建筑信息模型（BIM）与《绿色建筑评价标准》的相关性分析

1 引言

绿色建筑以其环境友好、资源节约的理念，经过多年的发展已经深入人心。全球各国或地区对于理念的落实、实践的指导以及效果的检验都非常重视，纷纷发展出各具特色的绿色建筑评价体系，其中国外具有代表性的是美国的能源及环境设计先导计划(LEED)、英国的建筑研究所环境评价法(BREEAM)、加拿大的绿色建筑工具(GBTOOL)、日本的建筑物综合环境性能评价体系(CASBEE) [1]。我国也建立了绿色建筑评价体系，并制定了相应的国家标准，即《绿色建筑评价标准》GB/T 50378（以简称下《标准》），现行为2019 版，自2019 年8 月1 日起实施[2]。

评价体系建立之后，随之而来的问题就是考量的方法。科学的考量方法是得出正确结论的前提，其科学性应体现在最大化减少个体影响，降低不确定性，提高数学化水平。鉴于此，考量所需的支撑材料（即证据）以及对证据的处理方法在考量过程显得非常重要。证据的处理方法取决于证据的性质和提供方式。

随着信息技术的快速发展，利用计算机等现代科技进行证据收集、整理、运算，大大提高了绿色建筑评价的考量水平。然而仍存在下列问题：

（1）大量的证据以非结构化数据形式存在，例如文档、图像等，这类数据无法直接参与计算处理，在动态测试等情况下，参数调整难以得到实时结果；

（2）由于与项目相关的数据不够全面，例如缺乏项目周边的城市数据，项目本身数据不完善等，造成在项目上、数据上的孤岛式考量，导致考量结果未必能够反映全部事实；

（3）证据在全生命周期中的有效性和持续性较差，毕竟很多绿色建筑评价体系要求跨越项目建设和运维管理两大周期，动辄以年计算，证据量较大，因此证据的来源、版本往往模糊不清，前后的一致性难以保证；

（4）证据表达的人机友好水平较低，大量的证据是以文字、数字形式进行表述，可视化能力不足，不易发挥人类智力的判断优势。

上述问题随着建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）的出现得到了很大改善。

BIM 是近年来工程建设领域最为重要的技术体系之一，是工程建设和信息技术两大领域高度结合的产物，使工程信息具有高度集约化和数字化的特征。全球各国和地区也纷纷制定了关于BIM 的标准化文件，我国在城乡建设方面已相继出台了6 本国家标准和行业标准，其中的《建筑信息模型设计交付标准》GB/T 51301 和《建筑工程设计信息模型制图标准》JGJ/T 448 与绿色建筑的考量高度相关，两本标准均自2019 年6 月1 日起实施[3][4]。

利用BIM 对考量证据的管理，将对绿色建筑的评价提供基础性支撑，因此根据《标准》，结合BIM 的特点和方法，建立考量证据和BIM 之间的相关性非常重要。

2 BIM 的特点和方法

2.1 BIM 的特点

ISO 29481 对BIM 的定义是“BIM 是通过对建筑（工程）对象的一个共享数字化表述的使用，以利于为设计、施工和运维过程中的决策提供可靠的基础”[5]。剑桥大学英国数字工程中心（Centre for Digital Built Britain (CDBB)）在其官方网站上这样描述BIM：“对于工程建设行业，整个英国经济的一个主要部分，（BIM）提供了一个至关重要的契机以显著增进效益以及带动更多的交付和运营的创新方法（For the construction industry, a major part of the overall UK economy, it provides a critical opportunity to significantly improve performance and stimulate more innovative ways of delivery and operation）。”

