趙浩亮，肖迪特，左鑫，李揚

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002）

基于建筑信息模型對異形空間空調(diào)負荷的工程求解方法分析與探討

趙浩亮*，肖迪特，左鑫，李揚

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002）

本文提出利用建筑信息模型對異形空間的空調(diào)負荷進行分析計算，介紹了應(yīng)用建筑信息模型（BIM）計算空調(diào)負荷的方法，并和傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算方法做了對比。對上海某世博展覽廳的空調(diào)負荷計算結(jié)果分析表明，建筑信息模型的應(yīng)用是可行的。

建筑信息模型；空調(diào)負荷；異形空間

0 引言

目前，設(shè)計人員通過計算機建模求解空調(diào)負荷作為設(shè)計依據(jù)。由于模型不同，軟件只能做到輸入條件的統(tǒng)一[1]，對被模擬建筑物的簡化和假設(shè)無法完全一致[2]，從而導(dǎo)致計算結(jié)果的差異。隨著現(xiàn)代建筑外形的不斷創(chuàng)新和空間布局的多樣復(fù)雜，傳統(tǒng)的建筑空調(diào)冷熱負荷計算方式已難以得出精確的冷熱負荷數(shù)值。

以往研究偏重對能耗計算方法及軟件的分析，如SHARP等[3]利用多元回歸法構(gòu)建能耗分析模型，SEEM[4]和TSO等[5]應(yīng)用層次分析法建立能耗預(yù)測模型，馬曉云[6]、李春娥等[7]、王喜春[8]和楊利明[9]等分別采用eQUEST、DeST-h軟件對既有建筑進行能耗計算、介紹能耗評價方法，劉長城[10]、首靈麗[11]、梁波[12]、韓輝[13]利用建筑信息模型（BIM）對建筑能耗進行分析，而對利用BIM計算異形空間冷熱負荷卻鮮有提及。影響空調(diào)負荷的因素很多，主要因素有建筑形狀、圍護結(jié)構(gòu)類型、空間大小和朝向、當(dāng)?shù)氐乩砗蜌夂颦h(huán)境等[14-16]。本文將主要利用BIM技術(shù)對異形空間空調(diào)負荷進行分析計算進而探討B(tài)IM在該過程所起的作用和意義。

1 建筑信息模型介紹及應(yīng)用

BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點。

目前國內(nèi)外BIM應(yīng)用軟件市場上的主流軟件為歐特克（Autodesk）公司開發(fā)的Revit。本文應(yīng)用的BIM軟件為Revit 2014，它集合了之前的AutodeskRevit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三大軟件模塊，形成從建筑、結(jié)構(gòu)到機電為一體的BIM軟件。在本文中，主要用到Revit的三維建模功能，將三維模型導(dǎo)出可被能耗類軟件識別的文件格式。

2 工程案例與三維模型建立

2.1 工程案例簡介

本文以上海某世博展覽廳為例，研究對象為該展覽館工程的展廳，位于該展覽館的最上層，整體外觀酷似一朵云，故在下文中將其稱為“云廳”，其三維外觀如圖1所示。

該展廳外觀截取了展覽館整體建筑的最上一層，建筑外觀如同3朵云匯聚而成，圍護結(jié)構(gòu)被分割成許許多多的小三角形玻璃幕墻面，這些墻面依照一定的角度聯(lián)結(jié)最終形成跌宕起伏的“云狀表面”。本案例將此“云廳”為研究對象，根據(jù)已經(jīng)由傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算軟件得出的計算結(jié)果，再對其基于BIM的負荷分析計算方法進行探討，最后將二者進行對比和分析。

圖1 “云廳”外觀

2.2 三維模型建立

“云廳”的建筑類型為博物館，每周工作日即周一至周五9:00～17:30對外開放。夏季室內(nèi)設(shè)計計算溫度為24 ℃，相對濕度為55%，照明加設(shè)備負荷密度為15 W/m2，人員密度為3 m2/人。圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1。

依據(jù)建筑專業(yè)的Rhino三維模型和CAD圖紙，通過反復(fù)實驗，“云廳”的復(fù)雜表面所圍成的異形空間只能通過簡化的模型形式，才能順利導(dǎo)出gbXML格式的能耗計算文件。模型的建立基于“云廳”的外觀體量，將其分為上下2層，每層高度各4 m，2層均按照“云廳”輪廓線簡化為近似的多邊形，上下2層疊放在一起形成最終的簡化模型。在Revit中導(dǎo)入CAD二維圖紙，依照“云廳”平面外輪廓線描繪出簡化折線段，如圖2所示。

“云廳”平面圖的建立之后，放置有效的負荷計算空間，設(shè)定正確的標(biāo)高，最終形成三維模型如圖3所示。

經(jīng)簡化后的三維模型經(jīng)Revit導(dǎo)出成gbXML格式文件，再導(dǎo)入能耗軟件進行空調(diào)負荷計算。

表1 維護結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 “云廳”簡化平面圖

圖3 “云廳”簡化三維模型

3 計算結(jié)果分析比較

經(jīng)能耗軟件計算出的負荷變化曲線如圖4所示。

從此負荷變化曲線隨時間的分布規(guī)律能得出：展廳的負荷隨室內(nèi)人員的增多和室外環(huán)境的升溫等因素而逐漸增大。到13:00左右，由于午餐時間，人員暫時減少，空調(diào)負荷明顯降低，隨后又逐漸增大，到17:00到達負荷最大值620 kW，冷負荷指標(biāo)為745 W/m2。在eQUEST中利用同樣方法進行三維建模后得到三維模型后計算得出的結(jié)果如表2所示。總冷負荷為574.47 kW，冷負荷指標(biāo)為658 W/m2。

