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1、4 4时代建筑 T i m e+A rch i te ctu re 2 0 13/2云朋吴海斌Y u N peng,w u H ai b i nBI M 与建筑的生态节能分析与设计Eco一 an alysis an d Eco 一 d e sig n o f B uil d ing s w i th B IM摘要文章详细分析了 B I M 与生态节能相结合的必要性,在此基础上根据不同设计阶段的特点讨论了s l M与生 态节能协 同设计的应用现状,并详 细介 绍了主流B I M 平台框架下的生态节能分析与设计的应用,最后就当前技术条件下存在的问题探讨 了未来的解决措施 关健词s l M;生态节能
2、分析;生态节能设计A BST R A C TTh i sPaP erdiseussesind etail th en ecessity of Perfo rm ing an eco一 analysis and eco一 de signw ith B IM.Fi rst,the current state of co ll ab orative de signb etw ee neco 一 an al ysi s andBIMm od els 15 introd ueedacco rd ingtothed i f f erent d esig nstag es.Th en,theP aPe r
3、d escribesPraetical aP Plieatio nso nseveralm ainstreamBIMP l at f orm s.Finally,futureso luti o nsare P ro Po sed f o r P ro b l e m s of f e n en eo u nte red u nde rcurre ntteehn i eaco nd i tio ns.K EY W O R D SBIM;Eeo一 analysis;Eco一 desi g n中图分类号:丁 u20 1.4文献标识码:A文章编号:1005一 6s4x(2013)02一 0044一 0
4、4瞬是 掩 卜 沙 舟建 认 已厂 乙奴!尹心 夕汗/今-如.厂 _仪 刀厂火2世 纪 6 0年代,美 国海洋生 物学 家蕾切 尔#卡逊(RachelCar son)在 5寂静的春天 6(5淤nr和r i n g)一书中提出生态和可持续发展的理念 半个世纪后的今天,生态的理 念已经深入到包括建筑在 内的各行各业,很多建筑师也在探索生态节能在建筑设计中的应用 与传统的建筑设计相比,生态节能分析与设计涵盖 了更宽广的领域,容纳的信息量也成倍增 加 因此,怎样高效地组织这些信息,将其用于生态节能设计成为当前要面对的一个挑战,而基于建筑信息的BI M技术 则为应对这一挑战指 明了方向 开相对综合 的评
5、价,例如碳排量和生态足迹;分项指标通常只针对建筑的某一项性能进行评价,例如能耗!照度和声压级等 不管是总体指标,还是分项指标,其选用原则都与建筑信息!周边环境信息以及软件工具的选择有 关 预测设计方案的性能数据,是在评价指标框架下展开生态节 能分析 的前提:一方面可以进行 多方案 的横向比较,另一方面也可以将性能数据与评价指标进行对比分析 性能数据的预测过程实际上就是对建筑进行相关模拟计算的过程一个完整的生态节能分析可能涉及能耗!采光!辐射!照明!通风!热舒适和噪声等大量不同领域的模拟(图 l)如果设计工作基于传 统 的二维 CAO 环境,上述模拟 一般 都是在 生态节能软件中展开的,包括建立