综上所述，BIM 具有如下特点：

（1）数字化：BIM 本质上属于建筑（工程）对象的数字孪生（Digital Twin）的范畴。CDBB 对于数字孪生的定义是“工程或自然环境的资产、过程或系统的真实数字化表述”（realistic digital representation of assets, processes or systems in the built or natural environment）[6]。高质量的数字化意味着高水平的可计算性（computability），而后者是依赖信息技术进行基于算法（algorithm）的操作前提。另外，在充足数字化的基础上，BIM 与地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）、云计算（Cloud computing）、大数据（Big data）、移动网络（Mobile Internet，MI）等技术相融合，构建全面的面向工程乃至城市的数字化基础设施，为机器学习（Machine learning，ML）和人工智能（Artificial intelligence，AI）提供条件。

（2）共享化：BIM 正在重构工程建设和管理领域的生产关系。与生产和管理相关的业务参与方既是信息提供者，也是信息使用者，在数据安全的前提下充分共享必要的信息，使信息能够整合和集中处理（即便有时会采用分布式存储和运算的方法）。简单地说，就是多种来源、多种类型的信息进行重构，为多个信息使用者形成单一可靠数据源（single-source-of-truth，SSOT）。

（3）全生命周期：BIM 信息的交付和使用涵盖从项目立项到拆除的全过程，也包括材料或产品从生产、安装、使用到废弃或再利用的生命周期。在管理角度上也包括质量、成本、进度等多个职能。

（4）可靠性：在全生命周期中，BIM信息经过处理、共享、发布、存档等多个状态循环，不断更新和迭代，充分显示出当前的有效状态。具有可检索、可识别、可追溯等多种痕迹管理功能，在计算机系统的帮助下，能够提供非常可靠的决策依据。

（5）决策基础：依托BIM，丰富的工程数据前所未有地整合在一起，形成数字化、共享化，涵盖全生命周期的可靠数据源，并呈现高度的结构化特征，较为充分地体现了工程的基本事实，结合决策目标、价值判断、运算指标等因素，从而形成分析模型[7] 和决策模型（Decision-making models），为人类社会发展中的各个层级目标，包括绿色建筑评价、依据相关标准的合规检查等提供强有力的决策基础。

2.2 BIM 的方法

BIM 的方法由BIM 特点结合人类的思维行为方式、机器（特别是可计算设备）的运作模式发展而来。BIM方法多种多样，跟组织性质、战略目标、管理手段、有效持有的资源等条件相关，所以方法需要不断地探索和实践，形成最佳实践（best practice）。

图 1 广泛管理体系中的信息管理

ISO 19650 系列标准指明了基于BIM 管理中的重要相关方面[8][9]。该系列标准由英国标准转化而来，目前已经发布两本，即概念和原则（第1 部分）和资产交付阶段（第2 部分）。该系列标准以资产管理的角度看待工程项目的全生命周期，并将信息模型划分为项目信息模型（Project Information Model，PIM）和资产信息模型（Asset Information Model，AIM），前者与规划设计与建造相关，后者与资产运维有关；前者关注各阶段的项目的定义（包括工程性质、保温性能等），后者重在管理过程中的触发事件（如水质检测、满意度调查等）。基于PIM 和AIM，完成从基础到战略的三个层次的管理，分别为信息管理，资产和项目管理，组织管理（从内至外），见图1。

ISO19650 指出的基于BIM 的决策流程包括需求定义、信息交付计划、信息交付、信息确认几个部分，见图2。

图 2 高水平的信息交付流程图

根据前言所述，BIM 数据的可计算性能够为决策提供科学的量化依据。其价值管理的基本方法包括三个方面，即数据（Data）、指标（Index）、价值（Value），形成DIV 决策体系，见图3。

图 3 DIV 决策体系的运算步骤

其中数据很大一部分来源于BIM 及相关信息采集技术；指标依据条目化的评价准则推导而成，理论上每个准则条目都可以分解为一个或多个指标，所有指标均应由数据（结构化或非结构化）运算（代数运算或逻辑运算）而成；价值是一种与目标相关判断，即指标设定的意义，通过对指标的价值判断得出决策依据或者结论（例如建筑能耗是否降低到某一水平）。

