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使用BIM改造现有建筑物
概要
大量正在进行中的研究计划都在研究关于建筑信息的实施建模（BIM）平台，以优化设计和施工过程。基于BIM的工具（例如，Bentley AECOsim Building Designer，Tekla Structures，Autodesk Revit的架构，结构，MEP和Navisworks）可以处理多种类型的数据输入（例如，3-D设计，能源模型，时间表，成本估算），并以集成的方式提供严格的模拟和可视化选项，使工程师和承包商能够有效地跟踪和控制他们的项目。一组类似的研究项目正在研究可持续性原则的使用（例如，减少废物，节约能源，健康的室内环境），以优化整个设计和施工项目的管理。 BIM与可持续发展之间的联系已在文献中被标记，特别是在能源驱动的改造中。尽管如此，BIM在改造现有建筑物方面的应用面临着挑战，这可能是由于信息交换的多学科性质，交换的及时性以及确保最佳交换所需的各种技术组件所致。本文通过对文献的批判性回顾，描述了BIM和可持续性主要涵盖的领域。本文的目的是研究两个主题之间的重叠，其中BIM提供了一个降低现有建筑能耗的平台。最后，提出了一项关于加强BIM在能源驱动装修中的作用的研究议程。
关键词：BIM; 可持续建筑; 能量建模;整修; 现有建筑物
1.简介
BIM手册将建筑信息模型（BIM）定义为“建模技术和相关的一组过程，用于生成，交流和分析建筑模型”，其中建筑模型是数字对象与可计算图形，参数规则和数据属性[1]相关联，可以以可互操作的方式进行管理，共享和交换。 Watson提供了两种BIM定义：a）描述特定工程软件集的名词和b）描述信息管理和采用过程的形容词[2]。无论其定义如何，据信BIM提供的工具可用于所有项目管理领域，所有利益相关者以及整个项目生命周期[3]。 McGraw-Hill在2009年进行的一项调查提供了有关建筑行业采用BIM技术的反馈。例如，72％的BIM用户报告了BIM对提升项目流程的影响，其中62％的用户在超过30％的项目中使用BIM [4]。
本文探讨了BIM与可持续发展之间的关系，这是建筑行业的另一个新兴概念。可持续发展倡导有效利用自然资源，同时保持低运营成本和废物产生[5]。具体而言，本文阐述了现有建筑中能源驱动的翻新，这是可持续发展与BIM之间的重叠领域。然而，部署BIM工具以实现可持续的翻新目标遇到了严峻的挑战。因此，本文为未来的研究议程提供了建议，以促进BIM工具用于现有建筑的能源驱动改造。
2.方法论
为了实现该研究的目标，对文献进行了彻底的审查。这包括对Scopus，ScienceDirect，Engineering Village，Google Scholar和ASCE库等几个数据库的评论。选择了与BIM和可持续性相关的关键词。结果，总共获得了200多个相关读数，审查并安排成一组主导主题。本文中的一个主题被定义为一个重点领域或论文围绕的主要思想。例如，主题涉及可持续性要素（例如，水，室内环境质量，能源，材料和减少废物）。由于纸张尺寸的限制，仅引用了所收集纸张的一部分。
3.可持续建筑
上述方法产生了102篇相关论文，这些论文被安排成以下主题：水，能源，减少废物和材料，以及室内环境质量。这些主题的灵感来自LEED和BREEAM的信用类别，这些是评估建筑可持续性的最广泛使用的评级系统。图1提供了这些主题的频率图。总数为110是因为有些文章有一个以上的主导主题;因此，被计算不止一次。例如，通常在各种建筑材料的背景下检查能量分析。哈蒙德和琼斯[6]为近200种不同的材料开发了一个体现能量和碳排放的数据库。同样，Gustavsson和Sathre [7]比较了木材和混凝土的能源和净二氧化碳排放量。因此，这两篇文章分为两类，即“能源”和“减少废物和材料”。
Total of 110 dominant theme appearance
图1.可持续建筑评论文献中主导性主题的频率图
从同行评审的文献中，最主要的主题似乎是关于能源（49次）。 生命周期能量分析和低能耗建筑在文献中越来越受欢迎[8]。 能源主题的高频率表明人们越来越意识到能源消耗通过碳排放对环境的不利影响。 能源消耗率惊人; 因此，需要采取缓解措施来减少碳排放并长期保护自然资源。
4.建筑信息模型
