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2.5 BIM技术在建筑规划与节能设计中的应用

2.5.1 概述

BIM即建筑信息模型,是Building Information Modeling的缩写。 BIM是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型,BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。

一个完善的信息模型,能够连接建筑项目全生命周期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,可被建设项目各参与方普遍使用。 BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支持建设项目全生命周期中动态的工程信息创建、管理和共享。 BIM同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法,这种方法支持建筑工程的集成管理环境,可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率和大量减少风险。BIM一般具有以下特征:

①模型信息的完备性。除了对工程对象进行 3D几何信息和拓扑关系的描述,还包括完整的工程信息描述,例如,对象名称、结构类型、建筑材料、工程性能等设计信息;施工工序、进度、成本、质量以及人力、机械、材料资源等施工信息;工程安全性能、材料耐久性能等维护信息;对象之间的工程逻辑关系等。

②模型信息的关联性。信息模型中的对象是可识别且相互关联的,系统能够对模型的信息进行统计和分析,并生成相应的图形和文档。如果模型中的某个对象发生变化,与之关联的所有对象都会随之更新,以保持模型的完整性和健壮性。

③模型信息的一致性。在建筑全生命周期的不同阶段,模型信息是一致的,同一信息无须重复输入,而且信息模型能够自动演化,模型对象在不同阶段可以简单地进行修改和扩展而无须重新创建,避免了信息不一致的错误。

2.5.2 BIM主要功能分析

BIM支持建筑师和工程师在实际建造前使用数字设计信息分析和了解项目性能。通过同时制订和评估多个设计方案,建筑师和设计师即可轻松比较并制订更明智的可持续设计决策。Autodesk ® Revit ® Architecture设计模型专门用于可持续性分析,甚至在早期的概念设计阶段也可实现分析计算。建筑中墙体、窗体、屋顶、地板和室内隔断的布局确定后,设计师便可对创建Revit ® 模型时采用的信息进行分析。在CAD工作流程中进行上述分析非常困难,用户必须导出并详细设置CAD模型,以供分析程序之用。使用Autodesk Ecotect Analysis分析来自Revit BIM流程的早期建筑设计,可以有效地简化分析过程。

1)整体建筑能耗、水耗和碳排放分析

Autodesk Ecotect Analysis用户能够在subscription维护及服务合约有效期内使用Autodesk ® Green Building Studio ® 基于Web的服务。该Web服务支持建筑师(大多数建筑师没有就这类分析接受过专门培训)更快、更准确地分析整体建筑能耗、水耗和碳排放,轻松评估Revit建筑设计的碳排放。

2)在线能耗分析

Autodesk Green Building Studio Web服务支持建筑师及其他用户在各自设计环境中直接通过互联网对Revit建筑设计进行更加快速的分析。这有助于优化整个分析流程,并且使建筑师更及时地获得与各项设计方案有关的反馈,进而提高绿色设计的能效和成本效率。

根据建筑物的大小、类型和位置(这些因素均会影响水电成本),该Web服务使用地区建筑标准和规范作出智能的假设,以此确定适当的材质、结构、系统和设备等默认属性。利用简单的下拉菜单,建筑师能够快速改变所有这些设置,以此定义具体的设计属性;不同的建筑朝向、 K 值更低的玻璃窗或四管制风机盘管的HVAC系统。该服务采用精确的每小时天气数据以及历史雨水数据,这些数据能够精确到特定建筑周围 9 英里(1 英里≈1.609 千米)的范围内。

3)分析结果

该服务在几分钟内便可计算出建筑的碳排放,并且支持用户在Web浏览器中查看输出结果,其中包括估算能耗和成本概述以及建筑的潜在碳中性。用户可以更新这些服务所用的设置并重新进行分析,或在Revit系列软件中修改建筑模型后重新进行分析,以此评估各项设计方案。输出结果还可概述水耗和成本以及电力和燃料成本;计算“能源之星”评分;评估可能的太阳能和风能;计算LEED采光评分以及评估可能的自然通风情况。与大多数分析结果不同,Autodesk Green Building Studio报表更加简洁易懂,建筑师及其他用户可以充分利用其中的信息制定更加绿色的设计决策。

