應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心

杜明強

（鐵塔能源有限公司遼寧分公司數(shù)字能源組，遼寧 沈陽 110167）

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）指通過計算機仿真技術(shù)來模擬建筑物所具有的真實信息，是對各類工程項目相關(guān)設(shè)計、規(guī)劃、方案信息的詳盡表達方式[1]。BIM是計算機仿真技術(shù)在建設(shè)工程領(lǐng)域中的最直接應(yīng)用，用以解決建設(shè)工程項目信息在軟件中的具體描述問題，能夠使設(shè)計人員和施工技術(shù)人員對各種建設(shè)信息做出正確的反應(yīng)和應(yīng)對，并且為協(xié)同工作奠定堅實的基礎(chǔ)[2]。BIM同時也是一種應(yīng)用于設(shè)計、施工、運維的數(shù)字化方法，這種方法支持建設(shè)工程的環(huán)境集成管理，在建設(shè)工程中應(yīng)用可以提高整個工程建設(shè)效率并降低各類風(fēng)險。通俗來說，BIM是帶有信息數(shù)據(jù)的三維建筑模型，其信息數(shù)據(jù)在設(shè)計、建造、管理以及運維等全生命周期內(nèi)均可發(fā)揮出巨大的作用，被認為是未來建設(shè)工程領(lǐng)域的主要發(fā)展方向[3]。信息數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以是描述幾何形狀的視覺信息，還可以包含大量的非幾何形式信息，例如建設(shè)工程選材的重量、價格等。

1 BIM的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域

目前，BIM應(yīng)用涉及建設(shè)行業(yè)的各個領(lǐng)域，如公路、水利、機場、市政工程以及工業(yè)化住宅的建設(shè)等。BIM技術(shù)的應(yīng)用形式和方法主要包括建模培訓(xùn)、建模升級等，同時部分BIM咨詢公司通過各種BIM軟件幫助用戶在項目中進行三維設(shè)計及瀏覽、碰撞試驗和檢測、管線及綜合布線、虛擬建造、設(shè)備安裝、算量造價以及出施工圖等應(yīng)用。BIM的部分應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。

圖1 BIM的應(yīng)用領(lǐng)域

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

（1）可視化。通過構(gòu)建模型三維立體實物圖形，實現(xiàn)項目設(shè)計、建設(shè)、運維等整個過程的可視化，方便各方進行更好的溝通、討論與決策。

（2）協(xié)調(diào)性。使用BIM綜合協(xié)調(diào)可以有效避免各實施專業(yè)間的信息不兼容現(xiàn)象，如管道、布線與建筑結(jié)構(gòu)沖突，各個封閉空間出現(xiàn)冷熱不均、該預(yù)留的孔洞沒留或尺寸不對等情況，減少設(shè)計方案變更或重復(fù)返工的情況。

（3）模擬性。除了能實現(xiàn)3D畫面的模擬外，還可以對人員應(yīng)急逃生及消防疏散等日常緊急情況的處置方式進行模擬和演練。

（4）優(yōu)化性。應(yīng)用BIM系統(tǒng)及其配套的各種優(yōu)化工具在項目前期進行有效的優(yōu)化處理，利用模型提供的各種完善的信息來進行優(yōu)化。

（5）可出圖性。經(jīng)過建筑設(shè)計、碰撞檢查和設(shè)計修改最終形成綜合設(shè)計施工圖，可以直接生成綜合管線布線圖、綜合建筑結(jié)構(gòu)留洞圖、碰撞檢查試驗報告以及建議修改改進方案等。BIM的全生命周期應(yīng)用如圖2所示。

圖2 BIM的全生命周期應(yīng)用

2 綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求分析

數(shù)據(jù)中心作為通信設(shè)備的存儲主體，主要涉及工藝、電源、空調(diào)、建筑、裝飾以及暖通等多專業(yè)建設(shè)工程，管網(wǎng)比較復(fù)雜，協(xié)調(diào)安排好各個專業(yè)的管網(wǎng)路徑是影響后期施工和運營的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計方法，多在二維平面圖中布置管網(wǎng)路徑和協(xié)調(diào)標高。通過專業(yè)的圖紙對比校正管網(wǎng)，這種人工校對的方法帶來了極大的工作量，難免會在施工中留下隱患[4]。

