BIM-based Sustainability Analysis: An Evaluation of Building Performance Analysis Software اإلستدامة بإستخدام تقنيات نمذجة معلومات البناء :BIMتقييم برمجيات تحليل أداء المباني المقالة التالية ترجمة لمختصر ورقة علمية بعنوان :اإلستدامة بإستخدام تقنيات نمذجة معلومات البناء :تقييم برمجيات تحليل أداء المباني للباحثين: Rizwan Farooqui Florida International University Miami, Florida
Salman Azhar and Justin Brown Auburn University Auburn, Alabama
المقدمة وأهداف البحث: مع إرتفاع تكلفة الطاقة واإلتهتمام المتاادد بالبيئة ،فإن الطلب على بناء منشآت مستدامة مع الحد األدنى من التأثير البيئي دتاادد.وإلن القرارات األكثر فعالية بشأن االستدامة في مجال البناء دتم إتخاذتها في مراحل مبكرة للتصميم ومراحل ماقبل اإلنشاء. ودعرض لنا الباحثان في تهذه الورقة العلمية كيف أن نمذجة معلومات البناء ) (BIMدمكن أن تساعد في إجراء تحليل أداء مبنى لضمان التصميم األمثل البناء المستدام .وفي تهذا البحث اإلستطالعي سيتم تقييم ثالثة برامج تستخدم في تحليل أداء المباني ؛ تهذه البرامج تهي : Ecotect™ .1 Green Building Studio™ (GBS) .2 Virtual Environment™ .3
سيتم تقييم تهذه البرامج للتحقق من مدى مالءمتها كتطبيقات BIMلتحليل أداء المباني المستدامة بإستخدام أحد تقنيات تسجيل الوزن الرقمي التحليلي .في النهادة ،دقدم الباحثان إطار مفاتهيمي لتوضيح كيف دمكن لشركات البناء إستخدام الـ BIMلتحليل اإلستدامة وإستخداماته مع نظم قياس الـ ® LEEDفي المباني ومرافقها. ومن الجددر بالذكر أن الباحثان قد أوضحا نطاق البحث دقتصر على مشاردع المباني التجاردة والرعادة الصحية. طريقة البحث )(Methodology تم تجميع البيانات المطلوبة للبحث من خالل عمل مراجعة لألبحاث العلمية السابقة باإلضافة إلى إستعراض دليل اإلستخدام للبرامج الثالثة وعمل لقاءات دوردة مع المتخصصين في تهذا المجال؛ وقد كانت شركة Holder Construction Company ( )HCCومقرتها أتالنتا تهي الداعم الرئيسي في تهذا البحث؛ وتهي شركة مقاوالت عامة متوسط عائداتها السنودة دساوي تقردباً مليار دوالر أمردكي وتهي إحدى الشركات الرائدة في أسواق جنوب شرق أمردكا في إستخدام تكنولوجيا الـ BIMوحائاة على جائاة .the AGC National BIM award in 2007 تحليل اإلستدامة بإستخدام تقنيات الـ BIM كما تهو الحال مع النماذج والرسوم الماددة التقليددة ،وتقييم األداء بناء على أساس الرسوم البيانية أو عناصرالـ CAD؛ وحيث أن الحلول التقليددة تتطلب قدراً كبيراً من التدخل البشري والكثير من التفسير ،مما دجعل عمليات التحليل مكلفة للغادة و /أو
تستغرق وقتا طودال ) .(Autodesk, 2005وأشار إستطالع أجراه the Center for Integrated Facility Engineering ) (CIFEفي جامعة ستانفورد أن األسباب االقتصاددة تهي من بين األسباب الرئيسية لعدم تنفيذ إجراءات التصميم والبناء المستدامة من قبل غالبية المشاركين في االستطالع ) .(CIFE, 2004وحيث أن منهجية نمذجة معلومات البناء BIMتقوم على تمثيل المبنى كقاعدة بيانات متكاملة منسقة ؛ وتهذا دعني التصور الواضح لشكل المبنى وتوفير الكثير من البيانات الالزمة لدعم التصميم المستدام بشكل طبيعي في مراحل المشروع المختلفة .باإلضافة إلى ذلك فإن دمج نمذجة معلومات البناء BIMمع أدوات تحليل األداء دسهل بشكل كبير من التحيليالت المعقدة .تهذا النهج دعطي المهندسين المعماردين سهولة الوصول إلى األدوات التي توفر إستجابة فوردة على بدائل التصميم في وقت مبكر من عملية التصميم .وقد أشار ) Krygiel and Nies (2008إلى أن الـ BIM دمكن أن دساتهم في الجوانب التالية من التصميم المستدام:
توجيه المبنى ( التوجيه األمثل الذي دؤدي إلى إستهالك الحد األدنى من الطاقة)
