陳璐

【引言】：當今社會(huì )能源緊缺，伴隨建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，自然資源領(lǐng)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(chuàng )造節能建筑甚至是產(chǎn)能建筑，以及以何種技術(shù)手段充分實(shí)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(chǎn)生了被動(dòng)式建筑。但是當今建筑的復雜程度，遠遠超過(guò)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(jìn)行模擬，從而達到建筑設計施工一體化，建造出科學(xué)、嚴謹、節能高效、完成度高的被動(dòng)式建筑。

1、被動(dòng)式建筑

1.1 被動(dòng)式建筑的概念

被動(dòng)式建筑，是基于被動(dòng)式設計而建造的節能建筑物?！氨粍?dòng)式建筑”無(wú)需安裝“主動(dòng)”的制熱和冷卻系統（比如：鍋爐、地熱蒸汽泵、空調等）。被動(dòng)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(huán)保。

被動(dòng)式建筑的概念最早源于瑞典隆德大學(xué)的Bo Adamson教授和德國被動(dòng)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(dòng)式建筑，并于1996年成立了被動(dòng)式建筑研究所（PASSIVE HOUSE INSTITUTE，簡(jiǎn)稱(chēng)PHI ）。在20年后的今天，PHI已經(jīng)形成一整套成熟的技術(shù)及認證標準，并已成為國際最權威的被動(dòng)式建筑研究機構。

目前被動(dòng)式建筑最重要的五要素是：保溫、氣密性、外窗、熱橋、新風(fēng)系統。

1.2 被動(dòng)式建筑的發(fā)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(jìn)一步修改建筑節能條例（EnEV），共經(jīng)歷了六個(gè)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(guò)去20年里，通過(guò)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(gè)等級，分別為A++，A+，A到G，其中A+相當于被動(dòng)房的標準，采暖需求≤15 kWh/(m2a), A++是最優(yōu)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(lèi)，一是有機械通風(fēng)的建筑，一類(lèi)是不含機械通風(fēng)的建筑。被動(dòng)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(kāi)始，經(jīng)歷了“四步節能”過(guò)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(jīng)開(kāi)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(mǎn)足強制節能標準的基礎上，對能耗控制有創(chuàng )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(dòng)式建筑的標準體系，認證制度并沒(méi)有真正建立起來(lái)。對于室內環(huán)境，能耗限值沒(méi)有相應規定。國家還沒(méi)有針對超低能耗建筑的補貼和激勵政策，更關(guān)鍵的是缺乏實(shí)現超低能耗建筑的技術(shù)手段和產(chǎn)品，相關(guān)產(chǎn)業(yè)和施工工藝比較滯后。

1.3 被動(dòng)式建筑的標準

被動(dòng)式建筑最初指德國PASSIVE HOUSE INSTITUTE認證的建筑，因而執行德國被動(dòng)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(huì )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(dòng)式建筑，政府或某些機構會(huì )制定具有中國特色的被動(dòng)式建筑能耗標準，從而獲得類(lèi)似的認證或獲得相關(guān)機構的技術(shù)指導，如秦皇島“在水一方”項目等。

1.4 被動(dòng)式建筑的一體化設計

在被動(dòng)式設計中，需要多種手法一體化結合加以實(shí)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(dòng)式建筑：

概念設計階段：對建設場(chǎng)地、朝向、風(fēng)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(mén)窗方案、熱橋節點(diǎn)控制，對新風(fēng)方案、節能方案的控制；