數(shù)據(jù)中心是一個能耗大戶，越來越多的運營商開始進行綠色可持續(xù)數(shù)據(jù)機房建設(shè)。綠色數(shù)據(jù)中心資源使用效率更高，對環(huán)境的影響較小。數(shù)據(jù)中心的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值能效衡量是數(shù)據(jù)中心運營管理建設(shè)的一個重要指標，如何降低數(shù)據(jù)中心的PUE是綠色節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵。在現(xiàn)有的PUE值計算中，耗電的設(shè)備較多，很難做到精確計算。

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）通信機房前期投資較大，后期運營費用也比較高，合理優(yōu)化前期投資和后期運營投資的比例十分重要。在現(xiàn)有的設(shè)計優(yōu)化中，很難做到精確的投資估算。在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)過程中，并沒用體現(xiàn)信息在建造設(shè)計中的應(yīng)用，而是運用傳統(tǒng)的建造設(shè)計方法。建筑師按照規(guī)模和標準進行二維的平面布置，滿足基本功能后各個專業(yè)以建筑的二維平面為工作平臺對平面布置進行調(diào)整，平面確定后進行立面設(shè)計。各個專業(yè)圖紙信息相對獨立，缺乏信息互動性[5]。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心設(shè)計中，更多集中在二維平面的功能分區(qū)布局和建筑利用率上，對于節(jié)能措施的考慮也集中在各個專業(yè)說明中，缺乏實際的節(jié)能數(shù)據(jù)分析。在原有的前期設(shè)計中，各個專業(yè)的綠色節(jié)能措施多在說明中論述，用戶很難通過文字敘述進行直觀明確的判斷。在設(shè)計前期引入BIM綠色性能分析，根據(jù)建設(shè)規(guī)模和建設(shè)標準進行BIM初步信息管理，充分落實綠色節(jié)能措施。

充分利用本地的氣象信息數(shù)據(jù)，模擬該地的氣象模型，主要包括一年中的溫度變化、相對濕度變化、風(fēng)速變化、風(fēng)向變化、太陽高度變化、日照方向變化、光照強度變化以及云量變化等。建立關(guān)于機房的三維模型，確定機房的方位、朝向以及與周圍建筑物的關(guān)系。輸入機房建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如墻體散熱系數(shù)、玻璃透光率等。輸入暖通空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)的類型和機房運行參數(shù)，例如溫度、相對濕度、照度等[6]。計算機房的冷熱負荷及能耗PUE，通過調(diào)整方案優(yōu)化機房的整體能耗。BIM在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用范圍如圖3所示。

圖3 BIM在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用范圍

數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備對溫度范圍要求極為嚴苛，溫度過高會導(dǎo)致設(shè)備宕機甚至損壞。由于IT設(shè)備的發(fā)熱量極大，因此機房空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計非常重要，要確保有足夠的冷空氣進入IT設(shè)備，同時保證從設(shè)備排出的熱空氣可以被迅速排走，冷熱空氣隔離不發(fā)生混合，從而使IT設(shè)備得到充分的冷卻。通過BIM的數(shù)值化分析，可以準確模擬機房中空調(diào)的最佳使用方式。

3 BIM在數(shù)據(jù)中心各階段的作用

3.1 設(shè)計階段

BIM在設(shè)計階段用于機房空間三維形態(tài)的表達與復(fù)雜的數(shù)據(jù)共享，提供建設(shè)工程所需的全部信息，能夠?qū)㈨椖扛麟A段的主要參與方都集中在一起，實現(xiàn)機房空間三維形態(tài)的信息表達。建立虛擬建筑模型，提供機房建筑物精確的空間關(guān)系和信息數(shù)據(jù)[7]。根據(jù)3D虛擬模型自動生成和同步更新各種圖紙和文檔，自動協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)變更改動的信息，從而實現(xiàn)信息共享與同步協(xié)同。

此外，充分考慮BIM虛擬化、可視化的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，空間設(shè)計是在二維平面中深化而來，通過平面與剖面的對比確定空間的形式，這種方法全靠建筑師對空間的理解能力，并不能完全反映出真實空間感。而通過建立三維信息模型，完善建筑空間布局及立面的設(shè)計，可以真正地模擬空間感。通過三維可視化的運用，推敲空間細部處理、材料運用效果、結(jié)構(gòu)形式選擇以及設(shè)備選型，提供了更好的溝通方法，有效提高設(shè)計質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的通信機房管網(wǎng)綜合設(shè)計中，各個專業(yè)通常為管網(wǎng)路徑而困惑。而通過建立三維信息模型，可以利用碰撞模擬鑒別沖突，包括建筑、結(jié)構(gòu)和暖通、電氣系統(tǒng)間的各類沖突。這類碰撞沖突的模擬方法又稱為碰撞試驗，各類沖突可以通過虛擬方式加以解決，避免在實際施工中遇到同類問題，同時還可以在三維信息模型的基礎(chǔ)上對管網(wǎng)綜合進行優(yōu)化，使管網(wǎng)最經(jīng)濟有效。