كتلة المبنى ( تحليل شكل المبنى وإقتراح الواجهات المثلى له)
اإلضاءة الطبيعية
تجميع المياه (للحد من إحتياجات المبنى لمصادر المياه)
تصميم نماذج إستهالك الطاقة (للحد من إستهالك الطاقة وتحليل إمكانية إستخدام مصادر الطاقة االمتجددة)
إستخدام المواد المستدامة وإستخدام المواد المعاد تدودرتها (للحد من إستنفاذ المصادر الطبيعية للمواد)
في المشاردع التي تسعى للحصول على شهادة ® LEEDتجد أن معظم النقاط تتطلب تسليم الرسومات التي تدعم الحصول على تهذه النقاط ؛ وعلى الرغم من أن معظم تهذه الرسوم دمكن إعدادتها باستخدام برامج CADالتقليددة ،إال أن برمجيات BIMتنتج تهذه الرسوم بشكل أكثر كفاءة كجاء من نموذج معلومات المبنى ؛ ولها مياة إضافية تتمثل في التحول التكنولوجي في الملفات البارامتردة ،الذي دنسق التغييرات ودحافظ على اإلتساق في جميع األوقات .وبهذا ال دحتاج المستخد تحددث الرسومات وال الروابط ددوداً ؛ وأدضا ً تهذه النماذج تحمل ثروة من المعلومات عن جوانب أخرى كثيرة من التصميم المستدام و /أو شهادة ® .LEEDعلى سبيل المثال ؛ الجداول الامنية لمكونات المبنى دمكن الحصول عليها مباشرة من النموذج لتحددد النسب المئودة إلعادة إستخدام المواد وإعادة التدودر ،والقيمة النهائية لها .وباإلضافة إلى ذلك ،دمكن للتقنيات النمذجة المتقدمة إقناع العمالء المتشككين بأن التصميم األخضر دؤدي بشكل جيد وتبدو جيدة .أكثر من عشردن نقطة في أنظمة تقييم ® LEEDدمكن الحصول عليها ودعمها بإستخدام منهجية نمذجة معلومات البناء .BIM تطبيق المقارنة على حالة عملية تم إختيار مشروع Emory University’s Psychology Buildingالحاصل على شهادة LEED® Silver؛ وبناءاً على طلب الشركة الداعمة للدراسة () )Holder Construction Company (HCCتم إختيار البرامج المذكورة أعاله وتحليلها من قبل قسم نمذجة معلومات البناء BIMلدى الشركة .وقد استخدم BIMفي وقت مبكر لمرحلة التصميم لتحددد أفضل توجيه للمبنى وتقييم مختلف خيارات التصميم للواجهات ( مصمتة ؛ واجهات زجاجية ؛ إستخدام أنواع مختفة من النوافذ) مع تحليل اإلضاءة الطبيعية وعمل التقاردر الالزمة للحصول على نقاط اإلضاءة الطبيعية وفقا ً لمتطلبات ® .LEEDأنظر )(Figure 1
Figure 1: Use of BIM for Options Analysis and Sun Studies in the Emory Psychology Building (Courtesy of: Holder Construction Company, Atlanta, GA)
والتكامل بين برامج تحليل أداء المبنىBIM ( الذي دوضح عملية نمذجة المعلوماتFigure 2) وبالرجوع إلى الشكل التالي . المربعات على الجانب األدمن تشير إلى مياات البرنامج لتقييمها في تهذا التحليل.التي تحدد مختلف خطوات نقل البيانات
Figure 2: Integration of BIM and Building Performance Analysis Software (Courtesy of: Holder Construction Company, Atlanta, GA)
وفيما يلي نستعرض بإختصار طبيعة عمل البرامج موضوع التتقييم من حيث اإليجابيات والسلبيات:
™Ecotect ™ Ecotectمن إصدارات شركة Autodesk, Inc.,وتهو "للعمل على التصميم الكامل للمبنى وأداة تحليل بيئية ؛ تغطي مجموعة كاملة من وظائف المحاكاة والتحليل الالزمة لفهم كيفية أداء التصميم والتشغيل للمبنى بشكل دقيق" )(Autodesk, 2008
الخواص األساسية للبرنامج تعمل على تحليل الطاقة والتحليل الحراري واإلضاءة /تحليل الظالل .من سمات تحليل الطاقة والتحليل الحراري أنها تأخذ في االعتبار عوامل مثل إدارة الموارد ،واألحمال التدفئة والتبردد والتهودة وتدفق الهواء .أدوات تحليل اإلضاءة /الظالل تتيح فرصة لتحليل الطاقة الشمسية ،و تحليل right-to-lightوتقييم اإلضاء الطبيعية ،وتصميم الظالل، وتصميم اإلضاءة كما دسمح بتحليل بعض عناصر التصميم األخرى مثل التحليل الصوتي .أنظر ).(Figure 3
)Figure 3: Ecotect™ “Pros” and “Cons” (Courtesy: HCC, Atlanta, GA
