张国军 皮 倩 陈善情

(湖南城市学院设计研究院有限公司，湖南 益阳 413000)

在过去，大多数建筑设计使用的是以经典的计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)为代表的AutoCAD软件，但是AutoCAD软件在某些方面难以满足设计者的需要。随着计算机软件和硬件技术的快速发展，传统建筑业亟需变革，一种新的建筑设计技术——建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)正逐渐应用于建筑行业的各个方面[1-9]。

建筑信息模型技术是以收集建筑全生命周期内各项信息数据作为模型的基础，通过建立建筑虚拟模型，并利用数字信息仿真技术模拟建筑物真实模型的一门新的建筑设计技术，被称为继CAD技术之后建筑行业新时代的关键力量。近年来，BIM技术发挥的作用和创造的价值不容忽视。中国住房和城乡建设部在2016年发布的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》明确指出:“十三五”期间重点增强BIM技术，大数据和云计算等应用能力，优化建筑行业信息化的发展环境，全面促进建筑行业信息化发展，并着重加快推动信息技术与建筑行业发展的深度融合[10]。同时，各省也纷纷出台相应政策，让BIM技术为我国的建筑业发展注入新技术。

值得说明的是，BIM技术的实现主要依靠软件来完成，也就是说BIM并不是某个软件，软件只是BIM技术的一种工具。其中，BIM软件基本可以划分为两种类型：创建BIM模型的软件和利用BIM模型的软件。本文将利用Autodesk Revit软件建立益阳某商业综合楼的模型，并利用鸿业建筑性能分析软件系列进行了商业综合楼的全年空调冷热负荷，室内光环境和小区室内外风环境的模拟仿真，通过计算相关参数看其是否符合工程手册或者国家标准的要求，对提高建筑设计和建筑节能都有着重要意义。

1 工程概况

小区位于湖南省益阳市高新区，总建筑面积164 420.35 m2，主要包括4栋高层住宅，1栋高层商住楼，1栋高层公寓综合楼，2栋多层沿街商业，1栋幼儿园以及地下车库。其中，高层公寓综合楼(如图1所示)中的1层～4层为商场，5层～7层为办公室，9层～21层为公寓。建筑类型为Ⅰ类高层建筑，建筑耐火等级为一级，建筑抗震设防烈度为6度，墙体结构类型为框架剪力墙，设计使用年限为50年。

2 BIM在模拟仿真软件中的应用

随着现代高性能的个人计算机的普及化，使得建筑师对建筑物理场的模拟分析成为可能，建筑师可在方案阶段就对建筑物的热、光、声的建筑物理场进行专项的性能分析。BIM技术作为可持续设计及分析工具，将本次设计中用鸿业系列的模拟仿真软件对住宅小区方案设计阶段进行模拟仿真，以助于更优的建筑设计方案的提出。

2.1 基于BIM技术的负荷模拟软件

在暖通空调设计中，设计日负荷计算往往只计算冬夏季节典型日的空调负荷，其代表着空调系统的满负荷承担的冷热负荷，而空调大部分情况下为部分冷热负荷运行，且由于本次综合楼商业部分功能及分区复杂多样，人员流动大，负荷波动较大。为了全面掌握建筑的全年冷热负荷特性，合理确定冷热源系统的装机容量及科学的运行策略，常常需要借助全年动态负荷模拟软件。

设计中将Revit中的模型(如图2所示)直接导出为gbXML文件，并导入采用HY-EP(鸿业全年动态负荷分析软件)得到HY-EP模型(如图3所示)并进行全年动态负荷计算，软件计算的核心为EnergyPlus，可避免在SketchUp内重复建模，大大节省建模时间，结果如图2～图5所示。

通过建模过程及对负荷模拟结果分析发现：

1)基于BIM技术的建筑负荷模拟软件(HY-EP)在一定程度上避免了传统全年负荷模拟软件存在的建模复杂、英文界面、输入参数麻烦、工作量大等弊端。因为在Revit模型中的地理位置信息、建筑围护结构热工参数以及室内外各项设计参数等数据都可完全导入HY-EP软件中，可避免重复建模和模型信息输入。相比于将Revit模型文件导入Ecotect软件中进行计算，模型中空间信息未必能完全导入Ecotect软件中，需在导入后的模型中重新设定一些基本信息后才能计算[11]。

2)在负荷模拟结果变化趋势上，虽然采用不同的负荷模拟软件创建模型得到的负荷模拟结果大致相同，但是在基于BIM模型的负荷模拟软件中，HY-EP的计算相比于传统软件需要花费大量时间，其根本原因在于BIM模型的精度较深，而传统软件中为提高负荷模拟速度，建模时往往将模拟对象进行大量简化合并，故在利用BIM模型进行负荷模拟时，建议用户根据自身所需的精度适当简化模型后再进行模拟，以提高模拟计算的速度。

2.2 基于BIM技术的气流组织模拟软件

随着现代计算机模拟仿真技术在暖通空调领域中的应用，气流组织模拟技术也广泛应用。利用计算流体力学(CFD)技术，可对室内温度、湿度、空气速度以及有害物浓度等进行模拟仿真，从而可以得到各项模拟量的分布情况。这对于保证良好的室内空气品质、提高空调系统气流组织并降低建筑物能耗等都有着重要的指导意义。