對于投資估算專業(yè)的應(yīng)用，原有的設(shè)計方法是通過建筑平、立、剖面等二維信息結(jié)合廣聯(lián)達模型軟件進行建模，估算用量。而BIM軟件的核心價值在于其信息數(shù)據(jù)，通過建立三維信息模型，可以精確地輸出建筑材料和設(shè)備的采購清單，使造價估算更加精確，而且不用重復(fù)建模。建立三維信息模型可以進行動態(tài)模擬，提供更加直觀的科學(xué)數(shù)據(jù)和節(jié)能措施，以更高的效益推進項目完成。BIM在數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段的具體作用如圖4所示。

圖4 BIM在數(shù)據(jù)中心設(shè)計階段的作用

3.2 分析階段

（1）結(jié)構(gòu)分析。利用各類BIM工具對結(jié)構(gòu)進行模擬分析，從而生成合理的各類施工圖。

（2）節(jié)能分析。分析并計算能耗，根據(jù)計算結(jié)果進行節(jié)能分析、經(jīng)濟分析。

（3）造價分析。結(jié)合零庫存的施工管理方式，根據(jù)限額領(lǐng)料施工，最大程度提高工作能效。

（4）工序分析。通過BIM模型和進度管理軟件的數(shù)據(jù)集成，實時監(jiān)督施工進度，實時調(diào)配現(xiàn)場人員和資源。

（5）可建設(shè)性分析。通過BIM模型進行安全環(huán)境、施工現(xiàn)場空間、施工對環(huán)境的影響等全面可建設(shè)性模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果合理優(yōu)化方案。

（6）沖突碰撞試驗。通過BIM模型在建造前期對各施工專業(yè)的沖突碰撞問題進行模擬，解決各專業(yè)間的沖突。同時提供可整體化協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)施工過程中會審時間長、溝通效率低以及難以及時發(fā)現(xiàn)問題等一系列弊端。利用BIM進行沖突碰撞檢查如圖5所示。

圖5 利用BIM進行沖突碰撞檢查

3.3 施工階段

應(yīng)用BIM整合現(xiàn)場，通過構(gòu)建的虛擬建筑模型結(jié)合實際能夠完整地呈現(xiàn)和操控現(xiàn)場施工。

利用BIM建模結(jié)合3D施工圖指導(dǎo)施工現(xiàn)場，通過激光掃描、實時通信或互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)施工現(xiàn)場跟蹤管理，保證施工期間的安全生產(chǎn)。

3.4 營運階段

營運階段主要進行能耗、折舊、安全性預(yù)測，重點關(guān)注物業(yè)變化前的原始信息、建筑使用情況或性能、入住人員與容量、建筑已用時間、建筑財務(wù)信息、可出租面積、租賃收入以及部門成本分配的重要財務(wù)數(shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)中心項目機電安裝特點

4.1 技術(shù)要求高

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)處理、存儲、傳輸、交換以及綜合分析一體化的基礎(chǔ)設(shè)施，其對機電設(shè)備安裝調(diào)試的技術(shù)要求較高，在對機械和電氣裝置質(zhì)量的認可方面遠高于一般的工業(yè)廠房和民用建筑。機電設(shè)備安裝調(diào)試的技術(shù)水平持續(xù)提高需要積極引進新材料、新設(shè)備和新技術(shù)，同時各專業(yè)項目相關(guān)人員的知識水平、技術(shù)能力同樣也需要滿足數(shù)據(jù)中心項目機電設(shè)備安裝調(diào)試的要求。

4.2 覆蓋范圍廣

數(shù)據(jù)中心項目機電設(shè)備安裝調(diào)試涵蓋消防系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及弱電綜合布線系統(tǒng)等，涉及供回水管道、封閉線槽、梯形橋架、風(fēng)管、母線以及金屬線管等配套設(shè)施，系統(tǒng)多且管道雜，工程量巨大。在機電安裝過程中，使用BIM建?？梢蕴岣吆笃谠O(shè)備運行檢修維護的便利性，覆蓋范圍廣。

