摘要：传统设计与绿色建筑设计是单线结合的过程，而基于BIM技术的绿色建筑设计是集合协作的过程。本文通过在中铁南山院项目中的实践，重点研究BIM绿建技术在住宅项目中的应用问题。通过实践后发现，在采用了BIM绿建技术后，在整个建筑设计的全过程中始终贯彻绿色建筑设计理念，有效的提高了建筑的设计质量和工作效率，优化了绿建设计流程，使得绿色建筑设计水平有了极大的提升。
关键词：BIM；绿色；建筑设计；住宅；流程优化
1.引言
随着全球气候的变暖，世界各国对建筑节能的关注程度正日益增加。人们越来越认识到，建筑使用能源所产生的CO2是造成气候变暖的主要来源。节能建筑成为建筑发展的必然趋势，绿色建筑也应运而生。
绿色建筑所涉及的学科范畴比传统建筑业的范畴更加广泛，对建筑设计的要求更加严格，给传统的设计软硬件系统带来了极大困难，BIM技术则以其出色的信息管理性能给绿色建筑发展带来了曙光。
1.1绿色建筑设计的内涵
绿色建筑的基本内涵可归纳为：减轻建筑对环境的负荷，充分利用阳光，节省能源及资源；提供安全、健康、舒适性良好的生活空间，为居住者创造一种接近自然的感觉；以人、建筑和自然环境的协调发展为目标，尽可能地控制和减少对自然环境的使用和破坏，与自然环境亲和，充分体现向大自然的索取和回报之间的平衡。绿色建筑做到人及建筑与环境的和谐共处、永续发展。
2.基于BIM技术的绿色建筑设计分析
2.1基于BIM技术的绿色建筑设计流程
基于BIM的绿色建筑设计贯穿了建筑的整个生命期。整个流程的起点始于建筑设计阶段，历经施工、运维直至更新与拆除又回到建筑设计阶段。建筑设计阶段根据其细分目标不同又被分为方案设计、优化设计与施工图设计三个小阶段。
（1）方案设计阶段
方案设计阶段的主要目的是对建筑方案提出的多种组合方案的可能，通过数据评估与集体互动讨论确定最优的方案组合。在设计过程中，首先由建筑专业提出方案框架输入到BIM模型中，然后结构、水暖电等传统专业提出意见与相关专业方案，整合到BIM模型中迭代分析，其他参与方根据BIM模型对进行集体互动讨论，将信息通过BIM模型反馈到相关专业，直到统一认识达到方案目的。
（2）优化设计阶段
优化设计的目的是对选定的方案组合进行技术集成与优化，实现高水平的绿色建筑方案设计并达到报批深度。此阶段的设计工作注重集成工作整体优化，通过分析与各方意见对方案的造型、布局等进行优化，需要结合具体的设备厂家确定产品规格，考虑设备与建筑的一体化设计等内容，整合后迭代分析，根据绿色建筑评价标准相关内容判断其是否达到阶段设计目标。
（3）施工图设计阶段
施工图设计阶段是建筑设计流程的最后阶段，其目标是生成足够的信息保证施工顺利实施。在此阶段注重设计与施工的结合，进行细节设计与施工流程优化，通过整合分析完善设计成果减少项目实施过程中的错漏碰缺等问题，完善模型信息指导建筑施工。
2.2基于BIM技术的绿色建筑设计分析
（1）全生命周期的绿色建筑设计
基于BIM的绿色建筑设计流程以实现绿色建筑设计目标为目标，从建筑全生命期的角度将建筑作为一个整体来看，注重各方交流质量与行为效率，通过BIM模型信息支持不仅在设计阶段实现了360度的循环，而且在具体的设计过程中也实现了无死角的循环设计过程。
（2）信息处理效率优化
在传统绿色建筑设计流程中各专业对分析过程的信息处理过于繁琐，基于BIM的绿色建筑设计流程通过引入BIM技术提升了设计效率，有效解决了这一问题。通过将BIM信息模型输入到专业分析软件中，让计算机替代人工完成分析任务，这样就从繁琐的分析任务中中解放了设计人员，使其有精力关注方案本身的设计效果。
（3）交互形式优化
基于BIM的绿色建筑设计流程将传统建筑设计中的二维图纸表达转化为三维模型，使参与方能更为直观准确的理解设计意图，使多方交流不再受二维图纸抽象信息的约束，提高了团体协作效率。
3.设计方案
3.1项目概况
项目位于安徽省淮南市山南新区。地块北临舜耕山，环境优良，风景优美，东部靠近山南新区核心区，地理位置优越。总用地面积10.89公顷，综合容积率1.50，总建筑面积约22.28万m2，其中地上总建筑面积约16.33万 m2，地下面积约5.95万m2。
图3-1：地块位置与三维地形图
不同于传统住宅小区北高南低的布局形式，考虑其北部的舜耕山风景区，以及当地的规范要求，住宅小区需要呈北低南高的布局形式。这也给绿色建筑规划设计带来了问题。
根据项目定位，在项目开始之前预估了设计中要重点解决的问题：
1.结合淮南的自然条件，通过比选确定适合的被动节能措施；
2.被动节能措施与建筑造型的整合；
3.根据场地条件优化主动节能措施；
4.可再生能源的开发与利用。
3.2 基于BIM 的规划设计
方案开始，根据不同的设计思路，选择两种规划设计方案，如方案一和方案二。利用Civil 3D快速生成三维数字地形模型，结合Revit的体量功能，能够便捷的完成前期的概念体快方案。
图3-2：方案一与方案二平面布局
（1）场地光环境分析
在完成概念体快方案后，录入相关地理数据，即可导入到Ecotect中对场地的太阳辐射进行分析。如图3-2、3-3所示。根据分析结果我们看到两个方案均满足淮南市的日照要求：大寒日大寒日（8-16时）累积日照时长超过两小时。
图3-4：方案二日照分析图
（2）场地风环境分析
通过相关软件提取当地的气象数据并对数据进行分析，得到场地风环境数据：冬季西北风；夏季东南风；过渡季西南风。随后，将体量模型与气象数据导入CFD软中进行分析，得出风场的分析图，如图3-4、3-5。
