استخدام تكنولوجيا نماذج معلومات المبانى (BIM) كأداة فى الحفاظ وترشيد الطاقة فى المبانى لتحقيق أحد مبادئ اﻻستدامة.

جامعة بنها

كلية الهندسة بشبرا

قسم الهندسة المعمارية

استخدام تكنولوجيا نماذج معلومات المبانى (BIM) كأداة فى الحفاظ وترشيد الطاقة فى المبانى لتحقيق أحد مبادئ اﻻستدامة.

مقدمه:

م. سماح احمد محمد خليل

2016

” ما هو دور استخدام تكنولوجيا نماذج معلومات المبانى (BIM) كأداة فى الحفاظ وترشيد الطاقة فى المبانى لتحقيق احد مبادئ اﻻستدامة؟”

الكلمات الدالة: BIM – الاستدامة – كفاءة استهلاك الطاقة – Green BIM

المقدمة :

يتطلّع العالم حالياً إلى التأكيد على الفكر المستدام في جميع المجالات بما في ذلك مجال العمارة والبناء فمصطلح العمارة المستدامة والعمارة الخضراء أصبحت مصطلحات مألوفة، تسعى الحكومات إلى وضع القوانين والأكواد والنظم لدعم تواجدهم ونشر الوعي بين الأفراد للتأكيد على أهميتهم لما لهذا الفكر من تأثير مباشر على البيئة والاقتصاد وصحة الانسان.

لكن الإرادة وحدها لاتكفي اذا لم يتواجد نظام لضبط الأداء وتقليل نسبة الخطأ ،خاصة في حال كثرة المُدخلات في عملية التصميم، لذلك كان هناك سعي لخلق هذا النظام الذكي الذي يدعم العملية التصميمية، وسوف تركز هذه الورقة على التعريف بهذا النظام والدور الذي يلعبه كأداة لدعم مبادئ العمارة المستدامة وبالأخص دوره في ترشيد الطاقة.

أهداف البحث:

التعرف على مفهوم العمارة المستدامة وأهم مبادئها.
التعرف على تكنولوجيا نماذج معلومات المباني (BIM).
التعرف على الدعم الذي تقدمة تكنولوجيا نمذجة معلومات المباني (BIM) للمباني المستدامة.
التعرف على أهم وظائف ومهام برامج تكنولوجيا نماذج معلومات المباني (BIM) المستخدمه لضبط أداء العمارة المستدامة والتي تدعم الحفاظ على الطاقة.

PAGE_BREAK: PageBreak1- العمارة المستدامة:

الاستدامة كمصطلح عام يشير إلى القدرة على التحمل، أما التنمية المستدامة فهي التنمية التي تلبي احتياجات الحاضر دون المساس بقدرة الأجيال المقبلة على تلبية احتياجاتها الخاصةFOOTNOTE: Footnote. والعمارة المستدامة أو العمارة الخضراء هو مصطلح عام يصف تقنيات التصميم الواعي بيئيًا. وهي عملية تصميم للمباني بأسلوب يحترم البيئة مع الاخذ في الاعتبار تقليل استهلاك الطاقة والمواد والموارد وتقليل تأثيرات الإنشاء والتشغيل على البيئة والانسجام مع الطبيعة. وتسعى العمارة المستدامة إلى التقليل من الآثار البيئية السلبية في المباني من خلال تعزيز كفاءة استخدام المواد والطاقة والمواقع.

1-1 مبادئ العمارة المستدامة:

وتتميز العمارة المستدامة عن مثيلاتها التقليدية بعدة سمات من اهم هذه السمات والمبادئ:

التأثير المنخفض للمواد (غير سامة، وتنتج على نحو مستدام أو من خلال إعادة تدويرها).
كفاءة الطاقة (طاقة أقل في التصنيع والإنتاج).
الجودة.
المتانة.
إعادة الاستخدام وإعادة التدوير للمواد والعناصر الانشائية.
محاكات النظم الطبيعية والتكيف مع المناخ.
استخدام المصادر المتجدده والمواد سريعة التجدد والتقليل من استخدام المواد الجديدة.
توفير بيئات داخلية صحية.

