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绿色建筑和BIM

绿色建筑

绿色建筑,无论在国内还是海外,早已是炙手可热的词汇。近年来,各种被动节能、低碳、零碳建筑鳞次栉比,绿色建筑的评价标准也层出不穷。无论如何,在讨论继续之前,我们得弄清楚到底什么是绿色建筑。

绿色建筑和BIM

绿色建筑和BIM

(意大利建筑师 Renzo Piano设计的加州科学馆 California Academy of Science )

获取绿色建筑的定义,最容易的方法,到wikipedia获取:

Green Building, also known as green construction or sustainable building, is the practice of creating structures and using processes that are environmentally responsible and resource-efficient throughout a building’s life-cycle: from siting to design, construction, operation, maintenance, renovation, and deconstruction. This practice expands and complements the classical building design concerns of economy, utility, durability, and comfort.

从这段话中,我们可以得出以下几点

1. 绿色建筑和可持续建筑是一回事。

2. 绿色建筑强调的是在整个建筑生命周期中,在建造和使用流程上对环境负责(保护)和提高资源使用效率。

3. 建筑的生命周期是指:选址、场地改造、建筑设计、建造、运行、维护、翻新和拆除。

可见,绿色冠于建筑,意在把绿色生命赋予建筑,使建筑和生态系统紧密联系在一起。

绿色建筑和BIM

值得一提的是,目前业界对绿色建筑的探索,只是刚刚开始,虽然LEED中针对各评分点提供一些明确的措施标准,但是针对具体项目、地域特征等因素,仍需要有非常多的创新方法来达到更好的可持续效果。

绿色建筑等于节能建筑吗?

这是初识者最常见的问题,也是不少人争论不休的问题。然而,Leo个人的理解是,从绿色建筑的概念,两者最大的区别应该在两点:

1. 绿色建筑强调的是对整个建筑生命周期的控制, 而节能建筑仅仅着眼于运行阶段的能源消耗。

2. 除了提高资源的使用效率之外,绿色建筑还关注建筑对环境的全面影响。

因此可见,从概念上说,绿色建筑相比节能建筑,对自然资源的保护和可持续发展有着更大的外延,也意味着,对建筑从设计到使用的全部阶段,有着更高的要求。

绿色建筑与BIM

BIM的最重要意义,在于它重新整合了建筑设计的流程,其所涉及的建筑生命周期管理 (BLM),又恰好是绿色建筑设计的关注和影响对象。绿色建筑遇到同样如火如荼的BIM,又会擦出怎样的火花呢?

绿色建筑和BIM

与传统的流程相比,BIM为绿色设计带来的便利:

1. 真实的BIM数据和丰富的构件信息给各种绿色建筑分析软件以强大的数据支持,确保了结果的准确性。目前包括Revit在内的绝大多数BIM相关软件都具备将其模型数据导出为各种分析软件专用的GBXML格式。

2. BIM的某些特性(如参数化、构件库等)使建筑设计及后续流程针对上述分析的结果,有非常及时和高效的反馈。

3. 绿色建筑设计是一个跨学科,跨阶段的综合性设计过程,而BIM 模型则正好顺应此需求,实现了单一数据平台上各个工种的协调设计和数据集中。同时结合Navisworks等软件加入4D信息,使跨阶段的管理和设计完全参与到信息模型中来。

4. BIM的实施,能将建筑各项物理信息分析从设计后期显著提前,有助于建筑师在方案、甚至概念设计阶段进行绿色建筑相关的决策。

可以说,当我们拥有一个信息含量足够丰富的建筑信息模型的时候,我们就可以利于它作任何我们需要的分析。一个信息完整的BIM模型中就包含了绝大部分建筑性能分析所需的数据。

从流程上来说,简而言之就是:用BIM软件将需要进行绿色建筑相关分析的数据导出为gbXML文件,然后使用专业的模拟、分析软件进行分析,最后再导入BIM软件进行数据整合或根据分析结果进行必要的设计决策。

总之,结合BIM进行绿色设计已经是一个受到广泛关注和认可的系统性方案,也让绿色建筑事业进入一个崭新的时代。

让我们来拆解gbXML ,gb=Green Building 而 XML 则为 Extensible Markup Language,意为”可扩展的标记语言”,这是一种在软件行业中十分常见的语言,用以在两种或两种以上的程序之间的“自助式”交互,目标是尽量减少人为干预的必要性。

