基于BIM模型的肇慶新區(qū)體育館室內氣流組織CFD模擬分析

李 明，李燚超（浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310013）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展及對體育事業(yè)的重視，體育館建設項目逐漸增多。尤其是近幾年我國體育健兒屢創(chuàng)佳績、全民健康意識不斷提高，對體育館建設提出了更高的要求。體育場館項目，因其體量龐大、功能復雜、要求嚴格，歷來都是大型公共建筑建設的重點和難點。體育館建筑屬于大空間建筑，合理的氣流組織形式關系到比賽的順利進行、觀眾的舒適度和場館的空調能耗。因而，通風空調系統(tǒng)是體育館建筑品質和舒適度的重要保障，是“綠色體育建筑”思想的重要體現(xiàn)。

考慮到體育場館項目建設的管理難度，眾多體育場館項目建設采用了全過程工程咨詢服務模式。所謂全過程工程咨詢服務，是指對工程建設的決策、設計、招標投標、施工和竣工驗收等各階段，運用現(xiàn)代化的技術和科學的管理手段，連續(xù)對項目進行全過程控制，使項目始終朝著可控的方向發(fā)展。雖然設計質量對項目投資造價控制、建筑品質和舒適度保障具有重要影響，是全過程工程咨詢服務的關鍵一環(huán)，但是受限于設計管理人員的專業(yè)技術水平和相關軟件應用水平，設計管理工作始終是全過程工程咨詢服務的薄弱環(huán)節(jié)。

BIM 是建筑信息模型的簡稱。BIM 技術的產(chǎn)生與發(fā)展對傳統(tǒng)工程建設項目的運作模式產(chǎn)生了重大影響。在設計管理過程中，依靠 BIM 技術強大的可視化及漫游功能，設計管理人員可直觀地了解項目，及時發(fā)現(xiàn)錯、漏、碰、缺等問題。隨著對 BIM 技術研究的逐漸深入，BIM 技術由最初的以可視化為目的的 BIM 三維模型，逐步發(fā)展到具有屬性信息、過程管理信息的 BIM 建筑信息化模型。面對如此多的信息，如何深入分析數(shù)據(jù)信息、挖掘數(shù)據(jù)價值，是目前乃至今后 BIM 技術的主要研究方向。

開展建筑性能分析，就是BIM深度應用建筑各類屬性信息的典型應用點。目前，建筑性能分析主要包括能耗分析、日照分析、噪聲分析和氣流模擬（CFD）分析。CFD 是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱。CFD 模擬分析類似于在計算機中進行虛擬試驗，是研究氣流組織的重要技術手段，被廣泛應用于各領域的流體類問題分析。隨著 BIM 技術的發(fā)展，BIM 模型擁有強大的屬性信息和豐富的族庫，從而為基于 BIM 模型的 CFD 模擬分析提供了諸多的新優(yōu)勢。本文以廣東肇慶新區(qū)體育中心體育館項目為例，介紹在項目設計管理過程中，如何運用基于 BIM 模型的 CFD 技術，驗證空調系統(tǒng)設計的正確性，分析大空間氣流組織的合理性。供業(yè)內人士參考。

1 項目概況

廣東肇慶新區(qū)體育中心以“硯生水墨”為主題，包含“一場兩館”。一場是建筑面積為 27 500 m2、擁有 20 000 個觀眾席位的專業(yè)足球場（含足球博覽館）；兩館分別是建筑面積為 30 000 m2、擁有 6 000 個固定座位與 2 000 個活動座位的體育館和內含兩個籃球場及相應配套設施的訓練館。本文以綜合體育館為分析對象。體育館主體采用鋼筋混凝土框架結構，外形近似圓柱體，高度為 33.5 m，弦支穹頂跨度約為 130 m。比賽場位于正中心，尺寸為 75 m×50 m，四周座位共 15 排。在寬度方向兩側高度為 14 m 處分別設置媒體中心。

2 基于 BIM 模型的 CFD 軟件介紹

Fluent 是目前最主流的 CFD 軟件，因其精度高、使用范圍廣等優(yōu)點而被廣泛應用，但其缺點如兼容性較差、需要單獨為其建模、前處理器建模過于簡化、網(wǎng)格劃分要求高、不易上手等，也限制了廣大工程人員的使用。隨著 BIM 技術的發(fā)展及相關軟件的研發(fā)，基于 BIM 模型的 CFD 技術日趨成熟。本項目以 Revit 為建模軟件、以 Autodesk CFD 為分析軟件，充分體現(xiàn)出以下優(yōu)勢。

（1）完全耦合建筑設計流程，保證設計過程的連續(xù)性。Autodesk CFD 安裝后，Revit 會自動生成附加模塊。因此，以 Revit 軟件建模，只需一鍵即可生成分析模；并且兩個軟件一脈相承，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

