基于BIM技術(shù)的鴻業(yè)軟件模擬仿真分析

張國(guó)軍 皮 倩 陳善情

(湖南城市學(xué)院設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000)

在過(guò)去，大多數(shù)建筑設(shè)計(jì)使用的是以經(jīng)典的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)為代表的AutoCAD軟件，但是AutoCAD軟件在某些方面難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者的需要。隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)建筑業(yè)亟需變革，一種新的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)——建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)正逐漸應(yīng)用于建筑行業(yè)的各個(gè)方面[1-9]。

建筑信息模型技術(shù)是以收集建筑全生命周期內(nèi)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，通過(guò)建立建筑虛擬模型，并利用數(shù)字信息仿真技術(shù)模擬建筑物真實(shí)模型的一門(mén)新的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)，被稱(chēng)為繼CAD技術(shù)之后建筑行業(yè)新時(shí)代的關(guān)鍵力量。近年來(lái)，BIM技術(shù)發(fā)揮的作用和創(chuàng)造的價(jià)值不容忽視。中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2016年發(fā)布的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確指出:“十三五”期間重點(diǎn)增強(qiáng)BIM技術(shù)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等應(yīng)用能力，優(yōu)化建筑行業(yè)信息化的發(fā)展環(huán)境，全面促進(jìn)建筑行業(yè)信息化發(fā)展，并著重加快推動(dòng)信息技術(shù)與建筑行業(yè)發(fā)展的深度融合[10]。同時(shí)，各省也紛紛出臺(tái)相應(yīng)政策，讓BIM技術(shù)為我國(guó)的建筑業(yè)發(fā)展注入新技術(shù)。

值得說(shuō)明的是，BIM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠軟件來(lái)完成，也就是說(shuō)BIM并不是某個(gè)軟件，軟件只是BIM技術(shù)的一種工具。其中，BIM軟件基本可以劃分為兩種類(lèi)型：創(chuàng)建BIM模型的軟件和利用BIM模型的軟件。本文將利用Autodesk Revit軟件建立益陽(yáng)某商業(yè)綜合樓的模型，并利用鴻業(yè)建筑性能分析軟件系列進(jìn)行了商業(yè)綜合樓的全年空調(diào)冷熱負(fù)荷，室內(nèi)光環(huán)境和小區(qū)室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境的模擬仿真，通過(guò)計(jì)算相關(guān)參數(shù)看其是否符合工程手冊(cè)或者國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)提高建筑設(shè)計(jì)和建筑節(jié)能都有著重要意義。

1 工程概況

小區(qū)位于湖南省益陽(yáng)市高新區(qū)，總建筑面積164 420.35 m2，主要包括4棟高層住宅，1棟高層商住樓，1棟高層公寓綜合樓，2棟多層沿街商業(yè)，1棟幼兒園以及地下車(chē)庫(kù)。其中，高層公寓綜合樓(如圖1所示)中的1層～4層為商場(chǎng)，5層～7層為辦公室，9層～21層為公寓。建筑類(lèi)型為Ⅰ類(lèi)高層建筑，建筑耐火等級(jí)為一級(jí)，建筑抗震設(shè)防烈度為6度，墻體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為框架剪力墻，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2 BIM在模擬仿真軟件中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代高性能的個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及化，使得建筑師對(duì)建筑物理場(chǎng)的模擬分析成為可能，建筑師可在方案階段就對(duì)建筑物的熱、光、聲的建筑物理場(chǎng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的性能分析。BIM技術(shù)作為可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，將本次設(shè)計(jì)中用鴻業(yè)系列的模擬仿真軟件對(duì)住宅小區(qū)方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行模擬仿真，以助于更優(yōu)的建筑設(shè)計(jì)方案的提出。

2.1 基于BIM技術(shù)的負(fù)荷模擬軟件

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)日負(fù)荷計(jì)算往往只計(jì)算冬夏季節(jié)典型日的空調(diào)負(fù)荷，其代表著空調(diào)系統(tǒng)的滿(mǎn)負(fù)荷承擔(dān)的冷熱負(fù)荷，而空調(diào)大部分情況下為部分冷熱負(fù)荷運(yùn)行，且由于本次綜合樓商業(yè)部分功能及分區(qū)復(fù)雜多樣，人員流動(dòng)大，負(fù)荷波動(dòng)較大。為了全面掌握建筑的全年冷熱負(fù)荷特性，合理確定冷熱源系統(tǒng)的裝機(jī)容量及科學(xué)的運(yùn)行策略，常常需要借助全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬軟件。

設(shè)計(jì)中將Revit中的模型(如圖2所示)直接導(dǎo)出為gbXML文件，并導(dǎo)入采用HY-EP(鴻業(yè)全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷分析軟件)得到HY-EP模型(如圖3所示)并進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算，軟件計(jì)算的核心為EnergyPlus，可避免在SketchUp內(nèi)重復(fù)建模，大大節(jié)省建模時(shí)間，結(jié)果如圖2～圖5所示。

