44时代建筑Time+Architecture2013/2云朋吴海斌YuNpeng,wuHaibinBIM与建筑的生态节能分析与设计Eco一analysisandEco一designofBuildingswithBIM摘要文章详细分析了BIM与生态节能相结合的必要accordingtothedifefPaPerdescribesmainstreamBIMrentdesignstages.Then,theseveral性,在此基础上根据不同设计阶段的特点讨论了slM与生态节能协同设计的应用现状,并详细介绍了主流PraeticalaPPlieationsonPlatofrms.Finally,futuresolutionsIM平台框架下的生态节能分析与设计的应用,最后B就当前技术条件下存在的问题探讨了未来的解决措施\"areProPosedforProblemsoffeneneounteredundercurrentteehniea}conditions.KEYWORDSBIM;Eeo一analysis;Eco一design关健词slM;生态节能分析;生态节能设计ABSTRACTThisPaPerdiseussesindetailthe中图分类号:丁u201.4文献标识码:A文章编号:1005一6s4x(2013)02一0044一04necessityofPerforminganeco一analysisandeco一designwithBIM.First,thecurrentstateofcollaborativedesignbetweeneco一analysisandBIMmodels15introdueed2\"世纪60年代,美国海洋生物学家蕾切尔#卡开相对综合的评价,例如碳排量和生态足迹;分项指逊(RachelCarson)在5寂静的春天6(5淤nr和rng)i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,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\"瞬钾汗/今-如.火厂毛气中要!见是掩卜沙舟厂_仪奴!尹心夕建认已厂乙刀\\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飞铆1多之-,二;-劣!,,短!很咨认弋二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BIM技术则为应对这一挑战指明了方向\"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!热舒适和老子个-,!卿O1生态节能与BIM广义上来说,生态节能建筑的内涵在于充分优化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\"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,生态节态节能软件中展开的,包括建立几何模型!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BIM协同工作环境中,IM平台可以统一管理模型中包含的大量信息,其中B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基于BIM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化并反映到BIM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CAO软件环境下,由Ecologiealanalys一sbasedonBIMSetuPdiaIogofenergyanalysisinREVlToutPutrePortofenergyanalysis时代建筑Time+Arehitecture2013/245参橄理筑性能系傲地点:中国北京530,77建筑类型位置地平面办公室中国北京气象站室外温度楼层面积外墙面积最高:39e/最低14e1r270耐1451m,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平均照明功率人员lo87w/耐0人外窗比例用电成本04050刀9/kwh扣78/克卡翌吐主兰jU4吕燃料成本能铆消耗强度用电耗能指标(EUI):236kwh/sm份r核心层偏移分割周长分区概念构造燃料能耗指标f1l):U总能耗指标(EUI):8拍刊/sm/yr1708MJ/sm份r生命周期碗耗/成本40%75\"\"生命周期用电ts,985327kw卜目标玻璃百分比目标窗台高度玻璃已遮阳遮阳深度目标天窗百分比天窗宽度和深度生命周期燃料消耗t60\"力O%14月92,7356341MJ5493,455生命周期能量成本0年的生命周期和631%的成本折扣率再生能通潜能屋顶式安装Pv系统(低效)二屋顶式安装pv系统(低效卜76巧Ikw卜/厂建筑运行时间表日vAC系统新风信息中央勺户v,Hw加热冷水机组5.961OP编辑锅炉效率1523o3kwh扮r225454kwh/yr349kwh/yr屋顶式安装pv系统(低效!:单台巧.风力发电机潜能:低效!中效和高效系统的Pv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\"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BIM平台软件紧密结合\"这里有两种结合方式:第一种方窗墙比!运行时间表和空调类型等内容\"Revit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Revit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,Revit2设计阶段的影响规律式是作为扩展功能直接整合于BIM平台软件中;第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,从最初二种方式是作为半独立软件与BIM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BIM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,对于精度的要求相对较低\"而后期施工图阶段对制;半独立软件的方式牺牲了设计调整的简便性,但模拟计算及结果后处理能力相对要强一些\"在Revit中同时采用了上述两种方式,其不仅内置了能量分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\"Revit中的能量分析功能完全内嵌于平台软件中,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BIM的协同问析功能,同时还提供了半独立的生态节能分析软件/projectvasari0\"题\"总体来说,随着设计的深化,BIM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\"33能t分析Revit中的能量分析功能是在原/GreenBuilding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\"