第1章 绪论
1.1 建筑信息模型与Ecotect Analysis
当今社会，伴随建筑业迅猛发展的是自然资源领域的巨大消耗，不可再生能源、淡水、天然材料、耕地等正走向枯竭，温室气体的排放量也大幅增加。在我国，建筑的总能耗已经占到全社会总能耗的25.5%左右；而从全球来看，40%的CO2的排放是由于建筑工业产生的。同时，建筑物内恶劣的空气质量也是众多疾病的传播源，会危及到公众健康。
基于此，世界上已经有26个国家或地区推出了建筑节能、绿色建筑及可持续建筑的设计标准。中国也于2006年6月1日实施了《绿色建筑评价标准》。建筑师和规划师在设计中也越来越需要考虑可持续设计的问题。
众所周知，只有建筑师从设计初期就有可持续的设计观，才可能真正设计出可持续性的建筑。但是当今建筑的复杂程度已经大大超过了仅凭建筑师主观判断或者经验就可以正确把握的程度，因此在条件复杂、不确定性存在的情况下，就必须借助建筑物理环境性能分析软件进行模拟分析，从而帮助建筑师做出正确的判断。而在实践中，且不说很多建筑师为了形式、风格而在设计中忽略了对建筑可持续性的考虑，就是很多符合生态设计经验的方案也会在建成后的评测、使用中出现诸如室内舒适度不够、通风不畅等情况，这时只能通过主动式的技术来满足使用者的需求，再加入所谓的节能、节水的技术设备来达到国家标准。于是就会产生社会上人们通常的认识，即可持续性的建筑就要付出高昂的代价。
此时，整合了大量建筑信息的模型技术——BIM应运而生，给这种情况带来了改善的契机。通过相应的BIM应用软件，创建简单的建筑信息模型，建筑师在设计的任意阶段、任意时间都可以方便地对设计方案进行建筑物理环境性能化的评估，得到的分析结果可以帮助建筑师及时对方案做出合理的调整，或从环境角度比较不同方案的优劣，从而做出更加有利于建筑可持续性的选择。在方案设计的初期阶段就能够方便快捷地得到直观、准确的建筑能量性能反馈信息，是应用BIM技术进行计算机辅助建筑可持续性设计的最大优势。
1.1.1 建筑信息模型
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。在其补充说明中强调，建筑信息模型将所有的相关方面集成在一个连贯有序的数据组织中，相关的应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据，如图1-1所示。
图1-1
建筑信息模型包含了几何、物理和拓扑的信息。几何信息直接反映了建筑在三维空间的形状；物理信息描述了各组件的物理性质，如材料的导热系数等；而拓扑信息则包含了各组件之间的相关性。正如伊士曼指出，建筑信息模型包含“各组件的形式、行为和关系”，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，而且还包括施工进度、建造过程、维护管理等的过程信息。
IAI组织（the International Alliance for Interoperability）于1997年制定了IFC标准（the Industry Foundation Classes）。IFC标准不仅可以存储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），以便能在建筑生命周期的各个阶段（设计、发包、施工、营运使用、维修增建、拆除）分享使用。
目前比较成熟的BIM软件主要有Autodesk公司的建筑设计软件Revit Architecture、结构设计软件Revit Structure、水暖电工程设计软件Revit MEP、土木与基础设施软件Civil 3D、施工项目管理软件NavisWorks和Buzzsaw，以及Graphisoft公司的ArchiCAD、Bentley公司的Microstation TriFoma。
据统计，在美国已经有48%的建筑设计事务所采用了BIM方法。而且美国的一般事务行政部（GSA）也率先要求政府工程只有提交BIM的设计，才有可能中标。并且在使用BIM的条件下GSA鼓励“建筑设计过程中采用精确的能耗评估”，以加强在设计的早期阶段使用BIM。
目前，世界上主要的建筑物理环境性能分析模拟软件约有350种，但是由于各种软件接口不统一，几乎在使用每一种软件时都要重新建模、输入大量的专业数据，结果导致大部分情况下，建筑师既没有精力也没有专业的知识背景来学习这些软件，运用信息模拟来进行可持续性建筑设计的操作难度就大大增加。于是，BIM的优势就凸显了出来，通过建筑信息模型在建筑设计软件与建筑物理环境性能化分析软件间的传递，可以节省大量的重复建模、重复设置的时间，大大提高了设计和分析的效率。
