基于BIM的建筑全生命周期分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 90 基于 BIM 的建筑全生命周期分析 赵祖乐 西安工业大学，陕西 西安 710000 摘要：摘要：相比以往对建设阶段的过度关注，社会上越来越关注建筑的全生命周期分成。在这方面，建筑信息模型(BIM)工具的使用已成为建筑行业的新趋势，以改善在设计阶段对建筑物的决策。因为 BIM 在建筑的设计、规划、施工和管理阶段具有节约资源等许多好处。为此，目前的方法专注于将 BIM 与几个程序一起使用，或是仅将其用于自动化。因此，本文提出了一个基于 BIM 的框架，以对建筑的全生命周期中各阶段进行分析。这种分析方法可以帮助建筑业主和决策者更好地了解建筑项目的经济性，并为他们提供有效的决策支持。关键词：关键词：建筑信息模型（BIM）；全生命周期；生命周期分析（LCA）中图分类号：中图分类号：TU714 0 引言 过去几年来，我国仍处于传统预算管理模式中，在建筑项目投资决策和设计阶段，首先，往往只考虑最初建设阶段的花费，大多为简单的估算；决策、设计与造价也不能协同，其次，忽视了运营阶段和后期维护阶段所造成的消耗，因而容易造成运营、维护费用大大高于建设价格。已有研究表明，运营及维护费用是建造费用的 7.6 倍1。近年来，国家关于 BIM 技术在全寿命周期中的协同应用提出了明确的要求，强调深入 BIM、人工智能等技术2。建筑信息模型是一种全面的数字化建筑设计与管理方法。它通过集成建筑物各个方面的信息，包括物理信息、材料、构造、设备等，形成一个全面且精确的三维模型，并在建筑项目全生命周期中进行管理和分析。BIM 技术提供了多维模型的建筑信息集成平台,集成了建筑物从决策、设计阶段到运营、维护等全生命周期的各方面工程信息,在建筑物的设计、建造、运营以及维护阶段,合理有效利用BIM模型对结构进行全生命周期各阶段的管理,对于工程的各参与主体具有重要的应用价值。但目前建筑物建模与其设计之间的信息交换存在许多问题，包括对象信息参数缺陷、几何假图像以及再入数据的混乱。这些问题造成了巨大的经济、时间和精力损失3。自 1999 年 BIM 技术首次引入以来，许多研究都集中在实施基于 BIM 的工具，如 Tekla、Vector Works、Autodesk Revit、Autodesk、Autodesk Ecotect 等绿色建筑工作室和集成环境解决方案虚拟环境这种方法来调查建筑能源性能，并已开发用于设计和运营阶段，适用于不同的目标，如结构分析、建筑、项目管理、服务管理和可持续性。而早期设计阶段通过低投入的方式改变资源和能源消耗，对建筑生命周期的性能产生重大影响。在后期阶段，进行更改的可能性降低，同时其预算增加。因此，在建筑项目中找到一种高效的全寿命周期分析方法就成了亟待解决的问题。在此背景下，人们越来越重视在建筑项目初始阶段，从建筑项目全生命周期的角度分析、设计和管理的重要性。1 BIM 及全生命周期概述 Building Information Modeling,是指基于先进的三维数字模型，为工程师、开发商乃至最终用户等各类人员提供“模拟和分析的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对项目进行设计、建造以及运营管理4。”使整个建筑项目在设计、施工和运营都能够高效的实现节约预算、节约能源、降低污染和提高效率。同时，BIM也是一种参数化的三维数字化模型，有着模型元素参数化、可计算的特征。其中，可计算的建筑信息支持各种建筑设计和施工工作，如MEP 系统建模、结构分析、结构能耗分析、规范化管理等；BIM 软件中的解决方案则为相关团队提供了专业的工具，这些工具包括结构性能化分析软件、造价预算软件等，它们可以通过多种方式与建筑信息模型(BIM)进行直接交互，从决策、设计到施工建设以及运营、维护，专业人士通过基本模型获取所需的信息，用相应工具完成他们的那部分工作，然后把他们完成的成果通过IFC 格式交换后反馈到信息模型当中，从而传递到下一个阶段以供使用和参考，因此，这种系统可行性强，并且模BIM中国科技期刊数据库 工业 A 91 型可以在整个生命周期中被充分利用，他们之间的数据交换是目前建筑业现实中的交换与共享标准，被称为IFC 标准。LCA 是 Life Cycle Assessment(生命周期分析)也称全生命周期评价的简称，是对一个产品从初始到结束的研究，是从原料采购、设计、制造、使用到回收再到最终处置全过程的研究5。建筑工程的全生命周期通常来讲，指从建筑工程开始到建筑工程结束的所有阶段。从狭义来说，生命周期从决策开始，到建筑开始使用结束；但从广义来讲，可划分为策划、设计、建造、运营，直到拆除为止。