GBXML已经成为行业内认可度最高的数据格式。使用包括Graphisoft 的 ArchiCAD, Bently 公司的 Bently Architecture 以及 Autodesk的Revit系列产品,均可BIM模型导出为GBXML文件。这为接下来在分析模拟软件中进行的计算提供了非常便利的途径。也有人认为,gbxml可以看做是BIM的aecXML一个绿色建筑的数据子集。

目前可进行绿色建筑相关分析的软件可以说是琳琅满目,每个软件也各有特色和其产生

的背景,鉴于能力所限,恕我们无法一一介绍。在林林总总之中,我们选择了一些目前通用性很强、也是功能相对比较全面的软件进行简要的介绍,目的是希望大家能从特征角度总体的了解它们,便于今后在实际的项目中根据不同的需要选择和使用。

IES(VE)

IES是总部在 英国的Integrated Environmental Solutions 公司的缩写,IES(VE)是旗下建筑性能模拟和 分析软件。它整合了一系列模块化的组件用以进行计算分析,包括:ModelIT:三维建模工具;提供IDM (Integrated Data Model) 集合数据模型

ApacheCal:供暖,制冷负荷计算工具 。使用CIBSE 制定的流程

ApacheSim:IES(VE)的核心组件。动态负荷计算工具,可逐时模拟分析建筑的负荷 ApacheHVAC:建筑空调系统模拟工具

Flucs:采光分析,设计工具。分为FlucsDL 和 FlucsPro。前者只能进行日光分析。

RadianceIES:非常权威的建筑采光模拟组件,使用高级光追踪技术。

SunCast:日照分析工具

CostPlan:初投资分析工具

LifeStyle:运行费用分析工具

Simulex:疏散分析工具,模拟正常/紧急情况下的人流疏散行为

Lisi:电梯分析工具

IndusPro:管路尺寸计算

Pisces: 冷热水 管路尺寸计算

Taps:自来水管路尺寸计算

Field:电线尺寸计算

MicroFlo:室内外流体力学模拟

绿色建筑和BIM

大家不难看出,IES(VE) 正如其名:集成化的软件模块非常灵活并且适应性强,因此也更容易和各种绿色建筑标准(比如LEED)相结合,并提出相应评价内容。

IES(VE)已经成为英国以至于欧洲市场占有量最大的生态建筑模拟分析软件,在美国也取得了骄人的业绩。需要特别指出的是,IES(VE) 除了兼容 gbXML以外,同时提供 Revit 和 Sketchup的插件,用来精确传递模型信息。

国内有关IES(VE)的讨论和介绍大多在这个论坛可以找到。另外此博客也介绍了许多相关资料。

Ecotect Analysis (生态建筑大师)

这是一个神奇的软件,从它的诞生开始就挺传奇。它是由一位名叫Andrew Marsh的建筑师,同时也是西澳大学的博士一个人“发明”的软件。据说在2008年被Autodesk收购之前,Ecotect的开发几乎是他一个人完成的。

绿色建筑和BIM

绿色建筑和BIM

绿色建筑和BIM

Ecotect Analysis的主要功能分为:

环境模拟分析

阴影与反射: 直观显示模型所在地的太阳轨迹,并实时显示阴影效果。

遮阳设计:可以根据遮阳需求自动生成经过优化的遮阳系统。

日照分析:将建筑物表面和窗口所接受的太阳辐射精确可视化。

光伏板阵列尺寸与负荷匹配:用来决定太阳能光伏板的最佳安装位置和尺寸。

照明设计:计算模型内任意一点的日照采光系数和照度,并可计算节能潜力。

Right-to-Light: 评估建筑物对邻近场地和建筑的影响。

声学分析:从简单的混响时间分析到复杂的粒子分析和线追踪技术。

热工分析:计算任意区域的冷热负荷,逐时分析全年各种热力学指标。

通风和气流分析:将模型相关内容导出到 CFD (流体动力学) 工具中,完成分析和计算后导入回Ecotect Analysis并完成可视化。

和前文介绍的IES(VE)类似,Ecotect也提供自己的建模工具,分析结果可以根据几何形体得到即时的反馈。这样,建筑师可以从非常简单的几何形体开始进行迭代性 (iterative) 地分析,随着设计的深入,分析也逐渐越来越精确。Ecotect和RADIANCE 、POV Ray 、VRML、EnergyPlus 、HTB2热分析软件均有导入导出接口。