6、几何模型!输入参数和边界条件,整个过程涉及大量重复性的数据和信息输入工作,效率非常低 在 B I M 协同工作环境中,B I M 平台可以统一管理模型中包含的大量信息,其中最关键的一步是将模型信息翻译 成生态节能软件可识别的数据 当模拟完成 后,可基于对模拟结果进行优化并反映到 B I M 模型中上述过程是一个非线性的祸合协同工作流,在传统的二维 CA O 软件环境下,由钾毛 气中 要!见飞 铆老 子-个,!卿 O1 多之-,二-;劣!,短!很咨 认 弋 二1 生态节能与BI M广义上来说,生态节能建筑的 内涵在于充 分优化全生命周期内的建筑性能,减少人为的负面影响,营造舒适!高效!健康的环境
7、 这里的建筑性能是基于定量 的评 价指标来进行分析和优化 的 离开 了指标的评价框 架,生态节能只能是空 中楼 阁 因此,生态节能分析与设计的关键就是设定性能指标,这也是其与传统设计 的一 个显著差异 建筑性能的评价指标可以简单地分成综合指标和分项指标两类 总体指标可以针对建筑全生命周期展基于B I M 的生态节能分析能量分析的设置界面能量分析的输出报表Eco log i ea la nal y s一 s ba se d on B I MSe tu P diaI o g o fe nerg y a nalysi s in REV l To utPu t r e Po rt of en erg
8、y a nalysis时代建筑 T im e+A reh i te ctu re 20 13/24 5参 橄理 筑性 能 系傲建筑类型位置地平面办公 室中国北京标高导 出类型导 出复杂性包含热属性工程阶段小 间隙空 间允差简单 的着色表面翌 吐 主 兰j U4 吕核心层偏移分割周长分 区概念构造目标玻璃百 分比40%目标窗 台高度75玻璃 已遮阳遮 阳深度60力目标天窗百分 比O%天窗宽度和深度9 1 4月建筑运行时 间表日 v A C系统中央勺 户 v,H w 加热冷水机组5.9 6 1OP锅炉效率新风信息编 辑地点:中国北京气象站530,77室外温度最高:3 9 e/最低 14e楼层面积1
9、r 27 0 耐外墙面积1451m,平均照明功率lo 8 7 w/耐人员0 人外窗比例040用电成本50刀9/kw h燃料成本扣 78/克卡能铆消耗强度用电耗能指标(EU I):236kw h/sm 份r燃料能耗指标 f1 U l):8拍 刊/sm/y r总能耗指标(EUI):1708M J/sm 份r生命周期碗耗/成本生命周期用电ts,9 8 5327 k w 卜生命周期燃料消耗t3 2,7356 4 1M J生命周期能量成本54 9 3,4 5 53 0 年的生命周期和6 1%的成本 折扣率再生能通潜能屋顶式安装P v 系统(低效)二76巧I k w 卜/厂屋顶式安装pv系统(低效 卜15
10、23o3kw h扮r屋顶式安装pv系统(低效!:225454kw h/yr单台巧.风力发 电机潜 能:34 9 kw h/y r低效!中效和高效 系统 的P v 效 率分别假 定为5%#,%和巧%3于缺少信息框架的支持,很难实现信息的无损自动传递 2 设 计阶段的影响规律从最初的概念设计阶段到最终的施工图设计阶段,BIM 模型中所涵盖的信息是逐步丰富的,从最初的简单体量和环境信息,发展到最后详细的墙体构造和机 电系统信 息 可 以发现,引M 模型 中的信 息类型和信息量是随着设计的阶段在变化的不同设计阶段对于生态节能的要求也有很大的区别,例如前期概念设计阶段要求操作方便和计算速度快,对于精度的
11、要求相对较低 而后期施工图阶段对计算精度的要求较高,但对计算速度相对不太敏感 7 月为了简化问题,笔者将从概念设计和深化设计两个主要阶段来分别讨论生态节能分析与 B I M 的协同问题 总体来说,随着设计的深化,B I M 中信息量的深度和广度在增加,生态节能所要求的范围和计算精度也在增加,它们之间呈现出一种近似同步的变化规律 3 概念设计阶段的B I M 应用3.1 概念设计阶段的要求概念设计阶段的主要任务是确定建筑布局及体量造型,这一阶段中的信息量相对较少,通常的生态分析包括了气象数据!能耗!日照!辐射以及室外风环境和噪声等内容,涉及体量!功能!使用对象以及外部环境条件等相关信息 3.2
