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陳璐

【引言】：當今社會能源緊缺，伴隨建筑業的迅猛發展，自然資源領域消耗巨大，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。而如何創造節能建筑甚至是產能建筑，以及以何種技術手段充分實現建筑與節能的一體化設計，成為當今建筑課題的重中之重。眾所周知，建筑師從設計初期就選擇正確的節能標準和節能措施，才能真正設計出節能的建筑，這就產生了被動式建筑。但是當今建筑的復雜程度，遠遠超過二維圖紙的表達，因此在條件復雜，不確定性存在的情況下，必須借助軟件進行模擬，從而達到建筑設計施工一體化，建造出科學、嚴謹、節能高效、完成度高的被動式建筑。

1、被動式建筑

1.1 被動式建筑的概念

被動式建筑，是基于被動式設計而建造的節能建筑物。“被動式建筑”無需安裝“主動”的制熱和冷卻系統（比如：鍋爐、地熱蒸汽泵、空調等）。被動式建筑可以用非常小的能耗將室內調節到合適的溫度，非常環保。

被動式建筑的概念最早源于瑞典隆德大學的Bo Adamson教授和德國被動式建筑研究所（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能的研究，在1991年建造了世界上第一所被動式建筑，并于1996年成立了被動式建筑研究所（PASSIVE HOUSE INSTITUTE，簡稱PHI ）。在20年后的今天，PHI已經形成一整套成熟的技術及認證標準，并已成為國際最權威的被動式建筑研究機構。

目前被動式建筑最重要的五要素是：保溫、氣密性、外窗、熱橋、新風系統。

1.2 被動式建筑的發展

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到2012年進一步修改建筑節能條例（EnEV），共經歷了六個節能階段，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，在此基礎上，到2020年和2050年，采暖能耗應分別再次降低20%和80%。

在奧地利，2008年奧地利建立了建筑能效認證制度，它根據建筑采暖需求將建筑劃分為幾個等級，分別為A++，A+，A到G，其中A+相當于被動房的標準，采暖需求≤15 kWh/(m2a), A++是最優等級，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準被劃分為兩類，一是有機械通風的建筑，一類是不含機械通風的建筑。被動房的指標等同于德國的指標體系。

在我國，居住建筑從第一部建筑節能標準開始，經歷了“四步節能”過程。新建供暖居住建筑在1980年至1981年住宅通用設計能耗的基礎上，于1986年，1995年和2005年分別將建筑節能標準提高了30%，50%和65%。目前國內部分地區（如北京、天津、新疆、浙江）居住建筑方面已經開始執行節能75%的標準。住房和城鄉建設部每年評審全國范圍低能耗建筑示范項目，其規定是必須滿足強制節能標準的基礎上，對能耗控制有創新突破，比當地現行節能設計標準的設計節能率再降低5%以上，但低能耗建筑和被動式建筑的標準體系，認證制度并沒有真正建立起來。對于室內環境，能耗限值沒有相應規定。國家還沒有針對超低能耗建筑的補貼和激勵政策，更關鍵的是缺乏實現超低能耗建筑的技術手段和產品，相關產業和施工工藝比較滯后。

1.3 被動式建筑的標準

被動式建筑最初指德國PASSIVE HOUSE INSTITUTE認證的建筑，因而執行德國被動式建筑能耗標準，即：

熱負荷：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）。

目前中國按照此標準已建成的項目有上海2012世博會的漢堡館，河北新華幕墻公司辦公樓等。

而根據中國現有國情，為大力推廣被動式建筑，政府或某些機構會制定具有中國特色的被動式建筑能耗標準，從而獲得類似的認證或獲得相關機構的技術指導，如秦皇島“在水一方”項目等。