施工圖設計階段：根據計算確定節點(diǎn)選擇適用的材料，各專(zhuān)業(yè)細部協(xié)調，以及概預算和對增量成本的控制；

施工階段：質(zhì)量全過(guò)程監控，相關(guān)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(dòng)式建筑的設計復雜性和施工精確性，以及兩者相互協(xié)調的統一性，建筑市場(chǎng)需要一款專(zhuān)業(yè)性強，各專(zhuān)業(yè)協(xié)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(jiǎn)稱(chēng)，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(gè)建筑項目整個(gè)生命周期內的所有信息整合到一個(gè)單獨的建筑模型中。運用BIM 技術(shù)，建筑師在設計過(guò)程中創(chuàng )建的虛擬建筑模型已經(jīng)包含了大量設計信息，只要將模型導入相關(guān)的分析軟件，就可以得到相應的分析結果。通過(guò)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(guān)、準確的建筑性能反饋信息，幫助建筑師及時(shí)對方案做出分析和調整。

2.2BIM的發(fā)展

1975年，“BIM之父”——喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授創(chuàng )建了BIM理念至今，BIM技術(shù)的研究經(jīng)歷了三大階段：萌芽階段、產(chǎn)生階段和發(fā)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(yè)需要考慮提高行業(yè)效益的問(wèn)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(shí)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?xún)Υ?D、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(jìn)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(yè)建筑信息模型軟件公司已經(jīng)采用了這個(gè)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(huì )（Facilit IES Information Council）給出了一個(gè)定義：建筑信息模型（BIM）是利用開(kāi)放的行業(yè)標準，對設施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目生命周期信息進(jìn)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(shí)現項目的價(jià)值。

2.3BIM一體化設計

基于BIM技術(shù)可進(jìn)行從設計到施工再到運營(yíng)貫穿了工程項目的全生命周期的一體化管理。BIM的技術(shù)核心是一個(gè)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(guò)程信息。

由此發(fā)現，BIM軟件表達直觀(guān)，符合被動(dòng)式建筑的設計過(guò)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(dòng)式建筑不二的輔助技術(shù)。

3、BIM技術(shù)在被動(dòng)式建筑設計中的運用

3.1 可視化設計

對于建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)，可視化的真正運用在建筑業(yè)的作用是各個(gè)構件的信息在圖紙上并不僅僅采用線(xiàn)條繪制表達。被動(dòng)式建筑的各構造節點(diǎn)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(xiàn)條式的構件形成一種三維的立體實(shí)物圖形展示在人們的面前，得到一種能夠同建筑場(chǎng)地、構件之間形成互動(dòng)性和反饋性的可視，并自動(dòng)計算和準確記錄三維立體設計的所有信息。這就意味著(zhù)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(jìn)行考慮。

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

3.2 專(zhuān)業(yè)協(xié)調性

被動(dòng)式建筑在方案設計階段，各專(zhuān)業(yè)協(xié)調性復雜，建筑信息從建筑專(zhuān)業(yè)傳遞到結構、暖通等專(zhuān)業(yè)，相互之間信息變化大，從而要求各專(zhuān)業(yè)間信息的同步進(jìn)行和可持續性的多方面協(xié)調。

以新風(fēng)系統設計步驟為例，最初暖通專(zhuān)業(yè)對新風(fēng)系統提出要求、隔聲措施、確定輔助熱源方案，到建筑專(zhuān)業(yè)確定新風(fēng)機房位置，送回風(fēng)管線(xiàn)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(fēng)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(fēng)機組，并返回建筑新風(fēng)機組的安裝條件等一系列步驟，均可通過(guò)BIM，將建筑信息從建筑專(zhuān)業(yè)傳遞到結構、暖通專(zhuān)業(yè)，進(jìn)而無(wú)縫連接到施工、管理乃至建筑使用后的物業(yè)管理。這一系列的過(guò)程，建筑信息被不斷完善，最終使建筑的可持續有了科學(xué)的判斷依據和管理手段。

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

現階段市場(chǎng)中，常見(jiàn)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(chǎng)地與建筑的模擬