圖4 “云廳”夏季空調(diào)負荷變化曲線

表2 “云廳”夏季空調(diào)負荷

此外，利用傳統(tǒng)的空調(diào)負荷計算軟件華電源負荷計算軟件進行簡化計算，將“云廳”幕墻表面進行水平和豎直方向上的分解為4部分，根據(jù)屋頂投影面積與角度計算幕墻斜面面積，如公式(1)所示。

式中：

α——斜面與投影面的夾角，°；

S投影——投影面面積，m2；

S斜面——斜面面積，m2。

另外采用eQUEST建模，將總體建筑分成兩層，每層層高4 m，建立模型，如圖5所示。

由傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算軟件得到的結(jié)果如表3所示?？偫湄摵蔀?61.54 kW，冷負荷指標(biāo)為643 W/m2。

利用各計算軟件所得負荷如表4所示。

圖5 eQUEST計算模型

表3 傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算軟件計算結(jié)果

表4 各計算結(jié)果統(tǒng)計表

通過匯總計算結(jié)果可知，eQUEST和華電源負荷軟件計算得出的結(jié)果均小于恒綠的計算結(jié)果。原因主要存在于兩方面。一方面，能耗模擬軟件恒綠軟件能準(zhǔn)確讀取非正規(guī)朝向的圍護結(jié)構(gòu)的空間角度，而一般傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算軟件只能設(shè)定東、南、西、北、東南、東北、西南、西北8個正規(guī)朝向。因此當(dāng)傳統(tǒng)計算軟件計算非正規(guī)朝向圍護結(jié)構(gòu)時需要簡化或分解角度，在一定程度上造成了計算的誤差。另一方面，3款軟件的計算機理均有所不同。

eQUEST核心是DOE-2，采用反應(yīng)系數(shù)法來計算建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量。常用的反應(yīng)系數(shù)類型有方波反應(yīng)系數(shù)和三角波反應(yīng)系數(shù)。借助方波或三角波分解擾量時所具有的簡單線性疊加特性，可以方便地進行動態(tài)負荷的離散計算[17-18]。但是，上述兩種反應(yīng)系數(shù)都基于一定時間步長，故對應(yīng)的反應(yīng)系數(shù)法只是一種定步長方法，這對于各種不同的實際對象很難做到計算精度和計算速度兩全其美。恒綠軟件計算方法采用的是Energyplus內(nèi)核，其是在軟件BLAST和DOE-2基礎(chǔ)上進行開發(fā)，吸收了DOE-2的LSPE結(jié)構(gòu)，并做出了改進，它采用集成同步的負荷、系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在上層管理模塊的監(jiān)督下，模塊之間彼此有反饋，而不是單純的順序結(jié)構(gòu)，因此計算結(jié)果更為精確。因此可以看出，雖然eQUEST同樣也進行了建模，但得出的計算結(jié)果與傳統(tǒng)方法并無太大差異，而經(jīng)由Revit建模再導(dǎo)入以Energyplus為計算內(nèi)核的恒綠能耗軟件所得出的結(jié)果756 kW/m2，與展廳的實際空調(diào)配用后所計算出冷負荷指標(biāo)800 kW/m2更為貼近。

4 結(jié)論

BIM軟件雖在空調(diào)負荷計算方面還不夠完善，三維建模功能多樣化及與能耗對接方面還有待提高。經(jīng)過模型簡化處理之后，可以得出具有一定可信度及參考價值的計算結(jié)果。雖然得出的結(jié)果在可靠度和精確度方面還有待進一步探討，但是面對現(xiàn)今的傳統(tǒng)空調(diào)負荷計算方法在計算復(fù)雜的異形空間建筑時，可以采取一些創(chuàng)新的計算方法。相信隨著BIM技術(shù)的成熟與普及，三維建模更加專項化和精確化之后，直接利用三維模型獲取異形空間的空調(diào)負荷值在將來會成為可行。

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Discussion and Analysis of Engineering Solution Method for Irregular Space Air Conditioning Load based on Building Information Modeling

ZHAO Hao-liang*, XIAO Di-te, ZUO Xin, LI Yang
(East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd，Shanghai 200002, China)

In this paper, the Building Information Modeling (BIM) was adopted to analyze and to calculate the air conditioning load of the irregular space. Furthermore, the details of this methodology were described and compared with the traditional calculation methods for the air conditioning load. The air conditioning load calculation results of Shanghai Expo Exhibition Hall showed that the application of the BIM is practicable.

Building information modeling; Air conditioning load; Irregular space

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.203

*趙浩亮（1989-），男，助理工程師，碩士。聯(lián)系地址：上海市漢口路151號，郵編：200002。聯(lián)系電話：021-63217420-2075。E-mail：zhl19766@ecadi.com。