1.4 被動式建筑的一體化設計

在被動式設計中，需要多種手法一體化結合加以實現，并在各階段把控細節與完成度，才能建造出達到標準的被動式建筑：

概念設計階段：對建設場地、朝向、風力、溫濕度、建筑空間、體型、能源供應的規劃和控制；

方案設計階段：對保溫氣密門窗方案、熱橋節點控制，對新風方案、節能方案的控制；

施工圖設計階段：根據計算確定節點選擇適用的材料，各專業細部協調，以及概預算和對增量成本的控制；

施工階段：質量全過程監控，相關人員培訓，監理人員對施工細節的把控，分包商的選擇，樣板施工示范，以及對建筑成品保護。

針對被動式建筑的設計復雜性和施工精確性，以及兩者相互協調的統一性，建筑市場需要一款專業性強，各專業協調性良好，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”的簡稱，該信息模型綜合了所有的幾何模型信息、功能要求和構件性能，將一個建筑項目整個生命周期內的所有信息整合到一個單獨的建筑模型中。運用BIM 技術，建筑師在設計過程中創建的虛擬建筑模型已經包含了大量設計信息，只要將模型導入相關的分析軟件，就可以得到相應的分析結果。通過相應的BIM 應用軟件，在方案設計的初期階段就能夠方便快捷地得到直觀、準確的建筑性能反饋信息，幫助建筑師及時對方案做出分析和調整。

2.2BIM的發展

1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授創建了BIM理念至今，BIM技術的研究經歷了三大階段：萌芽階段、產生階段和發展階段。BIM理念的啟蒙，受到了1973年全球石油危機的影響，美國全行業需要考慮提高行業效益的問題，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”，以便于實現建筑工程的可視化和量化分析，提高工程建設效率。

IAI組織（the International Alliance forInteroperability）在1997制定了IFC標準（the Industry Foundation Classes）。IFC標準可以儲存2D、3D建模的CAD繪圖信息，還能容納3D中各對象的各項屬性及信息（如某根梁對象的鋼筋用料、表面處理、設計規范、成本信息等）。4Bentley Systems在2000年制定了Green Building XML（gbXML）標準。這一標準促進了存儲在CAD建筑模型的信息轉換成建筑信息，使各種建筑信息模型間傳遞模型信息，特別是建筑設計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等主要商業建筑信息模型軟件公司已經采用了這個標準。

根據已有的BIM應用軟件及其特征，國際標準組織設施信息委員會（Facilit IES Information Council）給出了一個定義：建筑信息模型（BIM）是利用開放的行業標準，對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命周期信息進行數字化形式的表現，從而為項目決策提供支持，有利于更好地實現項目的價值。

2.3BIM一體化設計

基于BIM技術可進行從設計到施工再到運營貫穿了工程項目的全生命周期的一體化管理。BIM的技術核心是一個由計算機三維模型所形成的數據庫，不僅包含了建筑的設計信息，而且可以容納從設計到建成使用，甚至是使用周期終結的全過程信息。

由此發現，BIM軟件表達直觀，符合被動式建筑的設計過程，且建筑信息容量大，二維信息與三維甚至四維信息轉換自如，成為被動式建筑不二的輔助技術。

3、BIM技術在被動式建筑設計中的運用

3.1 可視化設計

對于建筑行業來說，可視化的真正運用在建筑業的作用是各個構件的信息在圖紙上并不僅僅采用線條繪制表達。被動式建筑的各構造節點復雜多樣，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件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前，得到一種能夠同建筑場地、構件之間形成互動性和反饋性的可視，并自動計算和準確記錄三維立體設計的所有信息。這就意味著建筑師可以在初期階段準確地把握面積和體量，并可以從很多視角審視設想中的建筑方案，而不僅是從審美方面進行考慮。

現階段市場中，BIM可視化軟件常用的包括Revit、3DS Max、Artlantis、AccuRender和Lightscape等。

3.2 專業協調性

被動式建筑在方案設計階段，各專業協調性復雜，建筑信息從建筑專業傳遞到結構、暖通等專業，相互之間信息變化大，從而要求各專業間信息的同步進行和可持續性的多方面協調。

以新風系統設計步驟為例，最初暖通專業對新風系統提出要求、隔聲措施、確定輔助熱源方案，到建筑專業確定新風機房位置，送回風管線路由，再到設備機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量，和熱負荷計算、設計管道尺寸、保溫、導流槽等，最終到甲方選擇新風機組，并返回建筑新風機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傳遞到結構、暖通專業，進而無縫連接到施工、管理乃至建筑使用后的物業管理。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有了科學的判斷依據和管理手段。

當然BIM的協調作用不僅僅是解決被動式建筑的設備與建筑之間的協調，還可以解決各專業間的碰撞問題，例如：電梯井布置與其他設計布置及凈空要求之協調，防火分區與其他設計布置之協調，地下排水布置與其他設計布置之協調等。

