「性能化分析实例|基于BIM的建筑数字化协同管理」

1.基于BIM的性能化分析总体框架

基于BIM技术的性能化模拟体系是以BIM模型及相关分析软件为基础,统筹考虑气候、环境、项目条件等诸多问题,建立场地微环境模拟和分析平台,并以此评估结果对建筑决策阶段成果进行修正并对建筑空间布局进行调控。

以绿色建筑性能化分析为例,其生态条件模拟总体来说分三步进行:第一,按照绿色建筑对节约用地与外环境指标的控制要点梳理相关生态数据,以场地所在区域为准,尽量做到数据收集的完备性。第二,对生态数据归纳并整理成软件分析所需参数,输入到BIM技术相关分析软件得出对应的成果。第三,结合绿色建筑项目的需求,调整生态分析的成果形式,包括三维文件或图纸,甚至视频。如图2-3所示。

图2-30　基于BIM的绿色建筑性能化分析流程

BIM技术与传统模型技术的差别最直观的体现是格式的不同,包含了生态分析所需信息,同时为了提升效率降低计算机的负荷,方便绿色设计环节的内在需求,将气象数据与环境分析结果整合为信息化资料以便分析与提取,并依照可视化平台和总的参数设置进行对比,最后形成参数列表存储在BIM模型中。

BIM的生态模拟分析结果包括二维与三维文件两方面。BIM的二维成果为传统正规的递交文件,优势是可与项目成果汇编直接融合,缺点是只包含分析结果的部分信息。而三维成果可视化表达,方便绿色建筑师与非专业业主及其他参与方全方位考虑,能全面了解绿色建筑前期分析的内容,方便作出决策,并且成果涉及的日照、CFD等分析具有较好的立体感,可以将整个模拟时间段的场地信息展示出来。上海地区气候情况基础信息如图2-31所示。

图2-31　上海地区气候情况基础信息

上海的气象环境数据,一方面作为团队设计的切入点,是建筑布局调整与立面设计的基础资料,为达到通风散热、提升室内空气龄的目标,多次调整建筑方案且以最优的形式满足绿色标准的要求;另一方面是计算机模拟需要的参数。月平均风速、年平均风速、温度曲线虽不能准确描述场地的真实状况,但为计算机模拟提供了准确的数据。

2.日照分析

采用BIM全三维显示,可对建筑物任意立面进行日照分析,计算地面在考虑遮挡情况下的日照时间,并分析建筑物的日照时间段以及被遮挡的时间段。通过模型计算建筑各个立面的日照时间,有利于绿色建筑师考虑外部阴影覆盖与室内空间的光照问题,提出基于Revit的日照分析方法,具体分为三个步骤。

1)确定日照研究地理位置

地理位置作为影响日照的主要影响因素之一,是在绿色建筑项目的初始就随之确定的,依托BIM技术进行场地日照分析,项目的地点可以通过Revit中内置Google Earth功能进行精确定位。基于BIM的日照模拟如图2-32所示。

图2-32　基于BIM的日照模拟

2)日照研究内容

日照分析的初衷是处理外部光环境与绿色建筑之间的作用关系,以提出适宜的应对策略,基于BIM的日照研究从两个层面对此进行讨论:

(1)研究夏至日、冬至日等重要时间节点的日照状况,以确保绿色建筑在运营中实现有关自然采光的控制要点。

(2)研究以一天或多天为时间段的日照状况,分析该地区在有遮挡情况下光照的动态规律,如图2-33所示。

图2-33　建筑的最佳朝向

3)区域日照分析

对于区域性的日照分析,需通过BIM与GIS相结合实现。基于GIS的日照分析,成果以可视化的形式生动表达,方便建筑师讨论并作出决策。针对重要时间节点,如夏至日与冬至日的日照状况,以模型、太阳位置与阴影覆盖面积为主要内容。针对时间段的日照研究,可以视频的形式表达,记录研究时间范围内动态光照数据。

通过BIM平台,呈现的信息模型可便于建筑师进行修改,如尺寸与内部空间的控制。在可视化的平台上,绿色建筑师也可更简洁地更改BIM模型。与此同时,及时更新相关数据,也为设计节省了时间并可进行多个方案的日照比对,如图2-34所示。

图2-34　区域日照分析

3.风环境分析

风速模拟分析主要涉及风是否影响人的使用舒适度,建筑间场地风在经过建筑的阻挡会逐渐减弱,但是可能会在局部形成加强风或涡流风。绿色建筑针对风压的考虑涉及诸多风环境要素,彼此相互影响,需关联考虑风速与风压分析成果,如图2-35所示。