因此，建筑的全生命周期延展性强，涵盖了设计、施工、运营、维护、拆除等多个阶段，并贯穿始终。建筑项目的类型多、复杂性高，建设期间常伴随着风险，因此合理的对建筑进行全生命周期评估尤为重要。2 BIM 在建筑全生命周期评估中的应用 随着建筑业信息化的发展，BIM 技术因具有良好的可视性、可模拟性好、数据信息集成性高、协同共享性优等特点，可用于建筑全寿命周期信息数据的协同动态管理，还能对建筑设计、技术、环境、经济、质量等进行分析、检查、模拟与控制，实现全寿命周期评估精细化管控。建筑结构的管理不仅仅是某一个阶段的管理，而是贯穿于项目全生命周期的管理，并且项目管理也日趋复杂化、精细化，这就需要运用及时准确的海量工程基础数据信息5。BIM 的理念就是建立涵盖工程全生命周期的信息库，实现各个阶段、不同专业之间的信息集成和共享。将建造、施工和运营维护等工程信息融入整个设计，设计师可通过 BIM 模型更好地进行方案的优化比选，施工方可以从模型中获得更多、更可靠的技术细节信息支持，业主可以通过 BIM 模型更有效率地开展工程项目管理，物业公司可以通过成熟的BIM模型开展设施维护与大修工作。BIM 在各阶段的应用如图1。图 1 BIM 在全寿命周期中的应用 BIM 是设施物理和功能特征的数字表示，用于管理整个施工过程(整个生命周期的设计、施工和管理)，可以被视为建筑的数字表示和数据存储，用于促进整个结构生命周期的互操作性和信息交换。2.1 初始阶段（决策、建设阶段）在项目策划设计阶段，通过 BIM 技术构建信息模型，辅助可行性分析。策划设计阶段：提供了一个可视化且详细的三维模型，使设计师能够更好地理解建筑物的结构和功能。通过 BIM 模型，设计团队可以快速生成各种设计方案，并对其进行比较和评估；可以进行材料选择、构件优化等分析，以降低建筑材料和构件的预算，这有助于优化设计，在满足功能需求的同时降低预算。例如：1.可视化设计与碰撞检查，通过三维建筑模型的建立，使参与方能够得到有效的沟通，并使其直观地了解建筑项目设计。2.结构设计的模拟与改进，使设计方案从只有哦专业人员能看懂得二维线条转化为图像形式。施工阶段：BIM 可以为施工过程提供高效的协调和沟通平台。利用 BIM 模型，可以进行施工进度和资源管理的仿真和优化，通过将施工计划与 BIM 模型相结合，可以检查并避免潜在冲突，不仅可以提前解决问题还能降低施工过程中的预算。此外，在施工期间，BIM 还可以用于材料和设备管理，以及进度跟踪。这有助于控制预算，并确保按时交付。因此，初始造价包括：材料，运输，人工所带来的花费。为了估算初始预算，每个建筑元素以及这些元素的统一格式和主格式主题被导出到 BIM 工具的外部数据库中。运输费用是根据运输距离和每公里运输资产所需材料的价格来估计的。最后，根据每个要素的初始预算以及相关的建筑设计和劳动力需求等计算总体初始预算。通过 BIM 大数据进行分析，对比相同类型的建筑能耗分析，模拟得出使用阶段的经济效益评价，使决策更加科学和准确。2.2 运营阶段 建筑项目得运营阶段也称为建筑物使用阶段，该阶段要占整个建筑项目全生命周期的 80%以上。在运营阶段：BIM 可以帮助建筑物的运营团队更好地管理设备、保养计划和能源消耗。通过将建筑设备的信息与BIM模型关联，可以实现智能化的设备管理，提高设备利用率和维护效率。此外，BIM 还可以支持建筑物的可视化监控，并提供数据分析来优化能源消耗和减少运营预算。在建筑物运营期间，BIM 模型可以被用来进行能源效率中国科技期刊数据库 工业 A 92 分析等，以降低运营预算。BIM 模型正在改变建筑的设计和建造方式，可以促进多学科协调，并集成3D设计、分析、造价预算和施工计划。通过将 BIM 模型扩展到入住后阶段，BIM 模型可用于支持设施管理和建筑运营，并为有关建筑运营性能的各个方面的信息提供统一的接口。BIM 通过为设施管理人员提供在数字化 3D 环境中检索、分析和处理建筑信息的平台，具有推进和改变设施运营和维护(O&M)的潜力。在建筑的运行阶段，能量消耗费用是极为昂贵的。因此，需要一个基于 BIM 的能源模拟工具来估计建筑物的能源消耗以及相关的能源预算。为了估算运营预算，进行了基于 BIM 的能源模拟，以计算年能源需求和相关预算。利用这一估计和BIM 数据库中的单位能源价格，就可以计算出能源消耗的总价值。其中，可使用 Archiphysik、TAS 和 Dialux等工具计算能耗值、热模拟和照明模拟6。本文中选取绿色建筑工作室(Green Building Studio,GBS)为能源消耗分析工具。GBS 是一个基于网页版的精细化计算工具，因此，为了真实有效的模拟能源消耗，在 Revit中建立好的三维建筑模型将被以 IFC 格式导出，并上传到 GBS 的网页版中。