現階段市場中，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 場地與建筑的模擬

被動式建筑除了復雜的構造節點以及新風系統，還應用自然界的陽光、風力、溫濕度等要素，以規劃、設計、環境配置的建筑手法來改善和創造舒適的室內外環境，盡量不消耗常規的能源。BIM還可以幫助設計師針對每一特定要素進行分析，包括：氣候特征分析（利用BIM繪制出逐日的氣象參數數據及焓濕圖）、風環境分析（利用BIM模型，通過IFC數據導入CFD軟件中分析外環境氣流流場）、日照采光分析（運用Virtual Environment軟件進行初期的日照和陰影遮擋等模擬）、遮陽分析（用Ecotect軟件對太陽輻射做出統計來降低空調的能耗）。除此之外，BIM還可以對設計上需要進行模擬的一些東西進行模擬實驗，例如：節能模擬、緊急疏散模擬、熱能傳導模擬等；在招投標和施工階段可以進行4D模擬（三維模型加項目的發展時間），也就是根據施工的組織設計模擬實際施工，從而來確定合理的施工方案來指導施工。同時還可以進行5D模擬（基于3D模型的造價控制），從而來實現成本控制。

3.4設計的優化

被動式建筑本身的節能構造節點相對于傳統建筑而言更加細致和完善，在設計過程中也加以優化；而BIM技術同樣也起到優化設計的作用。“優化”受三樣東西的制約：信息、復雜程度和時間。沒有準確的信息做不出合理的優化結果，BIM模型提供了建筑物的實際存在的信息，包括幾何信息、物理信息、規則信息，還提供了建筑物變化以后的實際存在。

在BIM模擬與碰撞檢查后，可以優化被動式建筑一些特殊的構造節點。這些內容看起來占整個建筑的比例不大，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，對這些內容的設計施工方案進行優化，可以帶來顯著的工期和造價改進。在造價方面，被動式建筑本身屬于前期有較多的增量成本，而后期運營過程中節能高效，從而節約運營成本和后期能源成本。而BIM技術可以把項目設計和投資回報分析結合起來，設計變化對投資回報的影響可以實時計算出來，這樣業主對設計方案的選擇就不會主要停留在對形狀的評價上，而更多的可以使得業主知道哪種項目設計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造價管理在國外運用較多的有Innovaya和Solibri，而魯班軟件是國內BIM造價管理軟件的代表。

3.5設計施工運營一體化

基于BIM技術可進行從設計到施工再到運營貫穿了工程項目的全生命周期的一體化管理。例如：針對于被動式建筑的復雜性和某些特殊材料施工的工序，對施工進行模擬和計算以便制定施工進度和施工順序；針對于被動式建筑某些特殊構造節點的復雜性，某些BIM軟件可將現場施工圖片和進度上傳至管理平臺，方便建筑師及監理人員對于施工細節和完成度的把控等。

現階段市場中，美國運營管理軟件ArchiBUS是最有市場影響的軟件之一。

結語：

BIM建筑信息模型的建立，是建筑領域的一次革命。此技術不但可以極大提高建筑設計行業的整體效率，而且還可以在建筑全生命周期內，優化設計、保證建筑設計質量，從而實現被動式建筑的設計、可持續設計方面的優勢，為建筑設計的“綠色探索”注入高科技力量。雖然在現階段，BIM 技術在我國的建筑運用乃至被動式建筑的運用上還有很多不足，但隨著整體建筑行業的進步和計算機技術覆蓋全行業的大趨勢，BIM 技術在被動式建筑設計中的應用會是未來建筑行業的最大發展趨勢之一。

參考文獻

1、清華大學建筑節能研究中心，中國建筑節能年度發展研究報告2008[M]. 北京：中國建筑工業出版社。

2、《基于BIM技術的建筑可持續性設計應用研究》，羅智星，謝棟編著，2010。

3、《基于BIM技術的被動式建筑設計探討》，李慧敏，楊磊，王健男編著，2013。

4、云鵬，ECOTECT 建筑環境設計教程[M]，北京:中國建筑工業出版社，2007。

5、趙昂，BIM技術在計算機輔助建筑設計中的應用初探[D]，重慶:重慶大學碩士論文