)Green Building Studio™ (GBS ™Green Building Studioأدضا ً من إصدارات شركة Autodesk, Inc.,وتهي خدمة تحليل الطاقة على شبكة اإلنترنت التي تسمح للمستخدمين لتقييم األثر البيئي لمكونات المبنى في وقت مبكر من مرحلة التصميم .الخواص األساسية للبرنامج تعمل على تحليل الطاقة والتحليل الحراري ،و تحليل اإلضاءة والظالل ،و تحليل القيمة /التكلفة .أداة الطاقة /التحليل الحراري تعمل على تقييم استخدام الطاقة وتخفيض انبعاثات الكربون ،والتهودة وتدفق الهواء .وأدوات تحليل اإلضاءة /الظالل تعمل على تقييم اإلضاءة الطبيعية وتشمل سمات .LEED® Daylight Credit 8.1وأدوات القيمة/التكلفة تعمل على تحددد وتقييم دورة حياة المبنى ( Life Cycle Assessment)LCAوتكاليف دورة حياة المبنى ( Life Cycle Cost)LCCأنظر(.)Figure 4
)Figure 4: Green Building Studio™ “Pros” and “Cons” (Courtesy: HCC, Atlanta, GA
™Virtual Environment برنامج الحلول البيئية المتكاملة ™Virtual Environmentتهو مجموعة من أدوات التحليل المتكامل ألداء المباني .توفر تهذه األدوات تحليل الطاقة الشمسية ،واإلضاءة ،والطاقة ،والتكاليف ،والمخارج ،وغيرتها الكثير .وتشمل أداة الطاقة /التحليل الحراري استخدام الطاقة وتخفيض انبعاثات الكربون ،والتحليل الحراري ،وتقييم أحمال التدفئة /التبردد ،وتقييم التهودة /تدفق الهواء. وتشمل وأداة اإلضاءة /الظالل تحليل الطاقة الشمسية ،و تقييم اإلضاءة الطبيعية وتشمل سمات LEED® Daylight Credit .8.1وأدوات القيمة/التكلفة تعمل على تحددد وتقييم دورة حياة المبنى ( Life Cycle Assessment)LCAوتكاليف دورة حياة المبنى ( Life Cycle Cost )LCCأنظر(.)Figure 5
)Figure 5: IES Virtual Environment™ “Pros” and “Cons” (Courtesy: HCC, Atlanta, GA
تقييم برامج تحليل أداء المباني لتقييم أداء تهذه البرامج ألنواع مختلفة من تحليل اإلستدامة واختيار أفضل البرامج ،تم إجراء تحليل التالي ؛ وأعدت قائمة االختيار من العددد من مياات االستدامة (فيما دتعلق بتصنيف ® .)LEEDوتم إعطاء كل عنصر من عناصر التقييم وزن رقمي والذي دمثل أتهميته بالنسبة للعناصر األخرى .تهذه األوزان النسبية تم تحدددتها بناءاً على قرار خبراء في (® )BIM & LEEDمن شركة ( Holder Construction Company )HCCمن خالل خبرتهم .بعد ذلك ،قام نفس الفردق بتقييم تهذه المياات في كل البرامج وأعطى كل مياة درجة بين 1إلى 11؛ ثم تم حساب الدرجة الكلية الموزونة على النحو التالي: مجموع النقاط المرجحة = (ترتيب النتيجة لكل مياة (×) عامل الوزن من تهذه المياة) Σ )Total Weighted Score = Σ (Ranking score for each feature) x (Weight factor of that feature وكما تهو مبين في الجدول رقم ،1وحصل برنامج ™ IES Virtual Environmentعلى الدرجة األعلى ،وبالتالي دمكن إعتباره أفضل برنامج BIMلتحليل اإلستدامة. )Table 1: Building Performance Analysis Software Evaluation Matrix (Source: HCC, Atlanta
اإلطار المفاهيمي لتحليل استدامة القائم الـ BIM (الشكل رقم )6دوضح اإلطار المفاتهيمي لتحليل اإلستدامة بإستخدام الـ BIMخالل دورة حياة المشروع أو (مراحل المشروع) ؛ حيث دشير الجاء األدسر إلى مراحل المشروع حسب أو (أقسام المشروع في الشركة) ؛ والجاء األوسط دوضح العددد من عناصر تحليل اإلستدامة في حين دشير الجاء األدمن إلى تفاعل أصحاب المصلحة ( )Stakeholdersالخارجيين )مثل العمالء أو الشركاء في المشروع ( مع عناصر تحليل اإلستدامة .تهذا اإلطار دمكن إستخدامه من قبل الشركات التي ترغب في تحليل اإلستدامة بإستخدام الـ .BIMمع مراعاة أن تهذا اإلطار مازال في مرحلة الدراسة األولية حيث أنه الزال محل البحث ؛ ودأمل الباحثان أن دتم تطودره وتنقيحه مستقبالً.