12、概念设计阶段的工具在概念设计阶段,生态节能分析的使用者主要是建筑师,他们要求计算速度快,图形化程度高,操作简单 要满足上述要求,生态节能分析必须与 B I M平台软件紧密结合 这里有两种结合方式:第一种方式是作为扩展功能直接整合于 B I M 平台软件中;第二种方式是作为半独立软件与 B I M 平台软件保持高度的数据统一 上述两种方式中,生态节能的解决方案基本都是由B I M 平台软件商直接提供,它们与平台软件之间有着密切的血缘关系,对外则具有相当的封闭性 总体来看,整合的方式与设计结合更紧密,调整也更加方便,但 模拟分析和后处理能 力受到平 台的限制;半独立软件的方式牺牲了设计调整的简便性
13、,但模拟计算及结果后处理能力相对要强一些 在 Re v i t中同时采 用 了上述 两种 方式,其不 仅 内置 了能量分析功能,同时还提供了半独立的生态节能分析软件/pr o j ectvasari033 能t 分析Revi t中的能量分析功能是在原/G r een Bui l di ngstudi o 0 能耗模拟软件基础上扩展而来的,它是基于美国能源部的 OO E 22 开放式能耗计算内核开发的这一内核采用了较 为成熟的反应系数法,美国 5绿色建筑评估体 系 6(L e 日 de二 hi P i n E n erg夕&E n v l r onm ent a l Desi gn Buil d
14、i ng Rati ng System,简称/L E 印 0)中常用的eQ oe s t软件也采用了这一内核(图2,图3)=2,能量分析功 能主要用于前期 的方案推敲,因此被融合于 R e v i t 的体量模式中 启动能量分析功能后,首先进行能量分析设置,其中包括了地点!建筑类型!窗墙比!运行时间表和空调类型等内容 Rev i t 为上述设置提供 了常用的模板,使用者可以快 速进行选取,非常方便 能量分析功能可 自动划分热环境分区以提高计算精度,一般分为东西南北四个外区及一个内区,这是由于建筑核心部位通常受人员设备等内扰影响较大,建筑外区通常受环境外扰影响较大,同时外区 中不同的朝向所接受
15、的太 阳辐射也有较大 差别 能量分 析功能 可充分 利 用 引M 平台软件 的优 势,自动将 Rev i t 中的信息转译 为模 拟设置参数,大大提高 了工作效率 能量分析功能采用 了时下流行的云端技术,Re v i t中设置好的计算模型自动提交给网络服务器端执行计算,然后将计算结果生成报表反馈回客户端,其计算报表可给出包括碳排量!能耗量!冷热负荷以及室外环境数据在内的一系列分析评价指标数据,建筑师可以根据上述指标数据快速进行多方案比选和优化 Rev i t 中的能量分 析功能 完全 内嵌于平 台软件 中,模板化设置非常简单,这使得方案调整相对比较方便省去了大量的繁琐设置和软件间的导入导出过程
16、 但由于设置过于简化,其精度受到一定的影响,同时输出结果类型单一,很难做到个性化的精确分析 3.4 Pro j eetV a sari为了弥补内置能量分析功能的不足Au t od e s k在 Ecoteet 的基础上推 出了 Pr o j ectvasar i(图 4),其当前最新版本是 betaZ 尸 r o j ectvasar i作为半独立的生态 节能分析 软件 可 以直 接读取 Re v i t 的模型 文件,与其保持了高度的数据统一性 除 了能量分析外,P r o j e c tv a s a r i 软件 中还包括风4 6时代 建筑 Tim e+A reh一 tecture 20
17、 13/2A Utod 68k.Pr o j eo t V asari嗓声 分析C O d f,O IA玫瑰分析!流体力学分析 以及大 阳辐射分析:风玫瑰分析可以从云端读取风速风 向数 据并绘制风玫瑰;流体力学分析可根据体量模型自动划分网格并进行风环境 分析;太 阳辐 射分 析可 在指 定 时间 内针对 建筑表面执行太阳辐射强度计算=22 流体力学分析结合了E c o t e c t 和 W i n a i r4 软件 的特点,它采用了有限体积法和自动结构化网格技术 其特点是计算速度快,远远超过现有的商业 C 7O 软件,缺点是计算精度相对较低,只适用于早期方案推敲 流体力学分析可针对建筑室外