Bentley Systems于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，提供了一个充分又非私有、持久并能识别网络外的文本和数据存储与传输的文件格式。gbXML标准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建筑物理环境性能分析模拟软件间有了良好的接口。到目前为止，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，同时诸如Ecotect Analysis、DOE-2、Energy Plus、IES<Virtual Environment>等建筑物理环境性能分析模拟软件也加入了这个标准。
1.1.2 可持续性设计
可持续性设计是一个实物设计的艺术与科学的综合体，并将环境概念建立在经济、社会和生态可持续发展的基础上。广义上讲，是“不损害子孙后代满足其自身需要的同时满足当代的需要”的设计。可持续性跨越了无数的时空维度，从局部区域到整个星球，影响着每一个组织化程度，涉及的范围非常广，从日常使用的细小物体的微观设计，普及到了建筑、城市，乃至地球的物理表面的宏观设计。
建筑的“可持续性”是一个完整的概念，概括了整个建造过程——规划、设计、施工、建筑物使用和维护，跨越了建筑物的全生命周期，如图1-2所示。
图1-2
首先，“可持续性设计”强调和谐的生活环境和对环境资源的可持续利用，包括节约耗能、空气循环、太阳能利用等，从而为人们提供一个完美的生存空间。其次，要充分实现生态的可持续性，包括绿色材料、建筑设备、建造和运输系统、绿色景观、美化的室外城市空间甚至充满活力的生活。再次，“可持续性设计”要坚持适度使用和节约材料及能源的原则。在规划设计阶段，建筑师要选用最大效率利用能源和最大程度节约材料的设计方案。最后，“可持续性设计”要使生态的可持续性、能源的节约、信息和绿色技术渗透到人们生活的各个方面，使其更优质、更舒适。简而言之，高质量环境的建筑不仅是人们享受美好环境的场所，更是组成和谐环境系统的一部分。
此外，“可持续性设计”也同样重视经济效益和社会效益。可持续性建筑具有很多优点，举例来说：在一个大规模的住宅项目中，采用可持续性设计技术和手段不仅能够降低能耗，减轻环境影响，还能够降低操作成本，创造更加舒适的生活环境，提高居民的健康水平，同时也能提高房地产的价值和租金回报率。
最终，实践可持续性设计能使一个建筑空间里用电等耗能的费用大大减少，分配更合理、更健康；维持地球整体的生态过程也更和谐；为人们提供更舒适的居住、工作和休闲环境。
1.1.3 Ecotect Analysis
高性能的个人计算机的出现和普及化使得设计人员对建筑的物理环境进行模拟成为了可能。更重要的是一些适应于建筑师在方案阶段使用的、简单灵活的分析软件（如Ecotect Analysis、Apache）相继问世，使得对建筑物热、光、声的性能分析有了不同的应用领域。建筑性能分析不仅仅意味着各类专业人员用很难上手的专项分析软件（如热分析的EnergyPLus、Esp-r，光分析的Radiance，声分析的Odeon等）进行着分门别类的精确验证的一项工作，还可以是设计师在方案最初阶段，在各种数据尚未确定前（如体形、空间构成、外立面形式等）就可以利用简单体块对建筑物的多种性能进行大致的预测，对不同样式的结果进行充分的比较，以确立最终方案的一种设计过程。
本书主要介绍的建筑物理模拟工具是Ecotect Analysis，如图1-3所示。Ecotect Analysis最初是由英国Square One公司开发的生态建筑设计软件，2008年被Autodesk公司收购。Ecotect Analysis分析的范围很广，从太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明到热工、室内声场、室内外风场（需借助一些插件）都可以进行模拟，涵盖了热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响与可视度等建筑物理环境的7个方面。稍微具有建筑物理的基本知识即可方便、快捷地对建筑物的相关物理性能进行分析。
图1-3
Ecotect Analysis具有友好的三维建模设计界面，并提供了用途广泛的性能分析和模拟功能。它的操作界面友好，与建筑师常用的辅助设计软件SketchUp、AutoCAD等有一定的兼容性，与BIM软件如Revit Architecture、ArchiCAD可以基本做到单项的无缝链接。
Ecotect Analysis的另一特点是它的模型可以存储为多种主要的专业分析软件格式，以便输出进行精确的模拟分析。开放性的结构也使其成为当前主流物理环境分析软件和欧美国家建筑学院建筑环境模拟的教学软件。
最受建筑师欢迎的还是Ecotect Analysis分析结果的图示化显示，把通常复杂枯燥的图表结果用多种多样的色彩图形表达出来，大大提高了分析结果的可读性，也更加符合建筑师的习惯。