上海地处东南沿海,受季风影响明显,浦东新区以东北偏北风较多。季节变化明显,3—8月盛行东南偏东风,9—10月盛行东北风,11月至次年2月盛行西北风或偏北风。风的平均相对湿度和温度比较适宜,无过冷过湿的情况出现,全年基地的风向综合分析,后世博央企总部基地整体的风速和风压符合设计要求,如图2-36所示。(www.xing528.com)

图2-35　风环境分析

图2-36　季风环境分析

4.声环境分析

通过BIM实施声环境模拟的优势在于,建立几何模型后,能够在短时间内通过材质的变化、房间内部装修的变化来预测建筑的声学质量,以及对建筑声学改造方案进行可行性预测。对于后世博央企总部基地项目,通过考虑地势高差、交通量、点声源位置、吸声系数和工作类型等参数,实施BIM声环境分析,分析声线的数量与强度直接的逻辑关系,其分析结果以可视化的形式与其他设计要点进行协调,如图2-37所示。

图2-37　声环境分析

5.动线与疏散模拟

办公人群流动时间在9:00—17:00,商业人群流动时间在10:00—23:00。通过BIM结合人工智能实现虚拟动线模拟,重点具体分析“共享枢纽大厅”的流线、垂直交通的效率等。为自动扶梯的选型、数量和位置确定提供决策依据。

灾害场景下的人员疏散是一种非常复杂的群体行为。在模型中综合反映各要素的分布特征及动态变化规律,是对疏散模型进行准确描述的前提。BIM作为一种对地理空间信息进行采集、存储、编辑、分析、运算、输出的计算机软件系统,可为疏散模型提供必要的空间分析功能,解决相关难点,发挥技术优势。

通过BIM实时空间分析过程,生成了疏散路线沿线的火、烟气及人员要素的分布信息。这些信息可以作为疏散路线安全度及效率的判断依据。通过对疏散路线按一定距离生成平行条带状缓冲区,分析缓冲区内火、烟气的分布状况,由此判断出采用该路线进行疏散的风险大小,并对高风险路线(如烟气覆盖比例较高的路线)进行规避。同样,可统计缓冲区内人员的分布状况,对人员进行动态跟踪观察,如发现疏散效率偏低,则放弃该疏散路线。

通过人员疏散试验模拟检测当前疏散效率,如果疏散效率偏低或疏散路径危险度过高时,需对既有策略进行调整,如重新评估疏散路线的安全度与效率、选择备选出口及疏散路线等。策略调整使人员个体可能重新获得较高的疏散效率,也有效避免了模型运算出现死循环的情形。

停车流线模拟如图2-38所示。

6.地震、台风及洪水减灾中的应用

将BIM与GIS数据进行整合,可以作为地震、台风和洪水减灾分析的基础。在此基础上进行二次功能模块开发,可以实现区域性灾害模拟仿真,如图2-39所示。

图2-38　停车流线模拟

图2-39　灾害模拟示意

在地震中应用于地震区划和易损性分析、地震损害分析、抗震防灾对策和震后救灾等方面。根据概率地震危险性分析或设定地震得到的对未来地震影响的预测,确定给定目标的地震影响,结合对目标抗震能力的分析,在预测的地震影响下,估计目标可能遭受的破坏,并据此评价地震造成的经济损失和人员伤亡情况。

借助台风灾害评估可以实现台风影响评价,包括致灾因子强度分析,台风灾害预评估,包括灾害损失模型库,台风灾害预评估分析等功能。

对后世博央企总部基地采用Infraworks 360和projectboulder插件协同River Flow2D,可对洪泛区进行水文数据配置、分析并多角度模拟洪水,如图2-40所示。

7.能耗分析

项目群在方案阶段使用云端计算与分析(Green Building Studio,GBS)进行基于云的绿色分析。在使用BIM建造概念模型时,建筑师可以在设计过程中用虚拟建筑模型进行能量分析。启动能量分析功能后,首先进行能量分析设置,其中包括场地地理位置、建筑功能类型、窗墙比、设备运行时间表、设备参数及类型等内容,如图2-41所示。

图2-40　洪水模拟

图2-41　能耗模拟

能量分析的内容主要由通选项和可选项进行控制。通选项包括建筑地理位置、建筑类型、楼层信息等,这些条件决定了建筑的外环境与能耗类型。可选项包括概念构造、概念体量模型以及概念建筑设备。通过建筑师对以上方面内容的推敲,利用云计算对建筑的整体能耗进行概算。BIM中设置好的计算模型自动提交给网络服务器执行计算,然后将计算结果生成报表反馈回设计师,其计算报表可给出包括碳排量、能耗量、冷热负荷以及室内外环境数据在内的一系列分析评价指标数据。