被動(dòng)式建筑除了復雜的構造節點(diǎn)以及新風(fēng)系統，還應用自然界的陽(yáng)光、風(fēng)力、溫濕度等要素，以規劃、設計、環(huán)境配置的建筑手法來(lái)改善和創(chuàng )造舒適的室內外環(huán)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(jìn)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(fēng)環(huán)境分析（利用BIM模型，通過(guò)IFC數據導入CFD軟件中分析外環(huán)境氣流流場(chǎng)）、日照采光分析（運用Virtual Environment軟件進(jìn)行初期的日照和陰影遮擋等模擬）、遮陽(yáng)分析（用Ecotect軟件對太陽(yáng)輻射做出統計來(lái)降低空調的能耗）。除此之外，BIM還可以對設計上需要進(jìn)行模擬的一些東西進(jìn)行模擬實(shí)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(jìn)行4D模擬（三維模型加項目的發(fā)展時(shí)間），也就是根據施工的組織設計模擬實(shí)際施工，從而來(lái)確定合理的施工方案來(lái)指導施工。同時(shí)還可以進(jìn)行5D模擬（基于3D模型的造價(jià)控制），從而來(lái)實(shí)現成本控制。

3.4設計的優(yōu)化

被動(dòng)式建筑本身的節能構造節點(diǎn)相對于傳統建筑而言更加細致和完善，在設計過(guò)程中也加以?xún)?yōu)化；而B(niǎo)IM技術(shù)同樣也起到優(yōu)化設計的作用?！皟?yōu)化”受三樣東西的制約：信息、復雜程度和時(shí)間。沒(méi)有準確的信息做不出合理的優(yōu)化結果，BIM模型提供了建筑物的實(shí)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(shí)際存在。

在BIM模擬與碰撞檢查后，可以?xún)?yōu)化被動(dòng)式建筑一些特殊的構造節點(diǎn)。這些內容看起來(lái)占整個(gè)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(wèn)題比較多的地方，對這些內容的設計施工方案進(jìn)行優(yōu)化，可以帶來(lái)顯著(zhù)的工期和造價(jià)改進(jìn)。在造價(jià)方面，被動(dòng)式建筑本身屬于前期有較多的增量成本，而后期運營(yíng)過(guò)程中節能高效，從而節約運營(yíng)成本和后期能源成本。而B(niǎo)IM技術(shù)可以把項目設計和投資回報分析結合起來(lái)，設計變化對投資回報的影響可以實(shí)時(shí)計算出來(lái)，這樣業(yè)主對設計方案的選擇就不會(huì )主要停留在對形狀的評價(jià)上，而更多的可以使得業(yè)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(jià)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(jià)管理軟件的代表。

3.5設計施工運營(yíng)一體化

基于BIM技術(shù)可進(jìn)行從設計到施工再到運營(yíng)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(dòng)式建筑的復雜性和某些特殊材料施工的工序，對施工進(jìn)行模擬和計算以便制定施工進(jìn)度和施工順序；針對于被動(dòng)式建筑某些特殊構造節點(diǎn)的復雜性，某些BIM軟件可將現場(chǎng)施工圖片和進(jìn)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(chǎng)中，美國運營(yíng)管理軟件ArchiBUS是最有市場(chǎng)影響的軟件之一。

結語(yǔ)：

BIM建筑信息模型的建立，是建筑領(lǐng)域的一次革命。此技術(shù)不但可以極大提高建筑設計行業(yè)的整體效率，而且還可以在建筑全生命周期內，優(yōu)化設計、保證建筑設計質(zhì)量，從而實(shí)現被動(dòng)式建筑的設計、可持續設計方面的優(yōu)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(shù)在我國的建筑運用乃至被動(dòng)式建筑的運用上還有很多不足，但隨著(zhù)整體建筑行業(yè)的進(jìn)步和計算機技術(shù)覆蓋全行業(yè)的大趨勢，BIM 技術(shù)在被動(dòng)式建筑設計中的應用會(huì )是未來(lái)建筑行業(yè)的最大發(fā)展趨勢之一。

參考文獻

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

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

3、《基于BIM技術(shù)的被動(dòng)式建筑設計探討》，李慧敏，楊磊，王健男編著(zhù)，2013。

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

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