والحفاظ على الطاقة من أهم هذه المبادئ، فحماس اليوم للعمارة الخضراء والمباني المستدامة له أصوله المرتبطة بأزمة الطاقة في السبعينات من القرن الماضي، فقد بدأ المعماريون آنذاك يفكرون ويتساءلون عن الحكمة من وجود مباني صندوقية محاطة بالزجاج والفولاذ وتتطلب تدفئة هائلة وأنظمة تبريد مكلفة، ومن هناك تعالت أصوات المعماريين المتحمسين الذين اقترحوا العمارة الأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة ،هؤلاء المعماريون أصحاب الفكر التقدمي بدأوا باستكشاف وبلورة التصاميم المعمارية التي ركزت على التأثير البيئي طويل المدى أثناء تشغيل وصيانة المباني، وكانوا ينظرون لما هو أبعد من “التكاليف الأولية”(Initial Costs) للبناء، وقد دعمت نظم تقييم وتصنيف المباني الخضراء (the rating systems) هذا الفكر.

1-2 نظم تقييم المباني المستدامة والخضراء:

تأُسست مجالس فنية تهتم بالأبنية الخضراء للدول يطلق عليها (مجلس الأبنية الخضراء) من ضمن نشاطات تلك المجالس إعداد أنظمة لتقييم المباني وتحديد مستوى الالتزام بمتطلبات البيئة المستدامة للعمران وبما يتلاءم مع طبيعة الدول وبيئتها ومن أمثلة هذة النظمFOOTNOTE: Footnote:

حزم البرامج الأمريكية (القيادة في مجال الطاقة والتصميم البيئي (LEED).
النظام البريطاني (نظام التقييم البيئي لمؤسسة أبحاث البناء BREEAM)).
النظام الاسترالي(Green star) .
نظام التقييم الشامل لكفاءة البيئة العمرانية باليابان (CASBEE.
نظام التقييم Estidama (بالإمارات العربية المتحدة).
نظام التقييم المصري (الهرم الاخضر GPRS).

وغيرها من نظم التقييم التي بالرغم من اختلافها وتعددها إلا أنها تركّز على نفس الأهداف والمحاور التاليةFOOTNOTE: Footnote:

الموقع المستدام Sustainable Site.
كفاءة استخدام المياه Water Efficiency.
الطاقة والغلاف الجوي Energy and Atmosphere.
المواد والمصادر Material and Recourses.
جودة البيئة الداخلية Indoor Environmental Quality.
الابداع في التصميم (او التشغيل) Innovation In Design (or Operations).

ولكن يعطي كل نظام قيم مختلفة لهذه المحاور وفقاً لظروف الدولة، ويتم تقييم المبني بداية من التصميم وأثناء التشييد ثم بعد ذلك التشغيل ولاحقًا الهدم والزوال ومن ضمن متطلبات التقديم والاعتماد للمباني في كل هذه الأنظمة تقدم نماذج ورسومات للمباني يشترط في بعض الأحيان أن تكون نماذج معلوماتية لمراجعتها والتأكد من إمكانية تحقيق الأهداف المرجوة من التصميم، وسوف نتعرف على تكنولوجيا نماذج معلومات المبانى (BIM) فالجزء التالي.

2- تكنولوجيا نماذج معلومات المباني (BIM).

2-1 نشأتة ومفهومة:

بدأت فكرة ال BIM في الظهور في اواخر السبعينات من القرن الماضي وتم تطويرها مع الوقت ونشرت على نطاق عالمي عام 2003 لتكون عهدا جديدا في عالم التمثيل والتشكيل الرقمي للعناصر المعماريه ،وعملت شركات البرمجة مثل Graphisoft –Autodesk –Bentley FOOTNOTE: Footnoteعلى انتاج تطبيقات جديدة تعمل في هذا الاطار.

وكان اول برنامج يعمل بنظام BIM من انتاج شركة Graphisoft وتم انتاجة عام 1987 تحت اسم ArchiCAD ويعرف ايستمان FOOTNOTE: Footnote مصطلح نمذجة معلومات المباني على انه “عملية توليد وتنظيم مكونات المبنى على مدار دورة حياته أثناء تصميمه وذلك عن طريق محاكاة المبنى ببناء نموذج ثلاثي الأبعاد يحاكي المبنى بكل تفاصيلة والظروف والعوامل المؤثر عليه، وذلك للتأكد من كفاءة سير العملية التصميمية والتأكد من أداء المبنى”.