使用类似的方法来探索与BIM相关的最新文献。 总体而言，共审阅了111篇论文，并将其分为10个不同的焦点主题，如图2所示。这些是通信，集成，成本，人力资源，采购，质量，风险，范围，利益相关者和时间管理。 这些主题与项目管理协会（PMI）的知识书所描述的10个知识领域相一致。
图2.关于BIM的文献中焦点主题的频率图。
频率图显示文献中共有132个BIM相关主题，表明一些论文有一个以上的焦点话题。例如，Lin和Su [9]提出了一个BIM设施维护管理（BIMFMM）系统，供维护人员以数字格式跟进和更新维护。该出版物既涉及BIM作为FMM可视化工具的范围，也涉及使用该方法的利益相关者（即维护人员）工具。另一个例子是Du等人提出的基于云的BIM性能基准测试应用程序，称为BIM Cloud Score（BIMCS）。 [10]评估机构在BIM利用方面的表现。
文章重点介绍从利益相关者获得的数据及其整合。关于BIM的审查文献中最常见的主题涉及集成管理（29）和范围管理（27）。随后是利益相关者管理（19），成本管理（18）和沟通管理（17）。
集成是所有其他主题中频率最高的，包括协作和BIM实现主题。 Grilo和Goncalves [11]讨论了BIM的各个方面，使其成为一个协作环境。阿拉姆等人。 [12]创建了基于BIM的决策框架，以整合建筑供应链设计和交付流程。金，等。 [13]开发了一个物理BIM库，用于热能模拟;而Karan等人。 [14]致力于使用语义网技术整合BIM和GIS。林，等。 [15]为流程管理（conBIM-PM）构建了一个基于Web的BIM工具，并用它来存储竣工图，以及跟踪和管理BIM模型。
整合还包括一系列关注BIM实施的文献。这是通过研究（例如，Azhar [16]）定性地完成的，描述了BIM实施的益处和挑战。 Miettinen和Paavola [17]提供了关于加强BIM实施的额外见解。这些文章强调了培训和教育对于有效实施BIM的重要性。其他论文提出了适用的框架特别是BIM标准[18]。 Succar [19]提出了一种能力评估，获取和应用的方法。定量地，Lee等人使用结构方程模型（SEM）。 [20]研究BIM的接受和使用。量化BIM的好处为利益相关者在实践中实施BIM提供了重要的激励。
第二个焦点主题，即范围管理，包括许多子主题，如设计和施工管理，它们对应于项目生命周期中的主要阶段。 BIM已被用于根据特定标准自动化评估和检查设计的过程[21]。沿着同样的路线，Kaner等人。 [22]阐明了预制设计质量的提高。 Maia等人也解释了BIM在准备，修改和协调设计方面的优缺点。 [23]。在建设中，Lu和Li [24]提倡使用BIM来优化野外工作。 BIM通常被视为建筑管理活动的学习工具，如安全，调度，采购和成本控制[25]。
文献中集成和范围管理的高频率突出了使用BIM技术管理建筑项目的机会，同时将BIM工具与所需的仿真软件集成在一起。
5. BIM与可持续发展之间的重叠
如前所述，能源在可持续建筑中获得了最大的动力。在BIM主题下，项目范围管理和项目集成管理获得了最多的关注。这两个概念之间可能存在的重叠在于使用BIM进行能源建模，并随后确定现有建筑物的改造范围。通过BIM技术促进现有建筑的能源驱动翻新将有助于在更短的时间内实现可持续性评级和认证。
除了使用BIM作为促进现有建筑能源性能分析的策略外，文献还提供了实现能源驱动装修的其他方法。例如，能源审计可用于翻新现有建筑物，以通过改造来识别能源使用和相关成本。
能源审计技术的进步提供了更可靠的信息[27]。例如，楼宇自动化系统（BAS）和建筑能源管理和控制系统（EMCS）提供的数据可用于校准能量模拟模型中的参数[28]。收集数据的准确性直接影响能源分析的可靠性，以便进行改造[29]。
另一种用于分析翻新选择的策略是环境评估工具[30]。这些工具提供了检查和增强现有建筑物能源性能的框架。绩效评估工具随着评级系统的发展而受到欢迎，评估系统将现有建筑的能源性能与定量和定性绩效指标进行对比[31]。其他文献工作描述了获得翻新建筑认证所需的先决条件，信用和测量方法[32];而其他人[33]量化了改善现有建筑物环境绩效的经济效益。
除了先进的能源审计技术和现有建筑翻新的环境评估框架提供的战略，计算机模拟软件可用于建模和模拟改造措施的能源绩效[28]。这些能量模拟平台的一些例子是EnergyPlus，eQUEST，BLAST，TRNSYS。例如，Bojić等人。在塞尔维亚贝尔格莱德的单一和联合翻新措施进行翻新之前和之后，使用EnergyPlus来分析热绝缘老房子的能耗[34]。