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\"3.4ProjeetVasaristudio0能耗模拟软件基础上扩展而来的,它是基3概念设计阶段的BIM应用.1概念设计阶段的要求3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\".2概念设计阶段的工具3在概念设计阶段,生态节能分析的使用者主要是于美国能源部的OOE22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(Le日de二hiPinEnerg夕&nvEorlnmentalDesignBuildingRatingSystem,简称为了弥补内置能量分析功能的不足Autodesk/LE印0)中常用的eQoest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,因此被在Ecoteet的基础上推出了Projectvasari(图4),其当前最新版本是betaZ\"尸rojectvasari作为半独立的生态节能分析软件可以直接读取Revit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,Projectvasari软件中还包括风融合于Revit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!46时代建筑Time+Areh一tecture2013/2AUtod68k.PrjeootVasari嗓声分析COdf,OIA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,BIM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,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coEtect和Winair4软件的特点,它采用了有限体积法需要具有一定专业背景的人员进行操作和分析\"与BIM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\"lj3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C7O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coEtect,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.2模型及数据交换格式4导出模型时,BIM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BIM软件中,导出模型可以简单地分成两大类:第一类是体块类模型,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Revit中内置的分析功能,由于不受ReVit的框架限制,其细节因素,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,一般来说其信结果后处理能力也非常出色\"而其缺点是只能对Revit模型进行简单的异步调整,无法做到与Revjt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\"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gbXML!IFC!dxf和sl等几种类型,其中gbxML适t4深化设计阶段BIM的应用.1深化设计阶段的要求4用于体块类模型,其可携带几何信息以外的属性信息\"IFc!dxf和stl均适用于仿真类模型,不同的是l71可携带属性信息,而dxf和sl不携带属性信息\"t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!热水系统以从信息量的角度来考察,gbxML和lF1是较为理想的数据交换格式,gbxML主要用于能耗模拟用途,而!7C!dxf和stl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IFC的支持力度有限\".3深化设计阶段的工具44PrOJectVasar一software5.DataexchangeformatsbetweenBIMandEeologrcalanalysissoffwares6.Frameworkof}ES
4.PrOJect钧sari软件5.SIM与生态节能软件的数据交换格式6#IES的架构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BIM技术的巨大优势,但从功能角度考察,深化设计阶段的生态节能分析时代建筑Tlme+Archlteeture2013/247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读取携带信息的数据文件,例如英国的IEs:第件尚无法直接支持BIM信息,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Radian(e!通风分析软件5丁AR一11M+和噪声分析软件Cadna/A综上所述,推动生态节能设计与BIM协同的健康发展,需要各方的努力2平台软件商应完善slM平台框架内的软件生态体系:第三万生态节能软件商应综合类生态节能分析软件的代表是英国IES公司开发的IEs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分析(图6)\"-lEs不仅可以接受gbxML格式的模型文件,还提供了针对Revit的插件程序.可直接导入Revit模型,并从Revit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IES对于Revit建模的设置有着特殊的要求,例如要求房间独立和封闭!外部不能开洞.因此,一般情况下如果不对模型进行专门处理,IES无法直接使用Revit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AR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sIt和dxf等纯几何格式的模型文件,基本上无法利用BIM的信息模型\"现有条件下,使用者只能通过导入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BIM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发展万向.具有巨大的发展潜力注释和参考文献:1]云朋社1cotect建筑环境设计教程=]M200又北京:中国建筑二业出版[22相关内容参见:卜ttp:zzwwwautodesk1om=31SmartMarketRePort-:GreenBIMH川eomP日n一esr2010=R8NewYork:TheMcGraw吟2相关内容参见:http://wwWJesve汇oml等几何模型后手工设置参数和各种边界条件ts5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目盆按部就班的模拟,缺少针对具体问题的分析思考
