基于BIM技術的鴻業軟件模擬仿真分析

張國軍 皮 倩 陳善情

(湖南城市學院設計研究院有限公司，湖南 益陽 413000)

在過去，大多數建筑設計使用的是以經典的計算機輔助設計(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計者的需要。隨著計算機軟件和硬件技術的快速發展，傳統建筑業亟需變革，一種新的建筑設計技術——建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)正逐漸應用于建筑行業的各個方面[1-9]。

建筑信息模型技術是以收集建筑全生命周期內各項信息數據作為模型的基礎，通過建立建筑虛擬模型，并利用數字信息仿真技術模擬建筑物真實模型的一門新的建筑設計技術，被稱為繼CAD技術之后建筑行業新時代的關鍵力量。近年來，BIM技術發揮的作用和創造的價值不容忽視。中國住房和城鄉建設部在2016年發布的《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》明確指出:“十三五”期間重點增強BIM技術，大數據和云計算等應用能力，優化建筑行業信息化的發展環境，全面促進建筑行業信息化發展，并著重加快推動信息技術與建筑行業發展的深度融合[10]。同時，各省也紛紛出臺相應政策，讓BIM技術為我國的建筑業發展注入新技術。

值得說明的是，BIM技術的實現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技術的一種工具。其中，BIM軟件基本可以劃分為兩種類型：創建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綜合樓的模型，并利用鴻業建筑性能分析軟件系列進行了商業綜合樓的全年空調冷熱負荷，室內光環境和小區室內外風環境的模擬仿真，通過計算相關參數看其是否符合工程手冊或者國家標準的要求，對提高建筑設計和建筑節能都有著重要意義。

1 工程概況

小區位于湖南省益陽市高新區，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，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，建筑抗震設防烈度為6度，墻體結構類型為框架剪力墻，設計使用年限為50年。

2 BIM在模擬仿真軟件中的應用

隨著現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技術作為可持續設計及分析工具，將本次設計中用鴻業系列的模擬仿真軟件對住宅小區方案設計階段進行模擬仿真，以助于更優的建筑設計方案的提出。

2.1 基于BIM技術的負荷模擬軟件

在暖通空調設計中，設計日負荷計算往往只計算冬夏季節典型日的空調負荷，其代表著空調系統的滿負荷承擔的冷熱負荷，而空調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部分功能及分區復雜多樣，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的裝機容量及科學的運行策略，常常需要借助全年動態負荷模擬軟件。

設計中將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(鴻業全年動態負荷分析軟件)得到HY-EP模型(如圖3所示)并進行全年動態負荷計算，軟件計算的核心為EnergyPlus，可避免在SketchUp內重復建模，大大節省建模時間，結果如圖2～圖5所示。

通過建模過程及對負荷模擬結果分析發現：

1)基于BIM技術的建筑負荷模擬軟件(HY-EP)在一定程度上避免了傳統全年負荷模擬軟件存在的建模復雜、英文界面、輸入參數麻煩、工作量大等弊端。因為在Revit模型中的地理位置信息、建筑圍護結構熱工參數以及室內外各項設計參數等數據都可完全導入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定一些基本信息后才能計算[11]。

2)在負荷模擬結果變化趨勢上，雖然采用不同的負荷模擬軟件創建模型得到的負荷模擬結果大致相同，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技術的氣流組織模擬軟件

隨著現代計算機模擬仿真技術在暖通空調領域中的應用，氣流組織模擬技術也廣泛應用。利用計算流體力學(CFD)技術，可對室內溫度、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空氣品質、提高空調系統氣流組織并降低建筑物能耗等都有著重要的指導意義。

鴻業建筑風環境模擬分析(HY-CFD)軟件，是以BIM模型為基礎，以OpenFoam為模擬引擎的室內風環境模擬分析軟件，軟件可根據模型自動劃分計算網格，并將房間負荷自動賦予至房間邊界條件，然后生成算例，調動OpenFoam進行計算，最后解析計算結果生成相應的云圖。

本文建立了綜合樓及其周邊建筑模型，利用鴻業建筑風環境模擬分析(HY-CFD)軟件進行了整個住宅小區建筑群的室外風環境模擬。部分結果如圖6～圖9所示。

除此以外，室內氣流組織模擬將以綜合樓公寓的標準層為例，進行夏季建筑室內通風模擬。其部分結果如圖10～圖13所示，由于益陽市夏季的主導風向仍為西北向，可發現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用的HY-CFD軟件與傳統主流的CFD軟件(如Fluent)進行對比分析，可以發現HY-CFD的優點如下：

1)模型兼容性強。可使用Revit和CAD軟件建立室內場和室外風環境模型，軟件應用上符合國內設計人員習慣，結合未來利用Revit進行正向設計的角度，模型的利用率大大提高。

2)計算參數的模板設計和自動優化，自動劃分網格，簡化輸入條件。HY-CFD軟件已經在程序內部幫助用戶自動設置定義邊界和初始條件，比如模擬用氣象參數、圍護結構傳熱系數值、室內各風口風速和送風溫度等，軟件將復雜深奧的知識變為簡單的按鈕進行操作，這些都極大降低了設計人員對計算流體力學知識的門檻。軟件內部也可以根據實際情況進行詳細設置，但這里值得注意的是，將復雜深奧的知識變為簡單的按鈕進行操作，可能將導致模擬過程不收斂，從而計算失敗。

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

2.3 基于BIM技術的光環境模擬軟件

隨著能源的日益短缺以及人們對舒適性和健康的追求，天然采光的節能也日益受到重視。合理利用天然光進行采光，不僅可以節約能源和費用，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]。

關于光環境模擬軟件，目前國內外此類軟件有很多，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參數，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分析。

將綜合樓公寓標準層模型導出到鴻業建筑光環境模擬分析(HY-Daylighting)軟件中進行天然采光分析。其部分結果如圖14，圖15所示。

其中，常規的光環境模擬軟件往往包括日照、輻射、室內光環境的模擬分析。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域。建筑專業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化設計。

3)室內光環境模擬: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，營造一個優良的光環境。此外，還可充分利用天然采光減少能耗。

3 結論和展望

隨著計算機技術的發展和數據時代的到來，建筑物包含的各項信息越來越豐富，模擬軟件的數量和質量也都有了很大的提升，這些對建筑設計的方法和理念都產生了巨大的影響。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，使用者應根據適用范圍和實際情況選擇適合的模擬軟件。

總體而言，從現有的模擬仿真軟件中可以看到如下發展趨勢：

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。模擬仿真軟件應盡可能提供便捷的建模手段，其與BIM技術的結合將會越來越緊密。

2)建筑技術的優化在建筑方案設計階段時的節能潛力最大，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用模擬技術將是未來的一個重要發展方向。