，并于1996年成立了被動(dòng)式建筑研究所（PASSIVE HOUSE INSTITUTE，簡(jiǎn)稱PHI ）。在20年后的今天，PHI已經(jīng)形成一整套成熟的技術(shù)及認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，并已成為國際最權(quán)威的被動(dòng)式建筑研究機(jī)構(gòu)。

目前被動(dòng)式建筑最重要的五要素是：保溫、氣密性、外窗、熱橋、新風(fēng)系統(tǒng)。

1.2 被動(dòng)式建筑的發(fā)展

在德國，建筑能耗占德國能耗總量的40%左右。德國從1977年頒布第一部保溫法規(guī)到2012年進(jìn)一步修改建筑節(jié)能條例（EnEV），共經(jīng)歷了六個(gè)節(jié)能階段，建筑采暖能耗已由最初的220kWh/(m2a)下降到2014年30kWh/(m2a)的水平。在過去20年里，通過一系列措施，德國新建建筑單位居住面積的采暖能耗降低了40%左右，在此基礎(chǔ)上，到2020年和2050年，采暖能耗應(yīng)分別再次降低20%和80%。

在奧地利，2008年奧地利建立了建筑能效認(rèn)證制度，它根據(jù)建筑采暖需求將建筑劃分為幾個(gè)等級(jí)，分別為A++，A+，A到G，其中A+相當(dāng)于被動(dòng)房的標(biāo)準(zhǔn)，采暖需求≤15 kWh/(m2a), A++是最優(yōu)等級(jí)，即采暖能耗和總能耗最低。低能耗建筑中居住建筑的能耗標(biāo)準(zhǔn)被劃分為兩類，一是有機(jī)械通風(fēng)的建筑，一類是不含機(jī)械通風(fēng)的建筑。被動(dòng)房的指標(biāo)等同于德國的指標(biāo)體系。

在我國，居住建筑從第一部建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)開始，經(jīng)歷了“四步節(jié)能”過程。新建供暖居住建筑在1980年至1981年住宅通用設(shè)計(jì)能耗的基礎(chǔ)上，于1986年，1995年和2005年分別將建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)提高了30%，50%和65%。目前國內(nèi)部分地區(qū)（如北京、天津、新疆、浙江）居住建筑方面已經(jīng)開始執(zhí)行節(jié)能75%的標(biāo)準(zhǔn)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部每年評(píng)審全國范圍低能耗建筑示范項(xiàng)目，其規(guī)定是必須滿足強(qiáng)制節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)能耗控制有創(chuàng)新突破，比當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)節(jié)能率再降低5%以上，但低能耗建筑和被動(dòng)式建筑的標(biāo)準(zhǔn)體系，認(rèn)證制度并沒有真正建立起來。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，能耗限值沒有相應(yīng)規(guī)定。國家還沒有針對(duì)超低能耗建筑的補(bǔ)貼和激勵(lì)政策，更關(guān)鍵的是缺乏實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑的技術(shù)手段和產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)業(yè)和施工工藝比較滯后。

1.3 被動(dòng)式建筑的標(biāo)準(zhǔn)

被動(dòng)式建筑最初指德國PASSIVE HOUSE INSTITUTE認(rèn)證的建筑，因而執(zhí)行德國被動(dòng)式建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)，即：

熱負(fù)荷：Pmax,heat≤Psupply air,max（所有氣候）；

年均空間采暖需求：Qmax,heat≤15kWh/(m2·a)（取決于氣候）；

年均空間制冷需求 Qmax,cool≤15kWh/(m2·a)（取決于氣候）；

氣密性：n50≤0.6h-1（所有氣候）；

年均一次能源需求：Emax,prim≤120kWh/(m2·a)（所有氣候）；

超溫頻率：tmax,θ＞25℃≤10% tuse （所有氣候）。

目前中國按照此標(biāo)準(zhǔn)已建成的項(xiàng)目有上海2012世博會(huì)的漢堡館，河北新華幕墻公司辦公樓等。

而根據(jù)中國現(xiàn)有國情，為大力推廣被動(dòng)式建筑，政府或某些機(jī)構(gòu)會(huì)制定具有中國特色的被動(dòng)式建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得類似的認(rèn)證或獲得相關(guān)機(jī)構(gòu)的技術(shù)指導(dǎo)，如秦皇島“在水一方”項(xiàng)目等。

1.4 被動(dòng)式建筑的一體化設(shè)計(jì)