وتتعدى امكانياتBIM العملية التصميمية التي تشمل اختيار ووضع المكونات الرئيسية للمبنى مثل خامات التشطيبات والنظم الانشائية ونظم الإضاءة والتكيف والتغذية والصرف، بحيث تصل الإمكانيات إلى إجراء اختبارات لجميع هذة المكونات والنظم للتأكد من عدم وجود تعارض بينها. كما يمكن استخدام هذه النماذج لتحليل كفاءة المبنى من حيث استهلاك الطاقة وذلك من خلال اختبار مجموعة من السيناريوهات للتأثير على المبنى بمؤثرات خارجية مختلفة وتحديد أفضل الحلول FOOTNOTE: Footnote، وكلما زادت التفاصيل زادت دقة الحل المقترح. وتتضمن هذه النظم عملية تصميم وتشييد المبنى رقميا من عناصر ووحدات ومكونات أولية عامة أو منتجة ومصنعة في العالم الحقيقي، حيث تمتلك هذه العناصر خصائص هندسية وصفات وعلاقات ترتبط بها، وتنظم عملية إدراجها وارتباطها ببعضها ضمن التصميم. إذ يسمح خيار تخزين البيانات اللارسومية بإدراج عدد من المعلومات الوصفية كالخصائص الفيزيائية والأبعاد والكميات والسعر لكل عنصر من عناصر التصميمFOOTNOTE: Footnote، مما يسهل عملية تكوين واستخلاص جداول الكميات والجداول الزمنية لسير العمل وقواعد البيانات والتحكم بها أثناء العملية التصميمية.

2-2- مميزات استخدام (BIM) في مجال البناء بشكل عام:

مما سبق نستطيع أن ندرك مدى اهمية استخدام تكنولوجيا نماذج معلومات المبانى (BIM) ومن الممكن توضيح هذه الاهمية في النقاط التالية:

اكتشاف وحل التداخلات والمشاكل اثناء التصميم.
دعم التعاون بين جميع التخصصات وربطهم معا في نموذج واحد (المعماري والإنشائي والكهربائي والميكانيكيى ومهندسو التصميم الداخلي).
التوصيف والحصر الدقيق لجميع أجزاء المشروع.
تخفيض تكلفة المشروع.
تقليل الوقت اثناء التنفيذ حيث لن يتعطل العمل من اجل حل تعارض لم يكتشف اثناء التصميم.
تقليل الهالك في المشروع بنسبة كبيرة جدًا.
يساعد في عملية التشغيل والصيانة بعد انتهاء المشروع.
سهولة التعديل بالنموذج.
يدعم التوجهات الحديثة عالميًا لتوظيف واستخدام آليات البناء المسبق الصنع.
يمثل تقنية مراقبة ووسيلة انذار وتنبيه إدارية لجميع أجزاء المبنى، وأداة لجدولة أعمال الصيانة والترميم التي يحتاجها أثناء فترة إشغاله.
يعد أداة لتوثيق المبنى.

3- تكنولوجيا نمذجة معلومات البناء (BIM) والمباني المستدامة (Green BIM):

يُعرف التداخل بين تكنولوجيا نمذجة معلومات المبانى (BIM) والمباني المستدامة بمسمى (GreenBIM) وهو مسمّى أصبح رائجاً على الرغم من عدم وجود تعريف أكاديمي واضح له ولكن يمكننا القول بأنه استخدام أدوات تكنولوجيا نمذجة معلومات المباني (BIM) لتحقيق الاستدامة وتحسين أداء المبنى، وقد تم تعريفهFOOTNOTE: Footnote بـ “أنه عملية قائمة على إنشاء نموذج لإدارة وتوليد البيانات للمشروع على مدار دورة حياته لتيسير تحقيق أهداف الاستدامة “.

