陈璐

【引言】：当今社会能源紧缺，伴随建筑业的迅猛发展，自然资源领域消耗巨大，不可再生能源、淡水、天然材料、可耕地等正走向枯竭，温室气体的排放量也大幅增加。而如何创造节能建筑甚至是产能建筑，以及以何种技术手段充分实现建筑与节能的一体化设计，成为当今建筑课题的重中之重。众所周知，建筑师从设计初期就选择正确的节能标准和节能措施，才能真正设计出节能的建筑，这就产生了被动式建筑。但是当今建筑的复杂程度，远远超过二维图纸的表达，因此在条件复杂，不确定性存在的情况下，必须借助软件进行模拟，从而达到建筑设计施工一体化，建造出科学、严谨、节能高效、完成度高的被动式建筑。

1、被动式建筑

1.1 被动式建筑的概念

被动式建筑，是基于被动式设计而建造的节能建筑物。“被动式建筑”无需安装“主动”的制热和冷却系统（比如：锅炉、地热蒸汽泵、空调等）。被动式建筑可以用非常小的能耗将室内调节到合适的温度，非常环保。

被动式建筑的概念最早源于瑞典隆德大学的Bo Adamson教授和德国被动式建筑研究所（Passivhaus Institut）的Wolfgang Feist博士在1988年5月的一次讨论，之后Feist博士一直致力于建筑节能的研究，在1991年建造了世界上第一所被动式建筑，并于1996年成立了被动式建筑研究所（PASSIVE HOUSE INSTITUTE，简称PHI ）。在20年后的今天，PHI已经形成一整套成熟的技术及认证标准，并已成为国际最权威的被动式建筑研究机构。

目前被动式建筑最重要的五要素是：保温、气密性、外窗、热桥、新风系统。

1.2 被动式建筑的发展

在德国，建筑能耗占德国能耗总量的40%左右。德国从1977年颁布第一部保温法规到2012年进一步修改建筑节能条例（EnEV），共经历了六个节能阶段，建筑采暖能耗已由最初的220kWh/(m2a)下降到2014年30kWh/(m2a)的水平。在过去20年里，通过一系列措施，德国新建建筑单位居住面积的采暖能耗降低了40%左右，在此基础上，到2020年和2050年，采暖能耗应分别再次降低20%和80%。

在奥地利，2008年奥地利建立了建筑能效认证制度，它根据建筑采暖需求将建筑划分为几个等级，分别为A++，A+，A到G，其中A+相当于被动房的标准，采暖需求≤15 kWh/(m2a), A++是最优等级，即采暖能耗和总能耗最低。低能耗建筑中居住建筑的能耗标准被划分为两类，一是有机械通风的建筑，一类是不含机械通风的建筑。被动房的指标等同于德国的指标体系。

在我国，居住建筑从第一部建筑节能标准开始，经历了“四步节能”过程。新建供暖居住建筑在1980年至1981年住宅通用设计能耗的基础上，于1986年，1995年和2005年分别将建筑节能标准提高了30%，50%和65%。目前国内部分地区（如北京、天津、新疆、浙江）居住建筑方面已经开始执行节能75%的标准。住房和城乡建设部每年评审全国范围低能耗建筑示范项目，其规定是必须满足强制节能标准的基础上，对能耗控制有创新突破，比当地现行节能设计标准的设计节能率再降低5%以上，但低能耗建筑和被动式建筑的标准体系，认证制度并没有真正建立起来。对于室内环境，能耗限值没有相应规定。国家还没有针对超低能耗建筑的补贴和激励政策，更关键的是缺乏实现超低能耗建筑的技术手段和产品，相关产业和施工工艺比较滞后。

1.3 被动式建筑的标准

被动式建筑最初指德国PASSIVE HOUSE INSTITUTE认证的建筑，因而执行德国被动式建筑能耗标准，即：

热负荷：Pmax,heat≤Psupply air,max（所有气候）；

年均空间采暖需求：Qmax,heat≤15kWh/(m2·a)（取决于气候）；

年均空间制冷需求 Qmax,cool≤15kWh/(m2·a)（取决于气候）；

气密性：n50≤0.6h-1（所有气候）；

年均一次能源需求：Emax,prim≤120kWh/(m2·a)（所有气候）；

超温频率：tmax,θ＞25℃≤10% tuse （所有气候）。

目前中国按照此标准已建成的项目有上海2012世博会的汉堡馆，河北新华幕墙公司办公楼等。

而根据中国现有国情，为大力推广被动式建筑，政府或某些机构会制定具有中国特色的被动式建筑能耗标准，从而获得类似的认证或获得相关机构的技术指导，如秦皇岛“在水一方”项目等。