根据文献综述和能源建模专家的讨论，将使用BIM技术进行能源驱动改造的简化流程放在一起。图3中描绘的过程有三个主要阶段。
6.为未来研究制定议程
尽管能源驱动的翻新项目中可持续性与BIM之间存在重要的重叠，但仍有必要进一步研究这一领域。文献表明，部署BIM以改造现有建筑物的成熟度很低。以下部分提供了一个研究议程，以加强BIM工具在能源驱动建筑改造项目中的适用性。 议程是根据技术，信息和组织需求组织的。
图3.使用BIM对现有建筑进行能源驱动翻新的步骤流程图
6.1技术需求
BIM在能源改造项目中的技术需求很多，并根据项目的各个阶段进行划分：预能源建模，能源建模和翻新选项。
6.1.1预能量建模阶段：
预能量建模阶段的技术需求取决于BIM模型的可用性。如果模型可用，设施管理人员通常可以在必要的更新后将其用于能源模拟。然而，由于信息交换协议不兼容，BIM平台和能量模拟软件之间的接口仍然很复杂。未来的研究可能侧重于确保从BIM到选定的能源模拟软件的平稳转换。研究人员可以创建算法来自动化交换协议的规则。其他研究可能性需要编程审查检查以与能量模拟软件兼容。
如果现有建筑物没有可用的BIM，设施管理人员应与BIM建模师和建筑师合作，为能源翻新目的建造一个。从头开发模型需要大量的数据收集工作。未来的工作可以用于自动捕获竣工信息，将其集成到BIM数据库，甚至建模体积BIM对象的过程。此外，还需要建立特殊技术，限制野外作业及其加工成BIM，特别是在现有建筑物的隐蔽或扭曲区域。激光扫描和摄影测量技术的使用可以通过材料和纹理识别来实现。
6.1.2能量建模阶段：
在翻新项目的能源建模阶段，研究可能侧重于基线能量模拟模型的校准。例如，需要在BIM平台中创建系统，使用来自实际公用事业账单的数据来校准能量模拟。需要算法来确定实际结果与基线模型之间可接受的差异裕度。关于可接受的偏差边际的决定在实际账单和模拟结果之间对能源建模者来说是一个挑战。因此，设置标准将有助于建模者的工作并简化校准过程。
6.1.3翻新选项阶段：
技术需求延伸到第三阶段，即选择翻新选项。由于数据的不确定性，建模人员在选择最佳翻新方法时面临挑战。需要成熟的BIM工具来允许建模人员更好地处理不确定性。特别是，时间和金钱的属性，源属性和产品属性应编入BIM。时间和金钱的属性与每个翻新选项相关的材料成本，空闲时间和项目开销有关。源属性阐明了能源消耗以及每个选项所需的处理和维护。此外，产品属性表明产生的废物的数量和类型。产品属性指定可回收物的数量和排放的类型（例如，灰尘，噪音，振动）。在BIM中集成所有三种属性类型为能源驱动的改造项目提供了坚实的决策平台。该决定应基于详细的成本效益分析，其中包括环境因素（节能）以及投资回报或投资回收期等经济因素。
6.2信息需求
互操作性存在挑战，阻碍了BIM平台之间的建筑数据交换[35]。尽管通用数据结构不断得到改进，但信息传递手册（IDM）和模型视图定义（MVD）等开发概念的重点是新建建筑而非现有建筑[36]。虽然建筑运营大楼信息交换（COBie）标准包括能源建模所需的材料和可持续性信息，但它不包括翻新所需的建筑部件（例如，楼板，墙壁，基础，屋顶和楼梯）的信息[37]。 COBie还不包括在翻新项目期间分离组件所必需的流动段和配件。
另外一个信息需求是对时间顺序数据及其交易的适当管理同步到BIM [38]。除了对语义Web技术的高要求之外，这种需求源于快速BIM技术的发展。随着BIM的技术功能的成熟，信息交换协议必须并行成熟，以帮助在任何能源模拟软件中实施BIM。
6.3组织需求
在各个国家，通过政治压力和法律框架，鼓励使用BIM公开招标[39]，而在其他国家，BIM的应用仍然落后。 BIM在建筑项目的生命周期中的实施可能会有一些改进，特别是在运营和建设项目中维修阶段。
有必要制定法律文书，以规范模型所有权和数据责任，负债和费用。这将有助于BIM实施现有建筑物翻新项目，并将提高数据安全性和用户信心[40]。组织项目的一些最重要的法律文书现有建筑物是合同。在这种背景下，创新的项目交付方法，如综合项目交付，已经建立了一个协作环境，以建造新的建筑物，设计师，承包商，分包商和供应商为所有者的整体利益工作[41]。现有建筑物的翻新需要制定类似的合同协议，这反过来又促使了BIM工具的使用。
设施经理，能源专家和顾问通常会抵制需要他们部署新的变更概念和技术，如BIM。因此，除法律文书外，还必须提高利益相关者对BIM技术效益
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