基于BIM的绿色建筑设计探析

关键词：三维建模; 绿色建筑; 重审设计;

在建设行业中, 推进建筑节能、减排, 发展绿色低碳节能建筑是实施我国能源和资源发展战略的重要举措。绿色建筑设计理念包括:节约资源、回归自然、营造舒适健康的生活环境。

绿色建筑要求设计师跨学科综合性全过程设计, BIM技术顺应了这个要求。通过本工程建筑信息模型模拟在真实环境中的建筑朝向、温湿度、日照、遮阳、太阳辐射, 全年的能量消耗及建筑环境噪声、风场等影响, 保证从方案阶段开始, 就始终将环保、绿色、低碳、节能的概念贯穿设计全过程。

福建古田山庄建设地点位于福建龙岩市, 工程规模总建筑面积约1.69万m2。其中地上建筑面积1.25万m2, 建筑群分为A、B、C这3个功能区。

 项目所处丘陵地带环境, 地形高低起伏, 建筑依山傍水。建筑群的布局、外观、功能、适宜性、舒适度、节能环保等要求极高, 这些都对各专业的设计提出很高的要求  。

 2.1 建筑与自然交融、与环境对话

体现以人为本的人文理念, 以方便实用为原则, 提供良好的环境和设施, 塑造一个生态景观型、智能环保型的现代化建筑。

 2.2 总体构思和布局与自然环境地形相衔接

利用场地高差的特点, 与周边相互渗透, 合理地安排各种功能入口, 有效解决人车分流, 减少对自然环境的破坏。

 2.3 多层次化的景观设计

 采用充满自然气息的地方材料, 通过的步行系统连接各个功能空间与内部庭院, 利用屋顶空间, 创造出立体全方位, 多层次的空间景观效果。

2.4 单体建筑设计融入自然景观

建筑群造型简沽、大方、稳重。强调横向延伸, 使建筑景观面最大化, 增加绿视率。采用天然石材与玻璃的虚实对比的外墙增加大楼的庄重严肃, 减少二次装修污染。建筑顶部平坡结合, 同时融合屋顶花园, 丰富美化建筑第五立面, 增加生态补偿。

由于本工程为重点项目, 限额设计、工期紧、业主对绿色生态建筑要求高等, 采用BIM技术应用于该项目的“全专业覆盖” (规划、建筑、结构、给排水、暖通、电气、室内装修等) 设计, 需在方案设计的前期通过建筑模型的建立, 分析出建筑周边的环境对建筑的影响, 并以此为依托, 寻求技术措施对此进行舒适度的优化。在设计的过程中, 结合BIM软件技术对仿真建筑模型进行分析与推敲, 反复的对比, 以求达到尽善尽美。

首先应用建立三维建筑信息模型, 包括:建筑、结构、给排水、暖通、电气、室内装修三维建模。然后根据三维设计流程管理完成:单项工作分工→合作→专业精确模型→综合链接模型→碰撞检测→分析修改碰撞点→数据集成→综合模型即建筑数据模型。其模型为生态建筑分析及建筑声环境分析等提供基础条件, 而分析结果又为建筑模型提供相应的指导工作, 相辅相成, 直到施工图出图。

我们进行了7个方面的绿色生态建筑设计分析:建筑基地分析与建筑最佳朝向分析、基地气象分析与逐周气象分析、基地风向分析图与焓湿图分析、冬至日日照分析与等时线日照分析、规划平面方案过程自然采光分析、日照辐射分析与植物配置指导分析、建筑室内、外声环境分析等。这里着重介绍以下几点。

4.1 建筑基地分析与最佳朝向分析

不同地区、不同地势地貌决定了建筑的最佳朝向。方案的设计之初, 虽然使用二维日照辅助软件考虑了建筑各个立面上的全年太阳辐射量的分析对比, 但应用ECOTECT软件, 通过全年太阳辐射, 从直观三维最佳朝向数据图与建筑朝向竖直投影数据图的分析更精确地得出, 建筑群最佳朝向为南偏东25度, 其平面在日照、通风、景观视线上均得到了最好的效果 。

图2 最佳朝向分析过程   

4.2 基地风向优化分析

基地属于亚热带海洋性季风气候, 全年气候温和, 无霜期长, 雨量充沛, 适宜亚热带作物和林木的生长。

从春夏秋冬风频图分析可看出基地的风向9月到1月风向多为北风和西北风, 2月到8月多为东南风。风的平均相对湿度和温度比较适宜, 无过冷过湿的情况出现, 全年基地的风向综合分析 。

图3 基地风向优化分析   

由此针对气象分析及基地冬季西北风的特点, 结合山地土壤状况, 加强了西北角的草坡及绿化种植密度, 起到遮挡冬季寒冷风向的作用, 减弱对建筑环境舒适度影响;东南角则做出铺砖广场, 减少绿化种植密度, 引导夏季凉爽东南风向, 同时结合开窗方向与开窗大小, 利用引入峡谷自然风, 减少空调能耗, 增加室内空气质量。按每天少开一小时空调, 经初步计算基地上部空调能耗至少可节省545 k W电。