数据（D）是基础，数据质量是关键。GB/T 51301和JGJ/T 448 对于模型数据的建立和信息协同提出明确的方法和要求，其中包括基于各级模型单元的模型架构、命名规则、颜色设置、几何表达精度、信息深度、属性信息模板等。上述两本标准与《建筑信息模型分类和编码标准》GB/T 51269 等其他BIM 标准融合，将有助于提高数据的规范性，形成SSOT，从而实现需求定义、数据定位、提取以及应用。

3 《绿色建筑评价标准》的运算性

为了进一步分析BIM 与《绿色建筑评价标准》的相关性，基于上述关于BIM的特点和方法，有必要对《标准》进行梳理。主要技术途径是根据条文的内容，逐一识别评价所需证据的可测度性（measurability），并给出当前普遍技术条件下BIM 便于提供的证据类型。

3.1 证据的可测度性

在《标准》条文内容的范围内，证据的可测度性与下列因素相关：

（1）内容的量化水平：能够通过代数运算的指标，对于数据的指向性最为明确，这种情况下可直接提取建筑信息模型（building information model）中的数字性数据进行公式运算，得出指标的数字化结果。另外，具有明确量化要求的逻辑运算也同样有利于证据的可测度。

例如，《标准》第5.2.8 条第1 款：“住宅建筑室内主要功能空间至少60% 面积比例区域，其采光照度值不低于300lx 的小时数平均不少于8h/d。得9 分。”该条量化水平较高，按照DIV 决策体系，涉及到如下价值判断和指标运算[10]：

依托模型进行仿真模拟，框定“采光照度值不低于300lx ”的主要功能空间的面积，记为A1；

依托模型进行仿真模拟，框定采光的小时数“平均不少于8h/d”的主要功能空间的面积，记为A2；

对A1 和A2 进行“交集”布尔运算，运算结果记为A’，即A’=A1 ∧ A2；

设“主要功能空间总面积”为A；令

；

价值判断：若R≥60%，则得9 分，否则得0 分。

诚然，上述运算过程仅为评价方法中的一种，其他方法恕不赘述。

（2）内容的不确定性：要求中涉及到人类的主观意识、导致行为或者事件本身难以评估是否达到某种水平或者效果，特别是在说明要求的行文中带有不明确的形容词时，例如“通用开放、灵活可变”、“位置合理、方便出入”等，评价起来具有很强的主观性，这类条文带有不确定性。

（3）内容的离散程度：当要求的内容较为离散，约束对象覆盖范围过于宽泛，且没有导出收敛性指标时，也会导致评价的困难。例如第7.1.1 条，约束对象包括“建筑的体形、平面布局、空间尺度、围护结构等”，要求也比较发散，“进行节能设计，且应符合国家有关节能设计的要求”，这样在做具体评价时，也难以发挥BIM 的信息集约处理优势。

3.2 条文（Entry）分类

根据4.1 的结论，对《标准》条文的内容进行考察，分为下述四种类型，见表1。

表 1 《标准》条文约束类型

BIM 环境下条文分类的相关程度（Dependence）：

结合前文所述的BIM 特点和方法、根据证据的可测度性，由于BIM 提供证据的方式不同，导致BIM 与证据存在不同的相关程度。BIM 提供信息的来源是围绕BIM 模型形成的SSOT，因此相关程度可如表2 界定。

表 2 条文要求与BIM 的相关度类型

根据条文分类和BIM 与证据的相关程度，得出不同条文分类与BIM 的相关程度的对应关系，见表3。

表 3 条文分类和相关度的映射

这里需要说明的是，当说明文档中的信息以条目化数据的形式集成在BIM 模型当中时，相关程度将转变为D1。鉴于当前普遍的BIM 实践水平，本文中的分析不考虑此类情况。