在被動(dòng)式設(shè)計(jì)中，需要多種手法一體化結(jié)合加以實(shí)現(xiàn)，并在各階段把控細(xì)節(jié)與完成度，才能建造出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)式建筑：

概念設(shè)計(jì)階段：對(duì)建設(shè)場(chǎng)地、朝向、風(fēng)力、溫濕度、建筑空間、體型、能源供應(yīng)的規(guī)劃和控制；

方案設(shè)計(jì)階段：對(duì)保溫氣密門窗方案、熱橋節(jié)點(diǎn)控制，對(duì)新風(fēng)方案、節(jié)能方案的控制；

施工圖設(shè)計(jì)階段：根據(jù)計(jì)算確定節(jié)點(diǎn)選擇適用的材料，各專業(yè)細(xì)部協(xié)調(diào)，以及概預(yù)算和對(duì)增量成本的控制；

施工階段：質(zhì)量全過程監(jiān)控，相關(guān)人員培訓(xùn)，監(jiān)理人員對(duì)施工細(xì)節(jié)的把控，分包商的選擇，樣板施工示范，以及對(duì)建筑成品保護(hù)。

針對(duì)被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和施工精確性，以及兩者相互協(xié)調(diào)的統(tǒng)一性，建筑市場(chǎng)需要一款專業(yè)性強(qiáng)，各專業(yè)協(xié)調(diào)性良好，效率高的輔助工具。于是BIM這一新生代工具成為了建筑師最好的選擇。

2、建筑信息模型（BIM）

2.1 BIM的概念

BIM 是“建筑信息模型”的簡(jiǎn)稱，該信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構(gòu)件性能，將一個(gè)建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息整合到一個(gè)單獨(dú)的建筑模型中。運(yùn)用BIM 技術(shù)，建筑師在設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建的虛擬建筑模型已經(jīng)包含了大量設(shè)計(jì)信息，只要將模型導(dǎo)入相關(guān)的分析軟件，就可以得到相應(yīng)的分析結(jié)果。通過相應(yīng)的BIM 應(yīng)用軟件，在方案設(shè)計(jì)的初期階段就能夠方便快捷地得到直觀、準(zhǔn)確的建筑性能反饋信息，幫助建筑師及時(shí)對(duì)方案做出分析和調(diào)整。

2.2BIM的發(fā)展

1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授創(chuàng)建了BIM理念至今，BIM技術(shù)的研究經(jīng)歷了三大階段：萌芽階段、產(chǎn)生階段和發(fā)展階段。BIM理念的啟蒙，受到了1973年全球石油危機(jī)的影響，美國全行業(yè)需要考慮提高行業(yè)效益的問題，1975年“BIM之父”Eastman教授在其研究的課題“Building Description System”中提出“a computer-based description of-a building”，以便于實(shí)現(xiàn)建筑工程的可視化和量化分析，提高工程建設(shè)效率。

IAI組織（the International Alliance forInteroperability）在1997制定了IFC標(biāo)準(zhǔn)（the Industry Foundation Classes）。IFC標(biāo)準(zhǔn)可以儲(chǔ)存2D、3D建模的CAD繪圖信息，還能容納3D中各對(duì)象的各項(xiàng)屬性及信息（如某根梁對(duì)象的鋼筋用料、表面處理、設(shè)計(jì)規(guī)范、成本信息等）。4Bentley Systems在2000年制定了Green Building XML（gbXML）標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了存儲(chǔ)在CAD建筑模型的信息轉(zhuǎn)換成建筑信息，使各種建筑信息模型間傳遞模型信息，特別是建筑設(shè)計(jì)模型和性能化分析模擬軟件間有了良好的接口。到目前Autodesk、Bentley等主要商業(yè)建筑信息模型軟件公司已經(jīng)采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)已有的BIM應(yīng)用軟件及其特征，國際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(huì)（Facilit IES Information Council）給出了一個(gè)定義：建筑信息模型（BIM）是利用開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命周期信息進(jìn)行數(shù)字化形式的表現(xiàn)，從而為項(xiàng)目決策提供支持，有利于更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的價(jià)值。

2.3BIM一體化設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)可進(jìn)行從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)營貫穿了工程項(xiàng)目的全生命周期的一體化管理。BIM的技術(shù)核心是一個(gè)由計(jì)算機(jī)三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫，不僅包含了建筑的設(shè)計(jì)信息，而且可以容納從設(shè)計(jì)到建成使用，甚至是使用周期終結(jié)的全過程信息。