结合建筑能耗计算分析及采用被动式太阳能采暖可以精确提取出基地地区全年大部分时间的室内热舒适度分布状态数据。在方案上优化调整了建筑的立面开窗以及暖通的配合, 对夏季空调的使用时间上和冬天采暖的使用时间与设备系统进行了调整, 在充分满足舒适性的基础上, 降低空调耗电量, 节约了工程造价, 同时降低了建筑的运行成本, 使其成为真正意义上的节能绿色建筑。

4.3 日照辐射分析与植物配置优化分析

 日照与人类生存有着密切的关系, 特别是在严寒的冬季, 人们希望获得更多的日照。建筑对日照的要求主要是根据它的使用性能和当地气候情况而定, 但日照会影响许多不同习性的植物成长及场地设计。为此利用Ecotect Analysis的太阳辐射分析, 考察场地中特定时间段的太阳辐射情况 (见图4) 。建筑在日光中受到山体的影响小, 处于最舒适的位置。以此为依据来规划、设计人为活动区域以及设计整个场地的植物配置, 同时考虑到植物对建筑的影响, 例如植物的遮阴作用和降噪作用, 或者利用植物创造良好的室外微气候。

 4.4 采光通风优化分析

从冬至日日照分析, 基地C区楼西边的建筑在15:00-16:30的时间段内窗户采光较弱且被遮挡了。若在侧窗中间设置水平阳光反射板是一种较好解决方案。如何设计出合理的反光板是一个复杂的问题, 但是借助Ecotect Analysis可视化的日照分析功能可以高效地设计出合理的阳光反射板的尺寸与形式, 并仿真模拟采光过程 。

 在方案过程中我们通过计算全自然采光百分比分析了建筑开窗的大小与位置设计是否适当。通过加载当地气象数据进行开窗位置与开窗大小的分析后, 得出了合理的阳光反射板的尺寸与形式并落实在施工图设计中。

4.5 建筑声环境优化分析

由于基地处于国道旁, 在方案设计过程中, 噪音对大楼的影响也是方案过程中重点考虑的。其中嗓音包括6 m道路的车行噪音, 停车场地汽车启动的噪音, 以及一些设备用房的噪音。我们对方案的全过程进行了噪声控制分析, 其结果超过标准限定值, 需要提出降噪方案。首先考虑通过景观界面、水体来减少噪音的影响, 其次利用地形局部山体的处理减少了道路车辆、山林中的噪音对建筑的影响, 形成良好微环境。

根据噪音分布图, 对房间功能重新调整布局得出最佳效果。如将贵宾套房与会议室放在安静的区域, 将健身房设备房安排在相对嘈杂的区域 。多个降噪方案使得所有测点的噪声级别降低从而为补救措施提供科学的依据 

5.1 重新审视规划合理性

结合绿色建筑生态分析各种参数及建筑师设计理念, 通过“三维策划与规划互动软件CITPA-NY”漫游表现, 有效地解决了绿色建筑相关规范在各个专业设计过程中关键问题。有了总体规划控制和具体实施动态依据, 从不同视线观察、解决建筑与周边环境相互对话 (作用) , 与自然交融。同时在项目前期策划和规划方案中, 与绿色建筑辅助设计、太阳能利用、采光通风、室 (下转第18页) (上接第16页) 内外自然通风、声环境分析、日照辐射分析等相结合, 建立多方位的生态技术指标及评估指标, 方便快捷直观准确地将建筑能量性能反馈给设计师  。

5.2 重新审视优化设计、室内装修方案

由于BIM仿真模型能够直观反应建筑的形态和内部的空间结构, 设计师如身临其境通过仿真漫游、任意复杂组合体自动剖面、实时建筑业态净高控制等都可重新评估设计方案合理性并与周边环境协调性。

通过综合模型, 设计师可以更好理解把握室内的空间状态, 从空间的本身的特质进行装饰设计, 而不是生硬把某张图片套进。可将“相机”安放在建筑内部空间中, 从各个视角的变化来真实的感受空间, 这样可以不断地观察建筑内部任意空间, 使高质量的装饰设计成为易事。

运用BIM进行建筑前期综合场地分析, 完全“颠覆”传统主观创作思路。BIM技术能大量处理数据, 如场地的地貌、植被、气候条件、日照、采光通风、交通流量、室内外声环境等, 并给予科学定量分析, 为设计提供依据, 建造出高度舒适的绿色建筑。

BIM技术用可持续设计观点, 重新审视建筑与环境、设施间的关系, 提高建筑的适宜性。三维仿真建筑模型与绿色建筑设计结合, 不仅提升科技含量, 也为绿色建筑设计更加科学、合理创造了条件, 而且是建筑师历史和社会责任。

软件只是建筑设计的辅助工具, 软件的作用就像一把笔, 要绘出五彩缤纷的美丽图案, 决定因素是建筑师的脑和手。

[1]Autodesk, Inc, 柏幕培训.Autodesk Ecotect Analysis绿色建筑分析应用[M].北京:电子工业出版社, 2011.

[2]互联网资料[G].