Ecotect 以其整体的易用性、适应不同设计深度的灵活性以及出色的可视化效果以,在中国的建筑设计领域得到了更广泛的应用。

Green Building Studio

Green Building Studio (GBS) 是Autodesk公司的一款基于Web的建筑整体能耗、水资源和碳排放分析工具。在登入其网站并创建基本项目信息后,用户可以用插件将Revit 等BIM软件中的模型导出gbXML并上传到GBS的服务器上,计算结果将即时显示并可以进行导出和比较。在能耗模拟方面,GBS使用的是DOE-2计算引擎。

绿色建筑和BIM

GBS的主要功能包括:

能耗和碳排放计算结果

建筑整体能耗分析

碳排放报告

水资源利用和支出评估

光伏发电潜力

Energy STAR 评分

针对LEED进行自然采光评价

项目地理信息

精确气象模拟 / 详细气候分析

风能潜力

自然通风潜力

方案比较

文件格式转换 :在GBS中成功创建项目后,用户可以下载 gbXML, VRML, DOE-2, Energyplus, Weather File 等格式的文件。

由于采用了目前流行的云计算技术,GBS具有强大的数据处理能力和效率。另外,其基于Web的特点也使信息共享和多方协作成为其先天优势。同时,其强大的文件格式转换器,可以成为BIM模型与专业的能量模拟软件之间的无障碍桥梁。

目前订购了 Autodesk Ecotect Analysis的用户可以同时使用 GBS的服务。

DeST

DeST是Designer’s Simulation Toolkit 的缩写,意为设计师的模拟工具箱。

DeST是建筑环境及HVAC系统模拟的软件平台,该平台以清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所十余年的科研成果为理论基础,将现代模拟技术和独特的模拟思想运用到建筑环境的模拟和HVAC系统的模拟中去,为建筑环境的相关研究和建筑环境的模拟预测、性能评估提供了方便实用可靠的软件工具,为建筑设计及HVAC系统的相关研究和系统的模拟预测、性能优化提供了一流的软件工具。

绿色建筑和BIM

目前DeST有两个版本,应用于住宅建筑的住宅版本(DeST-h)及应用于商业建筑的商建版本(DeST-c)。

住宅建筑热环境模拟工具包(简称“DeST-h”)为国家自然科学基金重点项目”住区微气候工程热物理问题研究”编号59836250的子课题,是在清华大学建筑环境与设备研究所十余年的科研成果的基础上,由清华大学建筑技术科学系研制开发的面向住宅类建筑的设

计、性能预测及评估并集成于AutoCAD R14上的辅助设计计算软件。

DeST-h主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、住宅建筑热特性指标的计算、住宅建筑的全年动态负荷计算、住宅室温计算、末端设备系统经济性分析等领域。

DeST-c是DeST开发组针对商业建筑特点推出的专用于商业建筑辅助设计的版本,根据建筑及其空调方案设计的的阶段性,DeST-c对商业建筑的模拟分成建筑室内热环境模拟、空调方案模拟、输配系统模拟、冷热源经济性分析几个阶段,对应的服务于建筑设计的初步设计(研究建筑物本身的特性)、方案设计(研究系统方案)、详细设计(设备选型、管路布置、控制设计等)几个阶段,很好的根据各个阶段设计模拟分析反馈以指导各阶段的设计。

DeST-c具体应用主要体现在如下几个方面:

在建筑设计阶段,为建筑围护结构方案(窗墙比、保温等)以及局部设计为建筑师提供参考建议;

在空调方案设计阶段模拟分析空调系统分区是否合理、比较不同空调方案经济性、预测不同方案未来的室内热状况、不满意率情况;

在详细设计阶段通过输配系统的模拟指导风机、泵设备的选型以及不同输送系统方案的经济性。冷热源经济性分析指导设计者选择合适的冷热源。

DeST-c现已广泛用于商业建筑设计过程中,先后应用于国家大剧院、深圳文化中心、西西工程等大型商业建筑的设计过程,并对中央电视台、解放军总医院、北京城乡贸易中心、发展大厦等多栋建筑空调系统改造进行模拟给出改造方案。

需要指出的是, Dest是一款基于AutoCAD平台的软件产品。同样也是免费软件。它的官方网站目前因为不可知原因无法正常访问。

小结

上面所列的4个软件只是目前市场上比较受广泛认可和关注的主流产品中的一部分,其他比较常用的软件如 TRNSYS、ESP-r、Radiance、eQUEST等,限于篇幅和本编能力,就无法在此一一介绍了。绿色建筑设计和分析将会有哪些发展趋势:

1. 分析越来越趋向于设计的前期,利用简单的模型进行模拟计算。在Graphisoft 出品的 Ecodesigner 页面上有着这么一段话: “ 影响建筑能效的80%的决定都是在设计的初期作出的”。

2. 从工具(软件)角度来说,将更多和灵活的支持本地化、以及各种绿色建筑评价标准。

3. 绿色建筑将和BIM完成整合,充分利用BIM的全部优势。 建筑能耗、碳排放等的模拟将更注重建筑全生命周期的计算。

4. 建筑分析软件将走向精确化,专业化,可视化。

5. 庞大的数据处理将导致“云计算”被更多的采用。

6. 专业的绿色建筑评估和咨询机构的兴起,被作为专业人士引入到项目的设计流程中。

绿色建筑设计的流程

就是BIM和绿色建筑之间的联姻,也许只需要解决“互用性”(Interoperability) 就可以了:只要数据可以相互导入导出 ,我们就能实现BIM的绿色建筑之路。这种说法正确但不完整。

和BIM本身的概念一样,整合绿色建筑设计最大的挑战和改变同样在流程上。绝大多数影响建筑最终可持续性的重要决策都在建筑的早期作出。这要求我们在概念设计阶段,就引入整体设计流程(IDP)的概念,对方案的各种可能性从可持续性角度进行评价,从而在重要决策时作为考查依据。并随着设计的深入,迭代地不断深化评估,扩初、施工图甚至建设和运营阶段的设计建议。

而这个流程的改变不仅意味着建筑信息模型数据管理的挑战,对项目进度协调、决策管

理、风险评估以及资源分配都提出了新的要求。

在一个标准的BIM设计流程中,嵌入可持续性的元素,就变得比较简单了:设计数据原本就是集中和整合的,所需要做的改变就是对各种阶段的BIM模型做不断的进行可持续性验证和方案调整,从这个意义上来说,互用性和软件的迭代性功能就显得是唯一需要解决的问题了。

国内绿色建筑现状

在中国,绿色建筑也被国家建设和能源部门提高成为一个相当迫切和重要的议题。并提出了在2020年前,建筑节能65%的重要战略目标。

然而,据了解,目前的中国建筑设计市场,对可持续设计仍然处在一个相对初期的阶段,这主要表现在以下几个方面

1. 一部分的建筑业从业人员还停留在 “绿色建筑=节能建筑=墙体保温隔热”这样一个老旧的片面传统认知上。建筑全生命周期 ,碳排放等概念还没有深入人心。

2. 由于缺乏相应的知识普及和实践,很多人将绿色建筑“符号化”,认为屋顶花园、太阳能热水器等等设备就等于是绿色建筑。

3. 国内还没有成熟的绿色建筑评价体系,虽然我们有《建筑节能设计标准》和《绿色建筑评价标准》但和USGBC的LEED体系相比,无论从条目制定的科学性还是评价流程的合理性来说,都还是有很大的差距。

4. 国内建筑设计单位使用常用的节能分析仍停留在为“验收”而做,并非为“设计”而做。其结果也只是作为一种局部措施被用在设计后期,而不是系统的整合在整个流程中。

5. 政府在绿色建筑优惠政策上缺乏力度的同时也同时缺乏管理和经验,不少政策在落实的过程中成了开发商牟利的新手段。

可以看到,虽然我们有宏伟的目标,然而绿色建筑更多的仍是作为一个“概念”存在与开发商和相关管理部门的心里。在大多数发展中国家,绿色建筑都面临一个两难的境地,一方面快速发展带来对效率和“眼前利益”的夸大关注和对环境的忽视,另一方面环境的破坏已开始对发展产生负面效应,拯救环境迫在眉睫。

在发达国家,绿色建筑所带来的社会和经济效益已被越来越多的人所强烈关注。2009年10月,McGraw-Hill Construction公司发布的一项研究报告称,未来五年绿色建筑在改装市场中的份额将增长到20%-30%,重大项目的市场机会将增长到101亿至151亿美元。目前,只有5%-9%的建筑物完成了改装,而重大项目(超过100万美元的项目)的市场机会每年约为21亿至37亿美元。

如果说建筑设计行业即将迎来一场流程的革命,那么,在我看来,整合了绿色建筑的BIM必然是这场革命的最大动力。