3-1 وظائف برامج تكنولوجيا نماذج معلومات المباني (BIM) المستخدمه لضبط أداء العمارة المستدامة

تقوم بعض برمجيات الـ (BIM) بجعل النموذج المنشأ متوافق مع أنظمة التقييم للمباني الخضراء مثل الـ LEED فتقوم بإصدار البيانات المطلوبة للحصول على شهادات النظام، وتتعد هذه البرمجيات الخاصة بالـ (BIM) والتي تدعم استدامة المبنى فمنها ما يعمل على خصائص المبنى ككل ومنها مايقتصر دوره على أداء وظيفة واحدة وسوف يتم استعراض بعض وظائف هذه التقنيات والبرمجيات وإظهار أبرز ما تقوم به من مهام:

دراسة حركة الهواء بين الفراغات في المباني.
دراسة حركة الشمس وشدة السطوع الشمسي.
دراسة حركة الموائع وحركة السوائل لمعرفة حركة الهواء من حيث الضغط والسرعة والحرارة.
تصميم وتوزيع الإنارة في المباني وداخل الفراغات لتفادي تشتيت وإهدار الإضاءة وحسن استغلالها.
دراسة الأحمال الحرارية للمبنى ونسب انبعاث ثاني اوكسيد الكربون.
دراسة الخامات الموجودة بالمبنى.
احتساب التكلفة للاحمال الكهربائية.
حساب كمية المياه للمستخدمين.
حساب الحرارة الداخلية للمبنى.
حساب نسبة الأظلال للمبنى على مدار العام لتحسين الاداء الحراري المبنى وتفادي الاضاءة المباشرة.

PAGE_BREAK: PageBreak

3-2- نمذجة الطاقة Energy Modeling

على الرُّغم من أن النقاط السّابقة تبدو منفصلة إلا ان جميعها له تأثير مباشر على ترشيد الطاقة وهنا يبرز مصطلح يدعى نمذجة الطاقة Energy Modeling وهو من الإجراءات المهمة التي تعطي صورة واضحة حول كمية استهلاك الطاقة الكهربائية للمبنى وكيفية استهلاكه بين الأحمال الكهربائية المتعدده (الإنارة، الاجهزة الكهربائية، التكييف، التدفئة، المضخات، أجهزة تسخين المياه ..الخ)، وذلك قبل تشييد المبنى من خلال نمذجة الطاقة لكي يسمح لنا بتغير أي متغيرات وملاحظة انعكاسها على بقية الأحمال الكهربائية وهناك العديد من برمجيات (BIM) التي تقدم هذه التقنية منها على سبيل المثالFOOTNOTE: Footnote (Autodesk Revit, eQuest, Design Builder, IES….etc)

وتعد نمذجة الطاقة محاكاة افتراضية للمبنى او للمشروع ترتكز على استهلاك الطاقة لمختلف البنود ذات الصلة بالطاقة مثل التكييف والاضاءة والماء الساخن وغيرها، كما انها تستخدم لتقييم المردود من حلول الطاقة الخضراء مثل الالواح الشمسية والخلايا الكهروضوئية وتوربينات الرياح والاجهزه ذات الكفاءة العالية ولفهم مفهوم نمذجة الطاقة يجب فهم كيفية محاكاة المبنى، حيث تعتبر محاكاة المبنى هي عملية استخدام الكمبيوتر لبناء نسخة طبق الأصل للمبنى الفعلي، يتم بناء المبنى من الأجزاء المكونة له على الكمبيوتر ويتم تنفيذ المحاكاة من خلال الظروف الجوية خلال عام كامل، ومحاكاة البناء هو وسيلة للتنبؤ بالمستقبل ولهذا لها قيمة كبيرة. وتنقسم محاكاة البناء عادةً إلى فئتين: تصميم الحمل Load Desig ، وتحليل الطاقة Energy-Analysis. والتعبير الرائج لمحاكاة المبنى بهدف دراسة الطاقة هو نمذجة الطاقة.

ولتصميم الحمل Load Design يتم تحديد ما يلي:

أحمال تكييف الهواء (كمية الطاقة اللازمة للتبريد / للتدفئة التي يحتاجها)
متطلبات تدفق الهواء (كمية الهواء اللازمة لتبريد / لتدفئة الفراغات)
قدرات المعدات والاجهزة
إمدادات الحرارة
قدرات إمدادات ري النبات (يفترض أسوأ حالة وهي الحمل كامل في وقت واحد)

ويتم استخدام تحليل الطاقة أو نمذجة الطاقة Energy-Analysis في:

التنبؤ بمقدار استهلاك الطاقة شهريا والفواتير.
التنبؤ بتكلفة الطاقة السنوية.
التنبؤ بمقدار انبعاثات CO2 السنوية.
مقارنة ومفاضلة خيارات الكفاءة المختلفة.
تحديد فترة الاسترداد لمختلف الخيارات.