4)使用环境因素设计

Autodesk Ecotect Analysis中的桌面工具提供了广泛的功能和仿真特性,能够帮助建筑师和其他用户在早期设计阶段了解环境因素对于建筑运营和性能的影响。

作为一款环境分析工具,Autodesk Ecotect Analysis专门面向建筑师和建筑设计流程,支持设计师在概念设计流程早期对建筑项目的性能进行仿真。 Autodesk Ecotect Analysis具有广泛的分析功能,其中包括阴影、遮蔽、阳光、采光、供暖、通风和声音效果,并且能够以高度可视化的方式,交互地在建筑模型环境中直接显示分析结果。可视化效果使该软件能够更加高效地解读复杂的概念和广泛的数据集,帮助设计师快速处理多方面的性能问题,同时方便用户轻松高效地“塑造”和修改设计,减少建筑对环境的影响。

Revit设计模型支持以gbXML格式导出,而且能够直接导入Autodesk Ecotect Analysis,用以在整个设计流程中进行仿真和分析。在设计流程初期,设计师可结合使用早期Autodesk Revit Architecture实体模型以及Autodesk Ecotect Analysis中的地址分析功能,根据基本环境因素(如光照、遮蔽、阳光入射和视觉影响),决定建筑的最佳地点、外形和朝向。随着概念设计工作的持续进行,设计师可通过集成的Autodesk Green Building Studio对整个建筑的能耗、水耗和碳排放进行分析,使能耗符合标准并获知推荐的潜在节能区域。当这些基本设计参数确定后,设计师可根据环境因素,再次使用Autodesk Ecotect Analysis重新安排房间和区域,调整单个孔径的尺寸和外形,设计定制的遮蔽装置或选择特定的材质。 Autodesk Ecotect Analysis还可用于详细的设计分析。

5)可视化效果

以可视化和交互的方式显示分析结果是该软件的一项特色功能。传统建筑性能分析软件最大的缺陷是无法帮助设计师轻松解读分析结果。 Autodesk Ecotect Analysis能够通过基于文本的报表和可视化视图为设计师提供实用的反馈信息。这类可视化视图并不只是图表和图形,分析结果将直接在模型视图环境中显示出来——阴影动画由投影分析功能生成;入射阳光等曲面映射信息;房间内的采光或热适度分配等空间体积渲染信息。

这类可视化反馈信息能够帮助设计师更轻松地实时了解和交互使用分析数据。例如,设计师可以旋转曲面映射日光照射视图,查找其中各个表面的光照变化,或观看连续的阳光照射动画,以此了解阳光与专用导光板之间的交互效果;设计师可以旋转曲面映射日光照射视图,查找其中各个表面的光照变化,或观看连续的阳光照射动画,以此了解阳光与专用导光板在一年中不同时间的交互效果。

借助Autodesk Ecotect Analysis,建筑师能够查看建筑模型环境中的分析结果,例如,日光照射分析的曲面映射结果;Autodesk Ecotect Analysis软件还能够通过空间体积渲染图显示分析结果,如图 2.17 所示的即为城市建筑可视度影响分析。

图2.17 城市建筑可视度影响分析

6)实时建筑性能分析

在早期的概念设计流程中,Autodesk Ecotect Analysis和Autodesk Revit Architecture可用于进行多种分析。例如,设计师可以进行遮蔽、日光入射和气流分析,以此反复设计外形和朝向,在不影响邻近建筑采光权的情况下最大化本建筑的性能。随着设计工作的进展以及定义建筑导热区域所用元素(墙体、窗体、天花板、地板和室内隔断墙的布局)的确定,Revit模型可用于房间相关的计算,例如平均采光参数,回响时间以及能够直接看到外部景色的楼层面积。

Revit模型还能支持设计师在遮蔽、光照和声效等方面进行更细致的分析。例如,设计师可以结合使用Autodesk Ecotect Analysis以及Autodesk Revit Architecture创建的遮板设计模型,对建筑设计在全年不同环境中的性能进行仿真。建筑师还能使用Autodesk Ecotect Analysis评估Revit设计的声适度,然后调节声源的位置、室内墙体布局或声音反射器的几何图形,以此实现最佳的声适度。