两个方案中，当外部风荷载为3.5m/s时，该地块内部室外活动区域风速均低于5m/s，最大风速为1.8m/s，均满足室外活动的舒适性要求。根据图示方案一筑表面形成充足的风压差，为室内自然通风的利用提供良好的条件，而方案二住宅前后压力差较小，对其通风不利。
图3-6：方案二风场分析图
以此为基础，在设计前期可以提出相应的绿化意向：西北及北向种植常绿密实绿化或绿篱，减少冬季供热能耗；南向种植落叶高大乔木，减少夏季太阳辐射得热并削弱公路噪音；西南向种植低矮绿植，确保自然通风效果。
（3）场地的视线分析
通过软件的进行视线分析，由于地形南低北高的地形特征，且主要的景观朝向为北面舜耕山风景区，因此方案一由北向南逐次升高的建筑布局，能够获得更好的景观视野，更加的适宜此地块。
最终，在多轮分析后，得出结论，在地理气候条件相同的条件下，综合考虑采光、通风、视线等因素，方案一优于方案二。因此选择方案一进一步的深化。
3.3 基于BIM的建筑能耗分析
比选建筑方案的过程就是一个把握建筑设计方向的过程。在确定了深化方案之后，开始进行住宅的户型设计，以12#住宅楼为例，根据设计需求，设计了两种户型，如图3-5、3-6，并在revit中建立模型。随后，在设定气象数据一致的情况下进行负荷计算。结果如图3-7.
图3-10：户型方案二
可以看到除了四月份，全年的冷热负荷都是方案二居多，能耗较大，夏季差别最大，冬季其次，过渡季有轻微差别。综上所述，方案一在能耗方面占有优势。
图3-11：方案一方案二冷热负荷对比
注：红色，蓝色为方案一冷热负荷，黄色，绿色为方二冷热负荷
3.4基于BIM的节能措施优化
（1）确定合理的窗墙比
建筑的暖通能耗Y与窗墙比X是有关联的：Y=-0.4485X?+18.546X+586.02。不仅如此，照明能耗与窗墙比也有一定联系，如图3-8。由图可知，窗墙比在30%-40%之间时，暖通与照明系统的总能耗最低，而目前方案的南向窗墙比为28%，北向窗墙比为24%，接近30%是比较合理的，如表3-1。
表3-1：户型窗墙比
图3-12 暖通、照明能耗之和 与窗墙比变化曲线图（来源：网络）
（2）优化外围护结构的传热系数
图3-15：墙体结构示意图
传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K，℃），1s内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/（平方米?度）。通过将BIM模型导入分析软件Ecotect，输入密度、比热容、导热系数、颜色等物理属性（如图3-9）后软件可以很快的计算出围护结构的热工属性。如U-value（传热系数）、Admitance（准入系数）、Solar Absorption（太阳吸收系数）、Solar Heat Gain Coefficient（太阳得热系数）、Visible Transmittance（可见光透过率）等，如图3-13。
（3）自然通风分析
将BIM模型导入PKPM中，得出结果如图3-X所示。其中，主要功能房间的通风开口与地板平均面积比为 10.79%，满足限值要求，室内通风流畅，平均风速>0.6M/S，换气次数达标面积比例为100.00%，换气次数均大于2次/h，符合《绿色建筑评价标准》对换气次数的要求，由此可知，住宅室内自然通风环境良好。
（4）遮阳与天然采光优化
天然采光的光源是太阳，是取之不尽用之不竭的自然资源，太阳光的光通量巨大是人工光源无法比拟的，不仅如此，太阳光光谱中的短波光如紫外线，可以杀菌、可以预防软骨病还可以满足人类的心理需求。但是，强烈的阳光直射也会使人感到不舒服，因此在建筑设计中我们既要充分利用太阳光，又要避免它带来的负面影响。通过将BIM模型导入到PKPM软件中分析，我们得到了各个房间光环境的分析数据，随后通过更改窗户形式，户型微调等方法改善了天然采光条件。如图3-13、3-14所示，优化后采光系数大于1%的房间面积有了明显的提升。
图3-19：优化后室内采光示意图
4.总结
目前，南山院项目处于在建中，获得了2016届创新杯BIM大赛住宅项目优秀BIM应用奖，并且由于设计质量的保证，在当地了也取得了良好的市场反响。
当然国内的BIM技术发展相对较晚，技术基础和使用环境相对薄弱。在实际运用中有着诸如外国软件本土化较低，缺少BIM行业标准化体系等诸多问题。但是随着国内BIM技术与绿色建筑理论的不断发展，越来的越多的本土化软件及相关规范的颁布，BIM技术与绿色建筑设计的一体化必将是最终趋势，为绿色建筑乃至整个建筑行业的发展提供重要的助力。
参考文献
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[2]程斯茉. 基于BIM技术的绿色建筑设计应用研究[D].湖南大学，2013.
[3]田慧峰，阮建清，张欢. 保障性住房绿色建筑设计方法探讨及实践[J]. 智能建筑与城市信息，2013，（04）：75-79.
论文作者:施萌,吴吉祥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/4
标签：建筑设计论文; 方案论文; 建筑论文; 模型论文; 阶段论文; 如图论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;