4《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019 与BIM 的相关性

4.1 星级等级的前置要求

《标准》中的表3.2.8 是星级等级的前置要求，总计6 个要求项，其中第1、第2 个约束类型为E1，与BIM 相关程度为D1，其他4 个均为E2 和D2。

4.2 评价指标统计

《标准》第4 ～ 9 章为主要评价指标部分，其中第9 章为加分项，其他章内均分为“控制项”和“评分项”。为了统计的真实性，统计当中去除了不可累计得分的因素。统计结果见表4。

表 4 评价指标统计总表

通过表格4 可以看出，通过BIM 的方式，能够辅助完成87.9%（D1 与D2 之和）的绿色建筑评价工作。在全部控制项中的统计结果见表5。

表 5 控制项评价指标统计表

有因此降低BIM 的相关性，与全部评价指标相比，D3 降低0.8%，然而值得注意的是，D1 从31% 下降为11.3%，应与控制项的原则性有关。在全部评分项中的统计结果见表6。

表 6 评分项评价指标统计表

表6 与表格4 相比，D3的数值仍然没有太大变化，说明单从评分项看，保持了BIM 相关性水平。值得指出的是，D1 由31.0% 上升为42.1%，说明更多的证据与BIM 强关联，BIM 能够发挥更大的作用。

在第9 章的“提高与创新”中的统计结果见表7。

表 7 加分项评价指标统计表

表格7 表明了在“提高与创新”加分项中，更多的出现了与BIM 不相关的要求（D3 达到21.4%）。

4 结束语

分析表明BIM 能够极大地为绿色建筑评价提供便利。为了在具体工程实践当中充分利用BIM 技术，还需对《标准》进一步加以分析、分解，建立行之有效的数学模型，使评价结果越来越贴近于实际情况。

BIM 与绿色建筑具有天然结合的优势，不仅仅体现在评价体系中，BIM 还有助于不断提高绿色建筑的统筹管理、持续监控等方面，充分发挥数字化的优势，将评测与决策紧密结合起来，使绿色建筑深入地服务于人类社会的可持续发展。

参考文献

[1] 支家强, 赵靖, 辛亚娟. 国内外绿色建筑评价体系及其理论分析[J]. 城市环境与城市生态, 2010 (2):43-47.

[2] 住房和城乡建设部. 住房和城乡建设部关于发布国家标准《绿色建筑评价标准》的公告[EB/OL]. (2019-03-13)[2019-08-15]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201905/t20190530_240712.html.

[3] 住房和城乡建设部. 住房和城乡建设部关于发布国家标准《建筑信息模型设计交付标准》的公告[EB/OL].(2018-12-26)[2019-08-15]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201904/t20190420_240119.html.

[4] 住房和城乡建设部. 住房和城乡建设部关于发布行业标准《建筑工程设计信息模型制图标准》的公告[EB/OL]. (2018-12-06)[2019-08-15]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201904/t20201904_240106.html.

[5]International Organization for Standardization.ISO 29481-1. Building information models — Informationdelivery manual — Part 1: Methodology and format[S].

[6]Bolton A, Enzer M, Schooling J et al. The Gemini Principles: Guiding values for the national digital twin and information management framework[R]. Cambridge: Centre for Digital Built Britain and Digital Framework Task Group,2018.

[7] 张雷, 姜立, 叶敏青, 于贵有. 基于BIM 技术的绿色建筑预评估系统研究[J]. 土木建筑工程信息技术,2011,3(01):31-36.

[8]International Organization for Standardization. ISO 19650-1. Organization of information about construction works – Information management using building information modelling – Part 1: Concepts and principles[S].

[9]International Organization for Standardization. ISO 19650-2. Organization of information about construction works – Information management using building information modelling – Part 2: Delivery phase of assets[S].

[10]GB/T 50378-2019. 绿色建筑评价标准[S].

作者

 中国建筑标准设计研究院有限公司 魏来