張國軍 皮 倩 陳善情

(湖南城市學院設(shè)計研究院有限公司，湖南 益陽 413000)

在過去，大多數(shù)建筑設(shè)計使用的是以經(jīng)典的計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)為代表的AutoCAD軟件，但是AutoCAD軟件在某些方面難以滿足設(shè)計者的需要。隨著計算機軟件和硬件技術(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)各項信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，通過建立建筑虛擬模型，并利用數(shù)字信息仿真技術(shù)模擬建筑物真實模型的一門新的建筑設(shè)計技術(shù)，被稱為繼CAD技術(shù)之后建筑行業(yè)新時代的關(guān)鍵力量。近年來，BIM技術(shù)發(fā)揮的作用和創(chuàng)造的價值不容忽視。中國住房和城鄉(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”期間重點增強BIM技術(shù)，大數(shù)據(jù)和云計算等應(yīng)用能力，優(yōu)化建筑行業(yè)信息化的發(fā)展環(huán)境，全面促進建筑行業(yè)信息化發(fā)展，并著重加快推動信息技術(shù)與建筑行業(yè)發(fā)展的深度融合[10]。同時，各省也紛紛出臺相應(yīng)政策，讓BIM技術(shù)為我國的建筑業(yè)發(fā)展注入新技術(shù)。

值得說明的是，BIM技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠軟件來完成，也就是說BIM并不是某個軟件，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行了商業(yè)綜合樓的全年空調(diào)冷熱負荷，室內(nèi)光環(huán)境和小區(qū)室內(nèi)外風環(huán)境的模擬仿真，通過計算相關(guān)參數(shù)看其是否符合工程手冊或者國家標準的要求，對提高建筑設(shè)計和建筑節(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庫。其中，高層公寓綜合樓(如圖1所示)中的1層～4層為商場，5層～7層為辦公室，9層～21層為公寓。建筑類型為Ⅰ類高層建筑，建筑耐火等級為一級，建筑抗震設(shè)防烈度為6度，墻體結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻，設(shè)計使用年限為50年。

2 BIM在模擬仿真軟件中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代高性能的個人計算機的普及化，使得建筑師對建筑物理場的模擬分析成為可能，建筑師可在方案階段就對建筑物的熱、光、聲的建筑物理場進行專項的性能分析。BIM技術(shù)作為可持續(xù)設(shè)計及分析工具，將本次設(shè)計中用鴻業(yè)系列的模擬仿真軟件對住宅小區(qū)方案設(shè)計階段進行模擬仿真，以助于更優(yōu)的建筑設(shè)計方案的提出。

2.1 基于BIM技術(shù)的負荷模擬軟件

在暖通空調(diào)設(shè)計中，設(shè)計日負荷計算往往只計算冬夏季節(jié)典型日的空調(diào)負荷，其代表著空調(diào)系統(tǒng)的滿負荷承擔的冷熱負荷，而空調(diào)大部分情況下為部分冷熱負荷運行，且由于本次綜合樓商業(yè)部分功能及分區(qū)復雜多樣，人員流動大，負荷波動較大。為了全面掌握建筑的全年冷熱負荷特性，合理確定冷熱源系統(tǒng)的裝機容量及科學的運行策略，常常需要借助全年動態(tài)負荷模擬軟件。

設(shè)計中將Revit中的模型(如圖2所示)直接導出為gbXML文件，并導入采用HY-EP(鴻業(yè)全年動態(tài)負荷分析軟件)得到HY-EP模型(如圖3所示)并進行全年動態(tài)負荷計算，軟件計算的核心為EnergyPlus，可避免在SketchUp內(nèi)重復建模，大大節(jié)省建模時間，結(jié)果如圖2～圖5所示。

通過建模過程及對負荷模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：

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

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

2.2 基于BIM技術(shù)的氣流組織模擬軟件

隨著現(xiàn)代計算機模擬仿真技術(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。利用計算流體力學(CFD)技術(shù)，可對室內(nèi)溫度、濕度、空氣速度以及有害物濃度等進行模擬仿真，從而可以得到各項模擬量的分布情況。這對于保證良好的室內(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意義。