18、的风速!风压进行多切面评估,以便帮助建筑师划分建筑周围 的风影 区!涡流 区和风速 较高区,从而进行有针对性地体量优化 太阳辐射分析同样源于E c o t ec t,它采用 采样光线 法,可 对任意 建筑表 面上的太阳辐射进行分析 利 用这一 功能,建筑师可 以优化外遮阳和建筑体量,例如可基 于建筑表面上的太阳辐射强度优化建筑表面的曲率,从而生成兼具生态效应的建筑表皮 从功能角度来考察,projectVasari要强于 Revi t中 内置 的分 析功能,由于 不受 ReV i t 的框架 限制,其结果后处理能 力也非常 出色 而其缺 点是 只能对Revi t模型进行简单的异步调整,无法做到与
19、 Re v j t 模型的同步修改,导致使用者需经常在两个软件间进行切换工作 4 深化设计阶段B I M 的应用4.1深 化设计阶段的要求深化设计阶段中的信息量相较概念设计阶段要大得多,通常的生态节能分析包括精确的能耗分析!采光分析!照明分析!室内通风分析,信息内容涉及围护结构构造数据!照明设 备!空调设备!热水 系统 以及可再生能源系统等 与概念设计阶段的信息主要集中于外部环境和体量不同,深化设计阶段的信息主要集中于建筑内部的各种构造和设备 因此,深化设计阶段理论上应该 更能体现 出 B I M 技 术的巨大优 势,但其 同时也 是现有技术的一个应用瓶颈 由于深化设计阶段的信息量巨大,BI
20、M 平台软件内置的生态分析工具以及半独立的生态分析软件已不能满足要求 因此,深化设计阶段 中的软 件多为第三方提供 的独立专业软件,它们一般具 有高度的专业性,需要具有一定专业背景的人员进行操作和分析 与BI M平台软件提供商不同的是,第三方软件提供商强调软件的横向兼容性,而平台软件提供商一般都强调平台体系内的封闭性 因此,与软件兼容性相关的模型和数据交换格式是深化设计阶段需要探讨的一个重要 问题 l 3 j4.2 模型及数据交换格式导 出模型时,B I M 平 台软 件可根据用户选择 的数据格式自动生成相应的导出模型(图5)在 B I M 软件中,导出模型可以简单地分成两大类:第一类是体块类
21、模型,主要着眼于空间体量及房间划分 这一类型 的模型 携带大量的建筑信息,但 同时可以忽略某些细节因素,例如可忽略墙厚,房间可按类型合并,这类模型多用于能耗模拟和通风等分析;第二类是仿真类模型,其要求尽可能接近实 际效 果,一般来说其信息量要低于第一类模型,这类模型多用于采光!照明和声学等分析 在生 态节 能软 件 中经 常用到 的数 据格 式主 要有gbXM L!I F C!dx f 和 s t l等几种类型,其 中 gbxM L 适用于体 块 类模型,其可 携 带几何 信息 以外 的属 性信息 I F c!dx f 和 s t l均 适用于 仿真类模 型,不 同的是l71可携带 属性信 息
22、,而 dx f 和 s t l不携带属 性信息 从信息量的角度来考察,gbxM L和 l F 1是较为理想的数据交换格式,gbx M L主要用于能耗模拟用途,而!7C!dxf和s t l适用于采光!照明和声学等分析 虽然 i7C 携带有大量信息,但就现有的生态节能软件来看,普遍 对 I FC 的支持 力度有限 4.3 深化设计 阶段的工具从功能角度考察,深化设计阶段的生态节能分析4.PrO J ect钧sari 软件5.S I M 与生态节能软件的数据交换格式6#IES 的架构4 P rO J ectV asar一 so f t w ar e5.D ata e xc ha ng e f o r