鸿业建筑风环境模拟分析(HY-CFD)软件，是以BIM模型为基础，以OpenFoam为模拟引擎的室内风环境模拟分析软件，软件可根据模型自动划分计算网格，并将房间负荷自动赋予至房间边界条件，然后生成算例，调动OpenFoam进行计算，最后解析计算结果生成相应的云图。

本文建立了综合楼及其周边建筑模型，利用鸿业建筑风环境模拟分析(HY-CFD)软件进行了整个住宅小区建筑群的室外风环境模拟。部分结果如图6～图9所示。

除此以外，室内气流组织模拟将以综合楼公寓的标准层为例，进行夏季建筑室内通风模拟。其部分结果如图10～图13所示，由于益阳市夏季的主导风向仍为西北向，可发现在其北向房间的自然通风效果要较东西向的通风效果好。故在建筑设计时可适当缩减南北的可开启外窗面积，适当增加东西向的可开启外窗面积以保证较好的自然通风效果。

将本次气流组织模拟应用的HY-CFD软件与传统主流的CFD软件(如Fluent)进行对比分析，可以发现HY-CFD的优点如下：

1)模型兼容性强。可使用Revit和CAD软件建立室内场和室外风环境模型，软件应用上符合国内设计人员习惯，结合未来利用Revit进行正向设计的角度，模型的利用率大大提高。

2)计算参数的模板设计和自动优化，自动划分网格，简化输入条件。HY-CFD软件已经在程序内部帮助用户自动设置定义边界和初始条件，比如模拟用气象参数、围护结构传热系数值、室内各风口风速和送风温度等，软件将复杂深奥的知识变为简单的按钮进行操作，这些都极大降低了设计人员对计算流体力学知识的门槛。软件内部也可以根据实际情况进行详细设置，但这里值得注意的是，将复杂深奥的知识变为简单的按钮进行操作，可能将导致模拟过程不收敛，从而计算失败。

3)结果自处理，丰富的三维和切面展示，标准报表格式输出。当模拟室内风环境可输出空调房间及自然通风下温度、风速、风压、空气龄和PMV的室内分布情况；在模拟室外风环境下可输出建筑群的温度、风速、风速放大系数和风压。这两类可三维展示或自定义截面进行展示。

2.3 基于BIM技术的光环境模拟软件

随着能源的日益短缺以及人们对舒适性和健康的追求，天然采光的节能也日益受到重视。合理利用天然光进行采光，不仅可以节约能源和费用，同时还可获得较高的视觉效果，是保护人体健康的重要措施[12]。

关于光环境模拟软件，目前国内外此类软件有很多，如WINDOW，SkyVision，Radiance，Lightscape，Ecotect和Daysim等。这类模拟工具的目标建筑通常需要精度较高(LOD 200)的BIM模型，而目标建筑的周围建筑则可利用精度角度(LOD 100)的体量模型。根据建筑物的实际情况，输入所在位置信息，并确定建筑材料的技术参数，即可在该软件中进行一年或者某时刻的日照以及阴影分析，并可对建筑模型中的太阳辐射、热、光学和声学等进行综合的技术分析。

将综合楼公寓标准层模型导出到鸿业建筑光环境模拟分析(HY-Daylighting)软件中进行天然采光分析。其部分结果如图14，图15所示。

其中，常规的光环境模拟软件往往包括日照、辐射、室内光环境的模拟分析。各类软件常见功能可分为以下三点:

1)日照模拟:由于在三维界面能清晰反映出各时刻建筑的阴影区域。建筑专业可以直接进行修改日照不足的部位。

2)辐射模拟:通过辐射模拟，可确定太阳能集热器的朝向，或者对太阳能集热器的布局进行优化设计。

3)室内光环境模拟:通过模拟生成真实感的渲染图形作为参考，有效的避免眩光干扰，从而提高视觉舒适性，营造一个优良的光环境。此外，还可充分利用天然采光减少能耗。

3 结论和展望

随着计算机技术的发展和数据时代的到来，建筑物包含的各项信息越来越丰富，模拟软件的数量和质量也都有了很大的提升，这些对建筑设计的方法和理念都产生了巨大的影响。同时也可以看到，不同于以往主流单一的科研软件，作为工程类模拟软件的HY-EP，HY-CFD和HY-Daylighting，它们有其自身的特点，使用者应根据适用范围和实际情况选择适合的模拟软件。

总体而言，从现有的模拟仿真软件中可以看到如下发展趋势：

1)无论是哪个物理场的模拟，建模都是花费时间最多的部分，特别是对于一些复杂建筑方案而言。模拟仿真软件应尽可能提供便捷的建模手段，其与BIM技术的结合将会越来越紧密。

2)建筑技术的优化在建筑方案设计阶段时的节能潜力最大，然而在该阶段模拟的案例目前较少。如果可以降低模拟的成本，广泛的在该阶段普及应用模拟技术将是未来的一个重要发展方向。