（2）強大的族功能和豐富的模型信息，使分析模型更加精確和貼近實際。此外，運用 Revit 的規(guī)則可以為幾何體添加材料屬性和邊界條件。

（3）軟件采用有限元分析法，可自動生成高質量的網(wǎng)格，無需人為繪制，極大地降低了入學者的門檻。

（4）強大的后處理功能，方便了設計方案的比選。

3 分析過程

3.1 建立物理模型

考慮到模擬過程中的計算量問題，對模型進行如下簡化處理：長度方向氣流保持不變，截取長度方向 5 m 為研究對象；鑒于人體模型的不規(guī)則性，增加人體模型會極大地增加網(wǎng)格數(shù)和計算量，因此人體模型僅設置一列，但為了切合實際，人員產(chǎn)熱量按 1 人/m 均勻分布在看臺上；考慮到頂部氣流及溫度為非研究重點，故將復雜的頂部區(qū)域簡化為平頂。依據(jù)設計文件，本體育館采用兩側噴口側送風、下部側回風的氣流組織形式。送風口采用 Φ630 的圓形旋流風口，且設置在媒體中心底板下，以達到貼附射流、增加氣流射程的效果。經(jīng)計算，射流風速取 7 m/s，送風溫度取 18℃?；仫L口位于看臺下部，尺寸為 2 000 mm× 800 mm。

3.2 數(shù)學模型和邊界條件

氣流滿足流體力學連續(xù)性方程、能量方程和動量方程三大基本方程。數(shù)值計算采用傳統(tǒng)的經(jīng)典湍流 K-epsilon 算法，不再贅述。各類邊界條件，如表 1 所示。

表1 各類邊界條件

4 結果與討論

依據(jù) JGJ 31－2003《體育建筑設計規(guī)范》中表 10.2.3、條文說明及其他相關文獻，評價氣流組織的合理性主要有氣流速度、溫度和人體熱舒適指標（PMV）三個指標。其中最重要的是氣流速度。考慮到本體育館會舉行羽毛球等賽事，要求比賽區(qū)平均氣流速度不大于 0.2 m/s；為了保證人體良好的舒適度，減少側送風引起的“后腦風”的影響，觀眾區(qū)氣流平均速度不大于 0.5 m/s。其次是溫度指標。要求觀眾看臺上部和下部的溫差不能太大，不宜超過 2℃。PMV 指標則代表了一個環(huán)境絕大多數(shù)人（80%）的冷熱感覺，共分 7 個等級（見表 2）。為了保證人體良好的舒適度，PMV 宜介于－1～＋1 之間。

表2 人體冷熱感覺與 PMV 的對應關系

通過模擬分析，得出了氣流速度、溫度、PMV 的數(shù)據(jù)。運用 Autodesk CFD 后處理功能，將數(shù)據(jù)圖形化。

通過數(shù)據(jù)可知，氣流模擬基本符合理論推測，在貼附射流下，氣流明顯分層，上部氣流做渦旋流動，較少參與功能區(qū)的流動與換熱。溫度分布也可說明氣流分層現(xiàn)象，即只需滿足功能區(qū)的氣流及溫度要求，頂部區(qū)域可以不消耗空調冷量。這體現(xiàn)了該氣流組織的節(jié)能性。

功能區(qū)氣流速度分布主要考察即看臺區(qū)域和比賽區(qū)域。除兩側靠近風口區(qū)域外，大部分區(qū)域的氣流速度小于 0.25 m/s，滿足比賽區(qū)域氣流速度的平均值小于 0.2 m/s 的要求。觀眾看臺區(qū)域由上到下方向的氣流速度波動較大，最大值達 0.58 m/s，雖然滿足了整體平均流速小于 0.5 m/s 的需求，但是少數(shù)區(qū)域會有“后腦風”的感覺。頂部氣流速度很小，幾乎不流動，對下部氣流影響很小。功能區(qū)的溫度在 22℃～26℃ 之間，頂部區(qū)域的溫度在 28℃～36℃ 之間。從整體角度看，溫度分布較為合理，然而溫度整體偏低。這是因為本次模擬未獲得燈光及各類設備發(fā)熱源數(shù)據(jù)而未考慮該因素所致。對于從下到上的觀眾看臺，溫度差接近 3℃，雖然超過了預期的 2℃，但也在可接受范圍之內。底部兩排的人員 PMV 接近－1.5，頂部一排的人員 PMV 接近 ＋1.5，其余部分均滿足舒適度要求。

通過對以上 3 個參數(shù)的分析，可以得出以下結論：該氣流組織設計較為合理，基本滿足了各類指標的要求。

5 應用 CFD 技術的注意事項

（1）應充分了解體育館建筑特點，抓住影響氣流模擬的主要因素，忽略次要因素，簡化模型，減少計算量。

（2）盡量多地收集詳細數(shù)據(jù)，增加模擬的準確性。如建筑結構材料的熱工性能、燈光設備的發(fā)熱功率及布置方案、當?shù)貧庀髤?shù)等。

（3）剖析氣流的流動與傳熱特點，合理設置邊界條件。

（4）若有條件，應對已投入運行的項目進行現(xiàn)場測試和人員舒適度調查，分析模擬結果與實測的差距，驗證模擬的準確性，從而提高模擬的精度。

6 結語

隨著 BIM 技術的不斷發(fā)展與推廣，從廣度上，BIM 技術已與全過程工程咨詢的各個階段進行了有機結合；從深度上，BIM 技術已從傳統(tǒng)的可視化功能，發(fā)展到運用數(shù)據(jù)信息、挖掘數(shù)據(jù)價值的深層次應用。相信不久的將來，隨著標準的不斷完善、軟件的不斷成熟、技術人才隊伍的不斷壯大，BIM 技術必將成為全過程工程咨詢服務中不可或缺的工具，為改變傳統(tǒng)的項目運作模式、創(chuàng)造更大的市場價值發(fā)揮重要的作用。