23、m atsb etw ee n BIMan d Eeo l o g r calan al ysi s sof f w a r e s6.Fra m ew o rk o fES 时代建筑 T l m e+A rch l te etu re 2 0 13/24 7软件分为两类:第一类是综合型的生态节能分析软件,这类软件可针对 多个 不同的专业方向进行分析.并能读取携带信息的数据文件,例如英国的 I E s:第二类 软件 是单 一专 业类 生态节 能 分析软 件,它们一般 只针 对某一 专业 方 向进行 分析,并且 通常 不接 受携带信息的数据文件 典型的软件有采光分析软件Rad i an(e!通风
24、 分析软件 5丁 A R一 11M+和噪声分析软件 Cadna/A综合 类生 态节能分析软 件的代表是 英国 I E S公司开发 的 I E s 软 件,可 以在 同一 套模 型的基础 上进行 能耗!空调!通 风!照 明和人 员疏散 等 一 系列分析(图6)-n l l Es 不仅可以接受 gbxM L 格式的模型 文件,还提供 了针对 Re v i t 的插件程序.可直接导入 Re v i t 模型,并从 Re v i t 中获取 围护结构参数!机 电系统数据和运 行时间等一系列信息 但 I E S 对于 Rev i t建模 的设 置有着特殊 的要求,例如 要求房间独 立和封 闭!外部不 能
25、开洞.因此,一 般情况 下如果不对模型进行 专门处理,I E S 无法直 接使用Rev i t建筑模型专业 类生态节能软件的代表有英 国的流体 力学软件 S丁 A R一 CCM+和德 国的噪声分析软件 eadna/A,它们最 初都 是为工 业行业 而设计 的,因此只 能读取 s t I和 dx f 等 纯几何 格 式 的模 型文 件,基 本 上无 法利 用BI M的信息模型 现 有条件 下,使用者 只能通 过导入s t l 等几何模型后手工设置参数和各种边界条件在深化设计阶段 中,独立 的第三方 生态节 能软件可实现精确的生态分析 但除部分软件外大部分软件 尚无法直接支持 B I M 信 息,
26、只能通过传统 的几何模型进行数据交换,导致效率较低,不能充分 发挥 B旧技术的优势综上所述,推动生态节能设计与 B I M 协 同的健康发展,需要 各方 的努 力 2平 台软件 商应完 善 s l M 平台框架 内的软件生态体 系:第三 万生态节 能软 件商应加强对 7C 等信息数据格式的支持;作 为主要使 用群体的建筑 师应努力提升 自身的生态设计背景和意识6 结语B M 技术的产生是建筑生态节 能分析 和设计领域的一次革命.其强大 的信 息管理 能力为各 种相关的模拟计算和分析提供了坚实的技术基础.虽然现在 BI M与生态节能 的协 同还需 要进一步 改进和 完善.但 它们代表 了未来 的
27、发展万 向.具有 巨大 的发展潜 力注释和参考文献:1 1 云朋1 co t ec t建筑环境设计教程=M 北京:中国建筑二业出版社200又22 相关内容参见:卜 ttp:zzw w w autodesk1om=31 Sm artM a rket Re P o rt-:G ree n BIM=R 8 N ewY o rk:T h e M cG rawH 川 e o m P 日 n 一 e s r2 0 1 0吟2 相关内容参见:http:/w w WJesve汇 om目盆5 问题 与解决措施在概念设计阶段中,生态节能与 B M 技术的协同更 紧密!衔接更顺畅,建筑 师可 以在 平台软件的大框架内展开能耗!日照和辐射等分析和优化 但这一阶段 中的应用实践也存在着一些 问题:一 方面是由于受制于平 台软 件的框架体系,分析 的深度 和广度不够;另外一 方面是 建筑师对生态节能分析 的认识 大多限于按部就 班的模拟,缺少针对具体 问题 的分析思考作者单位:华通设计顾问工程有限公司作者筒介:云朋,男,华通设计顾问工程有限公司 可持续建筑 设计总监武海滨,男:华通设计顾问工程有限公司 绿色城市研究事业部 总经理收稿 日期:2013一 01一 15