1.4 被动式建筑的一体化设计

在被动式设计中，需要多种手法一体化结合加以实现，并在各阶段把控细节与完成度，才能建造出达到标准的被动式建筑：

概念设计阶段：对建设场地、朝向、风力、温湿度、建筑空间、体型、能源供应的规划和控制；

方案设计阶段：对保温气密门窗方案、热桥节点控制，对新风方案、节能方案的控制；

施工图设计阶段：根据计算确定节点选择适用的材料，各专业细部协调，以及概预算和对增量成本的控制；

施工阶段：质量全过程监控，相关人员培训，监理人员对施工细节的把控，分包商的选择，样板施工示范，以及对建筑成品保护。

针对被动式建筑的设计复杂性和施工精确性，以及两者相互协调的统一性，建筑市场需要一款专业性强，各专业协调性良好，效率高的辅助工具。于是BIM这一新生代工具成为了建筑师最好的选择。

2、建筑信息模型（BIM）

2.1 BIM的概念

BIM 是“建筑信息模型”的简称，该信息模型综合了所有的几何模型信息、功能要求和构件性能，将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到一个单独的建筑模型中。运用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，只要将模型导入相关的分析软件，就可以得到相应的分析结果。通过相应的BIM 应用软件，在方案设计的初期阶段就能够方便快捷地得到直观、准确的建筑性能反馈信息，帮助建筑师及时对方案做出分析和调整。

2.2BIM的发展

1975年，“BIM之父”——乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授创建了BIM理念至今，BIM技术的研究经历了三大阶段：萌芽阶段、产生阶段和发展阶段。BIM理念的启蒙，受到了1973年全球石油危机的影响，美国全行业需要考虑提高行业效益的问题，1975年“BIM之父”Eastman教授在其研究的课题“Building Description System”中提出“a computer-based description of-a building”，以便于实现建筑工程的可视化和量化分析，提高工程建设效率。

IAI组织（the International Alliance forInteroperability）在1997制定了IFC标准（the Industry Foundation Classes）。IFC标准可以储存2D、3D建模的CAD绘图信息，还能容纳3D中各对象的各项属性及信息（如某根梁对象的钢筋用料、表面处理、设计规范、成本信息等）。4Bentley Systems在2000年制定了Green Building XML（gbXML）标准。这一标准促进了存储在CAD建筑模型的信息转换成建筑信息，使各种建筑信息模型间传递模型信息，特别是建筑设计模型和性能化分析模拟软件间有了良好的接口。到目前Autodesk、Bentley等主要商业建筑信息模型软件公司已经采用了这个标准。

根据已有的BIM应用软件及其特征，国际标准组织设施信息委员会（Facilit IES Information Council）给出了一个定义：建筑信息模型（BIM）是利用开放的行业标准，对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息进行数字化形式的表现，从而为项目决策提供支持，有利于更好地实现项目的价值。

2.3BIM一体化设计

基于BIM技术可进行从设计到施工再到运营贯穿了工程项目的全生命周期的一体化管理。BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息。

由此发现，BIM软件表达直观，符合被动式建筑的设计过程，且建筑信息容量大，二维信息与三维甚至四维信息转换自如，成为被动式建筑不二的辅助技术。

3、BIM技术在被动式建筑设计中的运用

3.1 可视化设计

对于建筑行业来说，可视化的真正运用在建筑业的作用是各个构件的信息在图纸上并不仅仅采用线条绘制表达。被动式建筑的各构造节点复杂多样，因此BIM提供了可视化的思路，让建筑师将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前，得到一种能够同建筑场地、构件之间形成互动性和反馈性的可视，并自动计算和准确记录三维立体设计的所有信息。这就意味着建筑师可以在初期阶段准确地把握面积和体量，并可以从很多视角审视设想中的建筑方案，而不仅是从审美方面进行考虑。

现阶段市场中，BIM可视化软件常用的包括Revit、3DS Max、Artlantis、AccuRender和Lightscape等。

3.2 专业协调性

被动式建筑在方案设计阶段，各专业协调性复杂，建筑信息从建筑专业传递到结构、暖通等专业，相互之间信息变化大，从而要求各专业间信息的同步进行和可持续性的多方面协调。

以新风系统设计步骤为例，最初暖通专业对新风系统提出要求、隔声措施、确定辅助热源方案，到建筑专业确定新风机房位置，送回风管线路由，再到设备机房和安装空间的要求，以及隔声、管道走向，确定额定体积流量和风量，和热负荷计算、设计管道尺寸、保温、导流槽等，最终到甲方选择新风机组，并返回建筑新风机组的安装条件等一系列步骤，均可通过BIM，将建筑信息从建筑专业传递到结构、暖通专业，进而无缝连接到施工、管理乃至建筑使用后的物业管理。这一系列的过程，建筑信息被不断完善，最终使建筑的可持续有了科学的判断依据和管理手段。