鴻業(yè)建筑風環(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)風環(huán)境模擬分析軟件，軟件可根據(jù)模型自動劃分計算網(wǎng)格，并將房間負荷自動賦予至房間邊界條件，然后生成算例，調(diào)動OpenFoam進行計算，最后解析計算結(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)建筑風環(huán)境模擬分析(HY-CFD)軟件進行了整個住宅小區(qū)建筑群的室外風環(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準層為例，進行夏季建筑室內(nèi)通風模擬。其部分結(jié)果如圖10～圖13所示，由于益陽市夏季的主導風向仍為西北向，可發(fā)現(xiàn)在其北向房間的自然通風效果要較東西向的通風效果好。故在建筑設(shè)計時可適當縮減南北的可開啟外窗面積，適當增加東西向的可開啟外窗面積以保證較好的自然通風效果。

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)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)HY-CFD的優(yōu)點如下：

1)模型兼容性強?？墒褂肦evit和CAD軟件建立室內(nèi)場和室外風環(huán)境模型，軟件應(yīng)用上符合國內(nèi)設(shè)計人員習慣，結(jié)合未來利用Revit進行正向設(shè)計的角度，模型的利用率大大提高。

2)計算參數(shù)的模板設(shè)計和自動優(yōu)化，自動劃分網(wǎng)格，簡化輸入條件。HY-CFD軟件已經(jīng)在程序內(nèi)部幫助用戶自動設(shè)置定義邊界和初始條件，比如模擬用氣象參數(shù)、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)值、室內(nèi)各風口風速和送風溫度等，軟件將復雜深奧的知識變?yōu)楹唵蔚陌粹o進行操作，這些都極大降低了設(shè)計人員對計算流體力學知識的門檻。軟件內(nèi)部也可以根據(jù)實際情況進行詳細設(shè)置，但這里值得注意的是，將復雜深奧的知識變?yōu)楹唵蔚陌粹o進行操作，可能將導致模擬過程不收斂，從而計算失敗。

3)結(jié)果自處理，豐富的三維和切面展示，標準報表格式輸出。當模擬室內(nèi)風環(huán)境可輸出空調(diào)房間及自然通風下溫度、風速、風壓、空氣齡和PMV的室內(nèi)分布情況；在模擬室外風環(huán)境下可輸出建筑群的溫度、風速、風速放大系數(shù)和風壓。這兩類可三維展示或自定義截面進行展示。

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。合理利用天然光進行采光，不僅可以節(jié)約能源和費用，同時還可獲得較高的視覺效果，是保護人體健康的重要措施[12]。

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

將綜合樓公寓標準層模型導出到鴻業(yè)建筑光環(huán)境模擬分析(HY-Daylighting)軟件中進行天然采光分析。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。各類軟件常見功能可分為以下三點:

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

2)輻射模擬:通過輻射模擬，可確定太陽能集熱器的朝向，或者對太陽能集熱器的布局進行優(yōu)化設(shè)計。

3)室內(nèi)光環(huán)境模擬:通過模擬生成真實感的渲染圖形作為參考，有效的避免眩光干擾，從而提高視覺舒適性，營造一個優(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

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)時代的到來，建筑物包含的各項信息越來越豐富，模擬軟件的數(shù)量和質(zhì)量也都有了很大的提升，這些對建筑設(shè)計的方法和理念都產(chǎn)生了巨大的影響。同時也可以看到，不同于以往主流單一的科研軟件，作為工程類模擬軟件的HY-EP，HY-CFD和HY-Daylighting，它們有其自身的特點，使用者應(yīng)根據(jù)適用范圍和實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：

1)無論是哪個物理場的模擬，建模都是花費時間最多的部分，特別是對于一些復雜建筑方案而言。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)合將會越來越緊密。

2)建筑技術(shù)的優(yōu)化在建筑方案設(shè)計階段時的節(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)將是未來的一個重要發(fā)展方向。