通過(guò)建模過(guò)程及對(duì)負(fù)荷模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：

1)基于BIM技術(shù)的建筑負(fù)荷模擬軟件(HY-EP)在一定程度上避免了傳統(tǒng)全年負(fù)荷模擬軟件存在的建模復(fù)雜、英文界面、輸入?yún)?shù)麻煩、工作量大等弊端。因?yàn)樵赗evit模型中的地理位置信息、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)以及室內(nèi)外各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)都可完全導(dǎo)入HY-EP軟件中，可避免重復(fù)建模和模型信息輸入。相比于將Revit模型文件導(dǎo)入Ecotect軟件中進(jìn)行計(jì)算，模型中空間信息未必能完全導(dǎo)入Ecotect軟件中，需在導(dǎo)入后的模型中重新設(shè)定一些基本信息后才能計(jì)算[11]。

2)在負(fù)荷模擬結(jié)果變化趨勢(shì)上，雖然采用不同的負(fù)荷模擬軟件創(chuàng)建模型得到的負(fù)荷模擬結(jié)果大致相同，但是在基于BIM模型的負(fù)荷模擬軟件中，HY-EP的計(jì)算相比于傳統(tǒng)軟件需要花費(fèi)大量時(shí)間，其根本原因在于BIM模型的精度較深，而傳統(tǒng)軟件中為提高負(fù)荷模擬速度，建模時(shí)往往將模擬對(duì)象進(jìn)行大量簡(jiǎn)化合并，故在利用BIM模型進(jìn)行負(fù)荷模擬時(shí)，建議用戶(hù)根據(jù)自身所需的精度適當(dāng)簡(jiǎn)化模型后再進(jìn)行模擬，以提高模擬計(jì)算的速度。

2.2 基于BIM技術(shù)的氣流組織模擬軟件

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的應(yīng)用，氣流組織模擬技術(shù)也廣泛應(yīng)用。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)，可對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、空氣速度以及有害物濃度等進(jìn)行模擬仿真，從而可以得到各項(xiàng)模擬量的分布情況。這對(duì)于保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)、提高空調(diào)系統(tǒng)氣流組織并降低建筑物能耗等都有著重要的指導(dǎo)意義。

鴻業(yè)建筑風(fēng)環(huán)境模擬分析(HY-CFD)軟件，是以BIM模型為基礎(chǔ)，以O(shè)penFoam為模擬引擎的室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬分析軟件，軟件可根據(jù)模型自動(dòng)劃分計(jì)算網(wǎng)格，并將房間負(fù)荷自動(dòng)賦予至房間邊界條件，然后生成算例，調(diào)動(dòng)OpenFoam進(jìn)行計(jì)算，最后解析計(jì)算結(jié)果生成相應(yīng)的云圖。

本文建立了綜合樓及其周邊建筑模型，利用鴻業(yè)建筑風(fēng)環(huán)境模擬分析(HY-CFD)軟件進(jìn)行了整個(gè)住宅小區(qū)建筑群的室外風(fēng)環(huán)境模擬。部分結(jié)果如圖6～圖9所示。

除此以外，室內(nèi)氣流組織模擬將以綜合樓公寓的標(biāo)準(zhǔn)層為例，進(jìn)行夏季建筑室內(nèi)通風(fēng)模擬。其部分結(jié)果如圖10～圖13所示，由于益陽(yáng)市夏季的主導(dǎo)風(fēng)向仍為西北向，可發(fā)現(xiàn)在其北向房間的自然通風(fēng)效果要較東西向的通風(fēng)效果好。故在建筑設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)縮減南北的可開(kāi)啟外窗面積，適當(dāng)增加?xùn)|西向的可開(kāi)啟外窗面積以保證較好的自然通風(fēng)效果。

將本次氣流組織模擬應(yīng)用的HY-CFD軟件與傳統(tǒng)主流的CFD軟件(如Fluent)進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)HY-CFD的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)模型兼容性強(qiáng)?？墒褂肦evit和CAD軟件建立室內(nèi)場(chǎng)和室外風(fēng)環(huán)境模型，軟件應(yīng)用上符合國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員習(xí)慣，結(jié)合未來(lái)利用Revit進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的角度，模型的利用率大大提高。