2.5.3 基于BIM技术的建筑节能设计

利用BIM技术,建筑师在设计过程中创建的虚拟建筑模型已经包含了大量设计信息,包括几何信息、材料性能、构件属性等,只要将模型导入相关的能量分析软件,就可以得到相应的能量分析结果。原本需要专业人士花费大量时间输入大量专业数据,如今利用先进的计算机技术就可以自动完成,建筑师不需要额外花费精力。

在建筑设计的方案阶段,能充分利用建筑信息模型和能量分析工具,简化能量分析的操作过程,是建筑师进行绿色建筑设计迫切需要解决的问题。目前,美国的GBS(Green Building Studio)可以满足建筑师的这一需求。 GBS直接从BIM软件中导入建筑模型,利用其中包含的大量建筑信息来建立一个准确的热模型,并将其转换成XML格式(gbXML是一种开放的XML格式,已被HVAC软件业界迅速接受,成为其数据交换标准),并根据当地建筑标准和法规,对不同的建筑空间类型进行智能化的假定。最后结合当地典型的气候数据,采用DOE2.2 模拟引擎进行逐时模拟。每年能量消耗、费用以及一系列建筑供暖制冷负荷、系统(如照明、HVAC、空间供暖的主要电力和天然气的能源使用)数据都能立刻展现出来。而整个过程中,建筑师只需在GBS中手动地输入建筑类型和地理位置即可。 GBS还能输出gbXMl、3D VRML、DOE-2.2 等文件格式,可以利用其他工具如Trane的Trace-700,或eQuest、Energy Plus等对建筑能效进行进一步的分析。

在建筑设计基本完成之后,需要对建筑物的能效性能进行准确的计算、分析与模拟。在这方面,美国的Energy Plus软件是其中的佼佼者。 Energy Plus是一个建筑全能耗分析软件(whole building energy analysist 001),是一个独立的没有图形界面的模拟软件,包含上百个子程序,可以模拟整个建筑的热性能和能量流、计算暖通空调设备负荷等,并可以对整个建筑的能量消耗进行分析。

在CAD的 2D建筑设计环境下,运行Energy Plus进行精确模拟需要专业人士花费大量时间手工输入一系列大量的数据集,包括几何信息、构造、场地、气候、建筑用途以及HVAC的描述数据等。然而在BIM环境中,建筑师在设计过程中创建的建筑信息模型可以方便地同第三方设备结合,从而将BIM中的IFC文件格式转化成Energy Plus的数据格式。另外,通过GBS的gbXML也可以获得Energy Plus的IDF格式。

BIM与Energy Plus结合的一个典型实例是位于纽约“9·11”遗址上的自由塔( Freedom Tower)。在自由塔的能效计算中,美国能源部主管的加州大学“劳伦斯·伯克利国家实验室”(LBNL)充分利用了Archi-CAD创建的虚拟建筑模型和Energy Plus这个能量分析软件。自由塔设计的一大特点是精致的褶皱状外表皮。 LBNL利用Archi-CAD软件将这个高而扭曲的建筑物的中间(办公区)部分建模,将外表几何形状非常复杂的模型导入了Energy Plus,模拟了选择不同外表皮时的建筑性能,并且运用Energy Plus来确定最佳的日照设计和整个建筑物的能量性能,最后建筑师根据模拟结果来选择最优化的设计方案。

除以上软件以外,芬兰的Riuska软件等,都可以直接导入BIM模型,方便快捷地得到能量分析结果。

BIM的广泛应用,推动了设计方法的革命,其变化主要体现在以下几个方面:①从二维(以下简称“2D”)设计转向三维(以下简称“3D”)设计;②从线条绘图转向构件布置;③从单纯几何表现转向全信息模型集成;④从各工种单独完成项目转向各工种协同完成项目;⑤从离散的分步设计转向基于同一模型的全过程整体设计;⑥从单一设计交付转向建筑全生命周期支持。 BIM技术与协同设计技术将成为互相依赖、密不可分的整体。 BIM带来的不仅是技术,也将是新的工作流程及新的行业惯例。 Tbe2D410yQlXpggU5pNey8LEAVzidRZ1SvEvqNQYw0nJhDXL9/5oevKspp8xMRXH

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