مما يوضح أهمية نمذجة الطاقة في مرحلة التصميم ويعمل على ضبط الاستهلاك والوصول به احيانًا لمرحلة صفرية للاستهلاك وذلك بالموازنة بين ما سيتم استهلاكه في المبنى، وما سيتم انتاجة من مصادر إنتاج الطّاقة المتّجددة وهو أمر لا يمكن تحديده دون نمذجة معلومات المبانى وتوصيف كافة المدخلات للوصول إلى تنيجة شبه حقيقة للوضع المستهدف.

الملخص والنتائج:

مما سبق نستطيع أن نجزم بأن تكنولوجيا نمذجة معلومات المباني BIM بأدواتها وبرامجها المتعددة جزء أساسي في العملية التصميمية للمباني المستدامة لما تقدمة من دعم لضبط الاداء وخاصة في ظل تكدس المدخلات والعوامل المؤثرة على التصميم المستدام، ولما تقدمه من دور هام في تحديد الأداء الطاقي للمبنى من ضبط واختيار ومفاضلة للسيناريوهات التي سيتم إدارة الطاقة من خلالها في المبنى، حيث تتعدد الاستراتيجيات والحلول لدعم كفاءة استهلاك الطاقة بالمباني (ما بين حلول تقليدية وتصميم سالب وبين استخدام للتكنولوجيا والمواد والنظم الحديثة) والاختيار من بين هذه الحلول وتحديد الأنسب منها يحتاج إلى أداه لدعم اتخاذ القرار وهو ما يمثلة دور الـBIM في مرحلة التصميم لما يمكن أن يقدمة من احصاءات وقياسات افتراضية وتنبؤات بالاستهلاك وكيفية الأداء، وهو مايحتاجه فريق العمل لتحديد القرار الخاص بالاستراتيجيات التي سيتم اعتمادها فهو بمثابة أرض صلبة لاتخاذ القرار وأداة دعم في مرحلة التصميم والتنفيذ وتختصر الكثير من الوقت والمال المهدور في اتخاذ قرارات غير مدروسة ومختبره وغير متوقع مدى فعاليتها في ظل الظروف المحيطة بالمشروع والذي يتميز بموقعة وخصائصة المكانية عن أي مشروع آخر حتى وإن كان مجاور له.

المراجع:

1. Anderson M. Lewis,” THE PERCEIVED VALUE OF USING BIM FOR ENERGY SIMULATION”, Colorado State University (2014).

Becerik-Gerber, Burcin, and Karen Kensek. “Building information modeling in architecture, engineering, and construction: Emerging research directions and trends.” Journal of professional issues in engineering education and practice136.3 (2009): 139-147.‏

Dowsett, R. M., and C. F. Harty. “EVALUATING THE BENEFITS OF BIM FOR SUSTAINABLE DESIGN–A REVIEW.” http://www. reading. ac. uk/web/FILES/tsbe/Dowsett_TSBE_Conference_Paper_2013. pdf accessed on 19.12 (2013): 2014.

Gonzales, Aaron J. Thinking smart: Incorporating Smart Buildings design theory, Building Information Modeling, and Integrated Project Delivery into architecture design school curriculum. Diss. Capella University, 2014.

Jalaei, Farzad, and Ahmad Jrade. “Integrating building information modeling (BIM) and LEED system at the conceptual design stage of sustainable buildings.” Sustainable Cities and Society 18 (2015): 95-107.

Krygiel, Eddy, and Brad Nies. Green BIM: successful sustainable design with building information modeling. John Wiley & Sons, 2008

KHEE POH LAM,” Sustainability Performance Simulation Tools for Building Design”, Article, Carnegie Mellon University,

Linda Reeder –Guide To Green Building Rating Systems ,Understanding LEED,Green Globes ,Energy Star , The National Green Building Standard ,And Moor –John Wiley &Sons,Inc 2010

Lee, Ghang, Rafael Sacks, and Charles M. Eastman. “Specifying parametric building object behavior (BOB) for a building information modeling system.”Automation in construction 15.6 (2006): 758-776.‏

Shahaboddin Hashemi Toroghi,” A LEED-Based Building Information Framework For BIM”, California State University, Long Beach(2013).

The Brundtland Definition (World Commission On Environment And Development (1987) Our Common Future, Oxford University Press, Geneva, Switzerland. WCED 1987: 8,43