2)計(jì)算參數(shù)的模板設(shè)計(jì)和自動(dòng)優(yōu)化，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，簡(jiǎn)化輸入條件。HY-CFD軟件已經(jīng)在程序內(nèi)部幫助用戶(hù)自動(dòng)設(shè)置定義邊界和初始條件，比如模擬用氣象參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)值、室內(nèi)各風(fēng)口風(fēng)速和送風(fēng)溫度等，軟件將復(fù)雜深?yuàn)W的知識(shí)變?yōu)楹?jiǎn)單的按鈕進(jìn)行操作，這些都極大降低了設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)的門(mén)檻。軟件內(nèi)部也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，但這里值得注意的是，將復(fù)雜深?yuàn)W的知識(shí)變?yōu)楹?jiǎn)單的按鈕進(jìn)行操作，可能將導(dǎo)致模擬過(guò)程不收斂，從而計(jì)算失敗。

3)結(jié)果自處理，豐富的三維和切面展示，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)表格式輸出。當(dāng)模擬室內(nèi)風(fēng)環(huán)境可輸出空調(diào)房間及自然通風(fēng)下溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓、空氣齡和PMV的室內(nèi)分布情況；在模擬室外風(fēng)環(huán)境下可輸出建筑群的溫度、風(fēng)速、風(fēng)速放大系數(shù)和風(fēng)壓。這兩類(lèi)可三維展示或自定義截面進(jìn)行展示。

2.3 基于BIM技術(shù)的光環(huán)境模擬軟件

隨著能源的日益短缺以及人們對(duì)舒適性和健康的追求，天然采光的節(jié)能也日益受到重視。合理利用天然光進(jìn)行采光，不僅可以節(jié)約能源和費(fèi)用，同時(shí)還可獲得較高的視覺(jué)效果，是保護(hù)人體健康的重要措施[12]。

關(guān)于光環(huán)境模擬軟件，目前國(guó)內(nèi)外此類(lèi)軟件有很多，如WINDOW，SkyVision，Radiance，Lightscape，Ecotect和Daysim等。這類(lèi)模擬工具的目標(biāo)建筑通常需要精度較高(LOD 200)的BIM模型，而目標(biāo)建筑的周?chē)ㄖt可利用精度角度(LOD 100)的體量模型。根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，輸入所在位置信息，并確定建筑材料的技術(shù)參數(shù)，即可在該軟件中進(jìn)行一年或者某時(shí)刻的日照以及陰影分析，并可對(duì)建筑模型中的太陽(yáng)輻射、熱、光學(xué)和聲學(xué)等進(jìn)行綜合的技術(shù)分析。

將綜合樓公寓標(biāo)準(zhǔn)層模型導(dǎo)出到鴻業(yè)建筑光環(huán)境模擬分析(HY-Daylighting)軟件中進(jìn)行天然采光分析。其部分結(jié)果如圖14，圖15所示。

其中，常規(guī)的光環(huán)境模擬軟件往往包括日照、輻射、室內(nèi)光環(huán)境的模擬分析。各類(lèi)軟件常見(jiàn)功能可分為以下三點(diǎn):

1)日照模擬:由于在三維界面能清晰反映出各時(shí)刻建筑的陰影區(qū)域。建筑專(zhuān)業(yè)可以直接進(jìn)行修改日照不足的部位。

2)輻射模擬:通過(guò)輻射模擬，可確定太陽(yáng)能集熱器的朝向，或者對(duì)太陽(yáng)能集熱器的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)室內(nèi)光環(huán)境模擬:通過(guò)模擬生成真實(shí)感的渲染圖形作為參考，有效的避免眩光干擾，從而提高視覺(jué)舒適性，營(yíng)造一個(gè)優(yōu)良的光環(huán)境。此外，還可充分利用天然采光減少能耗。

3 結(jié)論和展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，建筑物包含的各項(xiàng)信息越來(lái)越豐富，模擬軟件的數(shù)量和質(zhì)量也都有了很大的提升，這些對(duì)建筑設(shè)計(jì)的方法和理念都產(chǎn)生了巨大的影響。同時(shí)也可以看到，不同于以往主流單一的科研軟件，作為工程類(lèi)模擬軟件的HY-EP，HY-CFD和HY-Daylighting，它們有其自身的特點(diǎn)，使用者應(yīng)根據(jù)適用范圍和實(shí)際情況選擇適合的模擬軟件。

總體而言，從現(xiàn)有的模擬仿真軟件中可以看到如下發(fā)展趨勢(shì)：

1)無(wú)論是哪個(gè)物理場(chǎng)的模擬，建模都是花費(fèi)時(shí)間最多的部分，特別是對(duì)于一些復(fù)雜建筑方案而言。模擬仿真軟件應(yīng)盡可能提供便捷的建模手段，其與BIM技術(shù)的結(jié)合將會(huì)越來(lái)越緊密。

2)建筑技術(shù)的優(yōu)化在建筑方案設(shè)計(jì)階段時(shí)的節(jié)能潛力最大，然而在該階段模擬的案例目前較少。如果可以降低模擬的成本，廣泛的在該階段普及應(yīng)用模擬技術(shù)將是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。