在网页版进行能源模拟并在完成后，会得到包含该建筑年能耗和能源成本的 CSV 输出文件。通过在 BIM-LCCA 插件中导入此 CSV 文件，计算能源数字化预估并存储在数据库中，用于建筑全生命周期预算评估中。如果用户希望根据特定地区和年份更新当前费率，则可以通过修改单位能源单价的方式进行。2.3 维护阶段 在建筑物的整个生命周期中，建筑物的组件可能会因老化、恶化或过时而被替换。因此，需要对建筑进行定期维修和更换。设施维护是指“维持固定资产原有预期使用寿命所必需的工作”，具有预防性和主动性；设施修复是指“将损坏或磨损的财产恢复到正常使用状态所必需的工作”。通过以集成形式提供基于三维(3D)可视化的信息，BIM 使设施管理人员和技术人员能够更有效地定位建筑构件，并减少理解显示信息的工作量根据定义，对建筑物进行维修和维护是为了使其保持预期的运行效率。定期维修和保养建筑物是在规定的时间内进行的一种维修和维护，以确保建筑物的最高运行性能。维修和维护(R&M)是建筑结构中最昂贵的管理(FM)领域之一。针对运营阶段的维护费用可以分为日常养护、干预性防护以及必要性维修。（2）式中，为日常维护；为预防性防护；为必要性维修。日常养护能保障钢筋混凝土结构性能遵循材料本身的劣化规律。预防性防护是主动式维修行为，预防性防护能降低结构在侵蚀环境下可靠度的劣化速率。实施必要性维修能对结构构件起到提高可靠度的作用。BIM 模型结合物业管理系统可以充分发挥数据记录和空间定位的优势，利用BIM数据库中丰富的工程信息，合理制定维护计划，以降低建筑物在使用过程中出现突发状况的概率。2.4 拆除阶段 废弃拆除预算指的是建筑达到规定使用年限或耐用期限后，拆除产生的费用支出，拆除方式、建造材料类型和数量等均是拆除预算的影响因素，并且会对社会和环境产生不同程度的影响。拆除与回收阶段：通过BIM 模型，可以进行拆除过程的规划和优化，同时评估回收材料的价值，降低拆除费用并实现可持续发展目标。3 结语 通过基于 BIM 的建筑全寿命周期评估分析，它不仅提供了一个全面而精确的三维模型，还集成了各种信息和功能，在设计、施工、运营和维护阶段都能够帮助降低预算、提高效率，并最大程度地满足建筑物的功能需求。并且可以帮助项目团队更好地控制和管理建筑项目的预算，并在不同阶段做出有利于经济发展和可持续性的决策。这种分析方法对于优化建筑项目的经济效益、提高建筑性能和可持续性具有重要意义 BIM技术和建筑的全生命周期管理理念有相当高的契合度。BIM 不仅是一种造价管理的工具，更是一种多主体协同合作、优化项目预算管控的理念。在 BIM 技术环境下，可实现建筑全寿命周期的协同管理、动态监控、信息共享与精准决策，BIM 作为信息化数字化的重要载体，代表了建筑业信息技术、绿色精益、数字化的发展方向。将 BIM 用于建筑全寿命周期评估可有效降低预算，提高经济效益。未来还应以政策法规为重要助推力，大力培养 BIM 技术人才，培育建筑业信息化数字化环境，不断深入推进 BIM 技术在建筑全寿命周期的运用，促进建筑业信息化发展。MAMPMRMCCCCAMCPMCRMC中国科技期刊数据库 工业 A 93 参考文献 1吴雪梅.全生命周期视角下医院医学工程管理信息系 统 的 构 建 与 思 考 J.中 国 医 疗 器 械 信息,2022,28(08):179-182.2段晓晨,董茹萍,郝晶晶.交通建设项目投资方案智能 决 策 方 法 研 究J.铁 道 工 程 学报,2022,39(05):102-107.3Elizabeth Guzmn Garcia,Zhenhua Zhu,Interoperability from building design to building energy modeling,Journal of Building Engineering,2015,(1):33-41.4周润强.BIM 理念下的装配式建筑全生命周期管理探讨J.四川水泥,2018,No.267(11):340.5徐伟,李志鹏,闫雪萌等.BIM 在建筑全生命周期管控中的应用研究-以富华公馆小区为例J.建筑经济,2023,44(06):65-72.6Liu J,Lin S,Zhong W,et al.Improved Identification Method and Fault Current Limiting Strategy for Commutation Failure in LCC-HVDCJ.Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2022,10(06):1761-1772.作者简介：作者简介：赵祖乐（1998），女，汉族，陕西宝鸡人，硕士，研究方向为结构工程，现供职单位为西安工业大学。