Figure 6: A Conceptual Framework for BIM-based Sustainability Analysis
إستنتاجات البحث إستنتج الباحثان أن تهذه الدراسة أوضحت أن إستخدام تطبيقات الـ BIMدمكن أن دسهل كثيراً من العمليات المعقدة في التصميم المستدام مثل تحليل اإلضاءة الطبيعية وحركة الشمس حول وداخل المبنى وأتممة األعمال التي تتطلب مجهوداً ووزقتاً مثل إختيار المواد وتقددر التكاليف والجدولة الامنية لمراحل اإلنشاء من خالل اإلستفادة من توفر تنسيق كل معلومات المشروع في نموذج واحد متكامل .وباإلستناد إلى تقييم ثالثة برامج تحليل أداء المباني فقد إستنتج البحث أن برنامج ’Environmental Solutions ™ Virtual Environmentدبدو أكثر تنوعا ً وقوة من حيث القدرة على التحليل ؛ وعلى الرغم من أن برنامج ™Ecotect دعتبر أقوى من ™ Green Building Studioفي عدة عوامل مثل تحليل األداء الحراري والطاقة الشمسية واإلضاءة الطبيعية إال أنه دبدو األقل تنوعا ً من في الترتيب؛ ودرجع ذلك لعدم توافقه مع تحيليل القيمة /التكاليف ومتطلبات ® LEEDوتهما العامالن األكثر إستهدافاً في تهذه الدراسة .حصل ™ Green Building Studioعلى الدرجة األقل في المجموع الكلي للدرجات ولكنه أكثر تنوعا ً من ™ Ecotectفيما عدا في قدرته على تحليل األداء الصوتي .مخرجات البرامج الثالثة ( Environmental ™ )Solutions’ Virtual Environment™, Ecotect™ and Green Building Studioلم دتعرض البحث لمدى توافقها مع برنامج ™ DOE Energy Plus؛ ومع ذلك فإن واحد من تهذه البرامج وتهو ™ Green Building Studioمتوافق مع دستند إلى محرك وزارة الطاقة .DOE-2وقد ساعد اإلختبار الشامل لألخطاء لبرنامج ™ Green Building Studioفي تقليل عدد األخطاء أثناء إنشاءه لملفات gbXMLالصالحة لإلستعمال ؛ وعليه فإن الباحثان واثقان من أن النتائج في حدود المسموح .في الوقت نفسه ؛ وبالرغم من أن الـ (™)Environmental Solutions’ Virtual Environment™, Ecotect ال دستندان في عملهما على محرك وزارة الطاقة DOE-2إال أنهما دسمحان للمستخدم بتحددد المواد والفراغات واألنظمة المستخدمة وخالفه لدراسة أكثر تفصيالً من خالل العمل على البرنامجين .اقتصرت تهذه الدراسة على شركة واحدة فقط في نطاق البحث ومشاركة الخبراء ؛ وبالتالي فإنها ربما تكون قد أغفلت عدة عوامل
ترجمة
مبادرة مهندس معماري /ياسـر أبو السعود تعريب هي مبادرة لترجمة األبحاث والمنشورات العلمية وما يتعلق بها إلى اللغة العربية بهدف إثراء المكتبة العربية والتيسير على الباحث العربي الوصول إلى المراجع التي يحتاج إليها في مشواره البحثي.