由此發(fā)現(xiàn)，BIM軟件表達(dá)直觀，符合被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)過程，且建筑信息容量大，二維信息與三維甚至四維信息轉(zhuǎn)換自如，成為被動(dòng)式建筑不二的輔助技術(shù)。

3、BIM技術(shù)在被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

3.1 可視化設(shè)計(jì)

對(duì)于建筑行業(yè)來說，可視化的真正運(yùn)用在建筑業(yè)的作用是各個(gè)構(gòu)件的信息在圖紙上并不僅僅采用線條繪制表達(dá)。被動(dòng)式建筑的各構(gòu)造節(jié)點(diǎn)復(fù)雜多樣，因此BIM提供了可視化的思路，讓建筑師將以往的線條式的構(gòu)件形成一種三維的立體實(shí)物圖形展示在人們的面前，得到一種能夠同建筑場(chǎng)地、構(gòu)件之間形成互動(dòng)性和反饋性的可視，并自動(dòng)計(jì)算和準(zhǔn)確記錄三維立體設(shè)計(jì)的所有信息。這就意味著建筑師可以在初期階段準(zhǔn)確地把握面積和體量，并可以從很多視角審視設(shè)想中的建筑方案，而不僅是從審美方面進(jìn)行考慮。

現(xiàn)階段市場(chǎng)中，BIM可視化軟件常用的包括Revit、3DS Max、Artlantis、AccuRender和Lightscape等。

3.2 專業(yè)協(xié)調(diào)性

被動(dòng)式建筑在方案設(shè)計(jì)階段，各專業(yè)協(xié)調(diào)性復(fù)雜，建筑信息從建筑專業(yè)傳遞到結(jié)構(gòu)、暖通等專業(yè)，相互之間信息變化大，從而要求各專業(yè)間信息的同步進(jìn)行和可持續(xù)性的多方面協(xié)調(diào)。

以新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟為例，最初暖通專業(yè)對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)提出要求、隔聲措施、確定輔助熱源方案，到建筑專業(yè)確定新風(fēng)機(jī)房位置，送回風(fēng)管線路由，再到設(shè)備機(jī)房和安裝空間的要求，以及隔聲、管道走向，確定額定體積流量和風(fēng)量，和熱負(fù)荷計(jì)算、設(shè)計(jì)管道尺寸、保溫、導(dǎo)流槽等，最終到甲方選擇新風(fēng)機(jī)組，并返回建筑新風(fēng)機(jī)組的安裝條件等一系列步驟，均可通過BIM，將建筑信息從建筑專業(yè)傳遞到結(jié)構(gòu)、暖通專業(yè)，進(jìn)而無縫連接到施工、管理乃至建筑使用后的物業(yè)管理。這一系列的過程，建筑信息被不斷完善，最終使建筑的可持續(xù)有了科學(xué)的判斷依據(jù)和管理手段。

當(dāng)然BIM的協(xié)調(diào)作用不僅僅是解決被動(dòng)式建筑的設(shè)備與建筑之間的協(xié)調(diào)，還可以解決各專業(yè)間的碰撞問題，例如：電梯井布置與其他設(shè)計(jì)布置及凈空要求之協(xié)調(diào)，防火分區(qū)與其他設(shè)計(jì)布置之協(xié)調(diào)，地下排水布置與其他設(shè)計(jì)布置之協(xié)調(diào)等。

現(xiàn)階段市場(chǎng)中，常見的BIM模型綜合碰撞檢查軟件有魯班軟件、Autodesk Navisworks、Bentley Projectwise Navigator和Solibri Model Checker等。