当然BIM的协调作用不仅仅是解决被动式建筑的设备与建筑之间的协调，还可以解决各专业间的碰撞问题，例如：电梯井布置与其他设计布置及净空要求之协调，防火分区与其他设计布置之协调，地下排水布置与其他设计布置之协调等。

现阶段市场中，常见的BIM模型综合碰撞检查软件有鲁班软件、Autodesk Navisworks、Bentley Projectwise Navigator和Solibri Model Checker等。

3.3 场地与建筑的模拟

被动式建筑除了复杂的构造节点以及新风系统，还应用自然界的阳光、风力、温湿度等要素，以规划、设计、环境配置的建筑手法来改善和创造舒适的室内外环境，尽量不消耗常规的能源。BIM还可以帮助设计师针对每一特定要素进行分析，包括：气候特征分析（利用BIM绘制出逐日的气象参数数据及焓湿图）、风环境分析（利用BIM模型，通过IFC数据导入CFD软件中分析外环境气流流场）、日照采光分析（运用Virtual Environment软件进行初期的日照和阴影遮挡等模拟）、遮阳分析（用Ecotect软件对太阳辐射做出统计来降低空调的能耗）。除此之外，BIM还可以对设计上需要进行模拟的一些东西进行模拟实验，例如：节能模拟、紧急疏散模拟、热能传导模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加项目的发展时间），也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟（基于3D模型的造价控制），从而来实现成本控制。

3.4设计的优化

被动式建筑本身的节能构造节点相对于传统建筑而言更加细致和完善，在设计过程中也加以优化；而BIM技术同样也起到优化设计的作用。“优化”受三样东西的制约：信息、复杂程度和时间。没有准确的信息做不出合理的优化结果，BIM模型提供了建筑物的实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的实际存在。

在BIM模拟与碰撞检查后，可以优化被动式建筑一些特殊的构造节点。这些内容看起来占整个建筑的比例不大，但是占投资和工作量的比例和前者相比却往往要大得多，而且通常也是施工难度比较大和施工问题比较多的地方，对这些内容的设计施工方案进行优化，可以带来显著的工期和造价改进。在造价方面，被动式建筑本身属于前期有较多的增量成本，而后期运营过程中节能高效，从而节约运营成本和后期能源成本。而BIM技术可以把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来，这样业主对设计方案的选择就不会主要停留在对形状的评价上，而更多的可以使得业主知道哪种项目设计方案更有利于自身的需求。

目前主要的BIM方案软件有Onuma Planning System和Affinity等。BIM造价管理在国外运用较多的有Innovaya和Solibri，而鲁班软件是国内BIM造价管理软件的代表。

3.5设计施工运营一体化

基于BIM技术可进行从设计到施工再到运营贯穿了工程项目的全生命周期的一体化管理。例如：针对于被动式建筑的复杂性和某些特殊材料施工的工序，对施工进行模拟和计算以便制定施工进度和施工顺序；针对于被动式建筑某些特殊构造节点的复杂性，某些BIM软件可将现场施工图片和进度上传至管理平台，方便建筑师及监理人员对于施工细节和完成度的把控等。

现阶段市场中，美国运营管理软件ArchiBUS是最有市场影响的软件之一。

结语：

BIM建筑信息模型的建立，是建筑领域的一次革命。此技术不但可以极大提高建筑设计行业的整体效率，而且还可以在建筑全生命周期内，优化设计、保证建筑设计质量，从而实现被动式建筑的设计、可持续设计方面的优势，为建筑设计的“绿色探索”注入高科技力量。虽然在现阶段，BIM 技术在我国的建筑运用乃至被动式建筑的运用上还有很多不足，但随着整体建筑行业的进步和计算机技术覆盖全行业的大趋势，BIM 技术在被动式建筑设计中的应用会是未来建筑行业的最大发展趋势之一。

参考文献

1、清华大学建筑节能研究中心，中国建筑节能年度发展研究报告2008[M]. 北京：中国建筑工业出版社。

2、《基于BIM技术的建筑可持续性设计应用研究》，罗智星，谢栋编著，2010。

3、《基于BIM技术的被动式建筑设计探讨》，李慧敏，杨磊，王健男编著，2013。

4、云鹏，ECOTECT 建筑环境设计教程[M]，北京:中国建筑工业出版社，2007。

5、赵昂，BIM技术在计算机辅助建筑设计中的应用初探[D]，重庆:重庆大学硕士论文