5 BIM技術(shù)在數(shù)據(jù)中心建設(shè)項目中的應(yīng)用

利用BIM三維模式可以推算所需的材料信息，并根據(jù)材料的類型、價值以及數(shù)量將實物和模型結(jié)構(gòu)信息相互組合在一起，從而測算出本工程項目所需的材料成本。在一定程度上，不但能夠?qū)こ淘靸r進行合理管控，同時還可以提高工程項目的預(yù)算編制效益。除此之外，通過BIM技術(shù)的使用能夠?qū)こ淌┕みM度進行即時監(jiān)控，同時還可以對施工材料的價格和供應(yīng)商數(shù)量進行實時更新調(diào)整，減少了物料浪費，降低材料管理問題對工程施工進度的影響。

在數(shù)據(jù)中心機房施工現(xiàn)場，由于現(xiàn)場情況相對比較復(fù)雜，如果在技術(shù)參數(shù)安全交底方面出現(xiàn)了錯誤，就需要重新梳理整個項目過程，不僅會花費較多的時間、物力與資金，而且也降低了BIM技術(shù)的準確性。在現(xiàn)場施工時，因此可以直接將BIM中的模塊導(dǎo)入到計算機上，再通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)比對BIM模擬的現(xiàn)場。結(jié)合施工現(xiàn)場的實際情況調(diào)整實施計劃，實時推動技術(shù)交底的高效實施。

基礎(chǔ)模型建立過程中，應(yīng)先確定各模塊共同命名的原則，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的標準化交換，以便對得到的數(shù)據(jù)進行精確、完整的測量，對管道碰撞做出快速定位。此外，還應(yīng)確定模塊建立時精確度較大的數(shù)據(jù)，推動機電系統(tǒng)工程綜合管道的設(shè)計實施。在模型參量精確度上，以模型建構(gòu)的材料種類為例，通過將建筑材料的品種、材質(zhì)類型等參數(shù)加入到機械模型中，有助于對圖紙進行全面測量，從而減少建筑材料的計算錯誤。針對每個參量，應(yīng)盡可能地加以精細劃分，從而更好地完成施工準備。

通過建模軟件構(gòu)造機電各專用線路的結(jié)構(gòu)模式，對各個專門的線路進行碰撞測試，從而得出詳盡的事故研究報告，反映線路的狀況并對線路布置做出優(yōu)化，分類整理不同事故狀況，對已經(jīng)解決的問題加以說明，提升碰撞事故的處理效果。

在管路優(yōu)化工作方面，并不能將事故檢查點作為對撞點加以調(diào)節(jié)，而應(yīng)根據(jù)建筑對凈高的需求、機電排布、與管路碰撞的情況等調(diào)節(jié)管路布置方法。在調(diào)節(jié)管路的過程中，針對凈空高標準做出了提前制定，并按照用戶的實際需求調(diào)節(jié)管路，以避免管路發(fā)生下翻與移動。針對管線緊密布置的地區(qū)，如果發(fā)現(xiàn)管線走向相互交錯，極易發(fā)生管線相撞現(xiàn)象，此時要根據(jù)設(shè)計規(guī)格的有關(guān)規(guī)定進行整體上的碰撞調(diào)節(jié)，總體上堅持大管先行小管其后、有壓讓無壓、重力排水管路優(yōu)先的原則。如果發(fā)生重大事故，就必須對次要管線進行翻彎調(diào)整。

BIM技術(shù)具備一定的仿真能力，可以合理地模擬出施工過程中所能出現(xiàn)的所有情況，對于施工進度和工程質(zhì)量管理有著十分重要的意義。在工程開始前，設(shè)計總負責(zé)人必須承擔(dān)工程安全運行的職責(zé)，對所有人員的任務(wù)分配進行科學(xué)協(xié)調(diào)，登記并審核全部工作流程，以便后期對項目的反饋。將信息模擬與施工計劃融合在一起，安裝公司在布置機械設(shè)備前能夠精確控制布置計劃，為機械施工項目的順利完成提供重要保證。

6 結(jié) 論

通過BIM的應(yīng)用，避免了設(shè)計前期、方案階段考慮不周導(dǎo)致施工圖深化和施工中出現(xiàn)的問題，有效地管理工程造價、施工進度。搭建BIM技術(shù)平臺，突破現(xiàn)有的傳統(tǒng)設(shè)計模式，將信息化深入到綠色數(shù)據(jù)中心的全生命周期建設(shè)中，全面把握設(shè)計前期、設(shè)計優(yōu)化、施工管理、運營管理等階段的信息技術(shù)，促進數(shù)據(jù)中心的長久發(fā)展。