3.3 場(chǎng)地與建筑的模擬

被動(dòng)式建筑除了復(fù)雜的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)以及新風(fēng)系統(tǒng)，還應(yīng)用自然界的陽光、風(fēng)力、溫濕度等要素，以規(guī)劃、設(shè)計(jì)、環(huán)境配置的建筑手法來改善和創(chuàng)造舒適的室內(nèi)外環(huán)境，盡量不消耗常規(guī)的能源。BIM還可以幫助設(shè)計(jì)師針對(duì)每一特定要素進(jìn)行分析，包括：氣候特征分析（利用BIM繪制出逐日的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)及焓濕圖）、風(fēng)環(huán)境分析（利用BIM模型，通過IFC數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD軟件中分析外環(huán)境氣流流場(chǎng)）、日照采光分析（運(yùn)用Virtual Environment軟件進(jìn)行初期的日照和陰影遮擋等模擬）、遮陽分析（用Ecotect軟件對(duì)太陽輻射做出統(tǒng)計(jì)來降低空調(diào)的能耗）。除此之外，BIM還可以對(duì)設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行模擬的一些東西進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，例如：節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等；在招投標(biāo)和施工階段可以進(jìn)行4D模擬（三維模型加項(xiàng)目的發(fā)展時(shí)間），也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計(jì)模擬實(shí)際施工，從而來確定合理的施工方案來指導(dǎo)施工。同時(shí)還可以進(jìn)行5D模擬（基于3D模型的造價(jià)控制），從而來實(shí)現(xiàn)成本控制。

3.4設(shè)計(jì)的優(yōu)化

被動(dòng)式建筑本身的節(jié)能構(gòu)造節(jié)點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)建筑而言更加細(xì)致和完善，在設(shè)計(jì)過程中也加以優(yōu)化；而BIM技術(shù)同樣也起到優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用。“優(yōu)化”受三樣?xùn)|西的制約：信息、復(fù)雜程度和時(shí)間。沒有準(zhǔn)確的信息做不出合理的優(yōu)化結(jié)果，BIM模型提供了建筑物的實(shí)際存在的信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，還提供了建筑物變化以后的實(shí)際存在。

在BIM模擬與碰撞檢查后，可以優(yōu)化被動(dòng)式建筑一些特殊的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)。這些內(nèi)容看起來占整個(gè)建筑的比例不大，但是占投資和工作量的比例和前者相比卻往往要大得多，而且通常也是施工難度比較大和施工問題比較多的地方，對(duì)這些內(nèi)容的設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，可以帶來顯著的工期和造價(jià)改進(jìn)。在造價(jià)方面，被動(dòng)式建筑本身屬于前期有較多的增量成本，而后期運(yùn)營過程中節(jié)能高效，從而節(jié)約運(yùn)營成本和后期能源成本。而BIM技術(shù)可以把項(xiàng)目設(shè)計(jì)和投資回報(bào)分析結(jié)合起來，設(shè)計(jì)變化對(duì)投資回報(bào)的影響可以實(shí)時(shí)計(jì)算出來，這樣業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)方案的選擇就不會(huì)主要停留在對(duì)形狀的評(píng)價(jià)上，而更多的可以使得業(yè)主知道哪種項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案更有利于自身的需求。

目前主要的BIM方案軟件有Onuma Planning System和Affinity等。BIM造價(jià)管理在國外運(yùn)用較多的有Innovaya和Solibri，而魯班軟件是國內(nèi)BIM造價(jià)管理軟件的代表。

3.5設(shè)計(jì)施工運(yùn)營一體化

基于BIM技術(shù)可進(jìn)行從設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)營貫穿了工程項(xiàng)目的全生命周期的一體化管理。例如：針對(duì)于被動(dòng)式建筑的復(fù)雜性和某些特殊材料施工的工序，對(duì)施工進(jìn)行模擬和計(jì)算以便制定施工進(jìn)度和施工順序；針對(duì)于被動(dòng)式建筑某些特殊構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，某些BIM軟件可將現(xiàn)場(chǎng)施工圖片和進(jìn)度上傳至管理平臺(tái)，方便建筑師及監(jiān)理人員對(duì)于施工細(xì)節(jié)和完成度的把控等。

現(xiàn)階段市場(chǎng)中，美國運(yùn)營管理軟件ArchiBUS是最有市場(chǎng)影響的軟件之一。

結(jié)語：

BIM建筑信息模型的建立，是建筑領(lǐng)域的一次革命。此技術(shù)不但可以極大提高建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的整體效率，而且還可以在建筑全生命周期內(nèi)，優(yōu)化設(shè)計(jì)、保證建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式建筑的設(shè)計(jì)、可持續(xù)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，為建筑設(shè)計(jì)的“綠色探索”注入高科技力量。雖然在現(xiàn)階段，BIM 技術(shù)在我國的建筑運(yùn)用乃至被動(dòng)式建筑的運(yùn)用上還有很多不足，但隨著整體建筑行業(yè)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)覆蓋全行業(yè)的大趨勢(shì)，BIM 技術(shù)在被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用會(huì)是未來建筑行業(yè)的最大發(fā)展趨勢(shì)之一。

參考文獻(xiàn)

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