基于建筑信息模型对异形空间空调负荷的工程求解方法分析与探讨

赵浩亮，肖迪特，左鑫，李扬

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

基于建筑信息模型对异形空间空调负荷的工程求解方法分析与探讨

赵浩亮*，肖迪特，左鑫，李扬

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

本文提出利用建筑信息模型对异形空间的空调负荷进行分析计算，介绍了应用建筑信息模型（BIM）计算空调负荷的方法，并和传统空调负荷计算方法做了对比。对上海某世博展览厅的空调负荷计算结果分析表明，建筑信息模型的应用是可行的。

建筑信息模型；空调负荷；异形空间

0 引言

目前，设计人员通过计算机建模求解空调负荷作为设计依据。由于模型不同，软件只能做到输入条件的统一[1]，对被模拟建筑物的简化和假设无法完全一致[2]，从而导致计算结果的差异。随着现代建筑外形的不断创新和空间布局的多样复杂，传统的建筑空调冷热负荷计算方式已难以得出精确的冷热负荷数值。

以往研究偏重对能耗计算方法及软件的分析，如SHARP等[3]利用多元回归法构建能耗分析模型，SEEM[4]和TSO等[5]应用层次分析法建立能耗预测模型，马晓云[6]、李春娥等[7]、王喜春[8]和杨利明[9]等分别采用eQUEST、DeST-h软件对既有建筑进行能耗计算、介绍能耗评价方法，刘长城[10]、首灵丽[11]、梁波[12]、韩辉[13]利用建筑信息模型（BIM）对建筑能耗进行分析，而对利用BIM计算异形空间冷热负荷却鲜有提及。影响空调负荷的因素很多，主要因素有建筑形状、围护结构类型、空间大小和朝向、当地地理和气候环境等[14-16]。本文将主要利用BIM技术对异形空间空调负荷进行分析计算进而探讨BIM在该过程所起的作用和意义。

1 建筑信息模型介绍及应用

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化、模拟性、协调性、优化性和可出图性五大特点。

目前国内外BIM应用软件市场上的主流软件为欧特克（Autodesk）公司开发的Revit。本文应用的BIM软件为Revit 2014，它集合了之前的AutodeskRevit Architecture、Revit Structure和Revit MEP三大软件模块，形成从建筑、结构到机电为一体的BIM软件。在本文中，主要用到Revit的三维建模功能，将三维模型导出可被能耗类软件识别的文件格式。

2 工程案例与三维模型建立

2.1 工程案例简介

本文以上海某世博展览厅为例，研究对象为该展览馆工程的展厅，位于该展览馆的最上层，整体外观酷似一朵云，故在下文中将其称为“云厅”，其三维外观如图1所示。

该展厅外观截取了展览馆整体建筑的最上一层，建筑外观如同3朵云汇聚而成，围护结构被分割成许许多多的小三角形玻璃幕墙面，这些墙面依照一定的角度联结最终形成跌宕起伏的“云状表面”。本案例将此“云厅”为研究对象，根据已经由传统空调负荷计算软件得出的计算结果，再对其基于BIM的负荷分析计算方法进行探讨，最后将二者进行对比和分析。

图1 “云厅”外观

2.2 三维模型建立

“云厅”的建筑类型为博物馆，每周工作日即周一至周五9:00～17:30对外开放。夏季室内设计计算温度为24 ℃，相对湿度为55%，照明加设备负荷密度为15 W/m2，人员密度为3 m2/人。围护结构热工参数如表1。

依据建筑专业的Rhino三维模型和CAD图纸，通过反复实验，“云厅”的复杂表面所围成的异形空间只能通过简化的模型形式，才能顺利导出gbXML格式的能耗计算文件。模型的建立基于“云厅”的外观体量，将其分为上下2层，每层高度各4 m，2层均按照“云厅”轮廓线简化为近似的多边形，上下2层叠放在一起形成最终的简化模型。在Revit中导入CAD二维图纸，依照“云厅”平面外轮廓线描绘出简化折线段，如图2所示。

“云厅”平面图的建立之后，放置有效的负荷计算空间，设定正确的标高，最终形成三维模型如图3所示。

经简化后的三维模型经Revit导出成gbXML格式文件，再导入能耗软件进行空调负荷计算。

表1 维护结构参数

图2 “云厅”简化平面图

图3 “云厅”简化三维模型

3 计算结果分析比较

经能耗软件计算出的负荷变化曲线如图4所示。

从此负荷变化曲线随时间的分布规律能得出：展厅的负荷随室内人员的增多和室外环境的升温等因素而逐渐增大。到13:00左右，由于午餐时间，人员暂时减少，空调负荷明显降低，随后又逐渐增大，到17:00到达负荷最大值620 kW，冷负荷指标为745 W/m2。在eQUEST中利用同样方法进行三维建模后得到三维模型后计算得出的结果如表2所示。总冷负荷为574.47 kW，冷负荷指标为658 W/m2。

图4 “云厅”夏季空调负荷变化曲线

表2 “云厅”夏季空调负荷

此外，利用传统的空调负荷计算软件华电源负荷计算软件进行简化计算，将“云厅”幕墙表面进行水平和竖直方向上的分解为4部分，根据屋顶投影面积与角度计算幕墙斜面面积，如公式(1)所示。

式中：

α——斜面与投影面的夹角，°；

S投影——投影面面积，m2；

S斜面——斜面面积，m2。

另外采用eQUEST建模，将总体建筑分成两层，每层层高4 m，建立模型，如图5所示。

由传统空调负荷计算软件得到的结果如表3所示。总冷负荷为561.54 kW，冷负荷指标为643 W/m2。

利用各计算软件所得负荷如表4所示。

图5 eQUEST计算模型

表3 传统空调负荷计算软件计算结果

表4 各计算结果统计表

通过汇总计算结果可知，eQUEST和华电源负荷软件计算得出的结果均小于恒绿的计算结果。原因主要存在于两方面。一方面，能耗模拟软件恒绿软件能准确读取非正规朝向的围护结构的空间角度，而一般传统空调负荷计算软件只能设定东、南、西、北、东南、东北、西南、西北8个正规朝向。因此当传统计算软件计算非正规朝向围护结构时需要简化或分解角度，在一定程度上造成了计算的误差。另一方面，3款软件的计算机理均有所不同。

eQUEST核心是DOE-2，采用反应系数法来计算建筑围护结构的传热量。常用的反应系数类型有方波反应系数和三角波反应系数。借助方波或三角波分解扰量时所具有的简单线性叠加特性，可以方便地进行动态负荷的离散计算[17-18]。但是，上述两种反应系数都基于一定时间步长，故对应的反应系数法只是一种定步长方法，这对于各种不同的实际对象很难做到计算精度和计算速度两全其美。恒绿软件计算方法采用的是Energyplus内核，其是在软件BLAST和DOE-2基础上进行开发，吸收了DOE-2的LSPE结构，并做出了改进，它采用集成同步的负荷、系统和设备的结构，在上层管理模块的监督下，模块之间彼此有反馈，而不是单纯的顺序结构，因此计算结果更为精确。因此可以看出，虽然eQUEST同样也进行了建模，但得出的计算结果与传统方法并无太大差异，而经由Revit建模再导入以Energyplus为计算内核的恒绿能耗软件所得出的结果756 kW/m2，与展厅的实际空调配用后所计算出冷负荷指标800 kW/m2更为贴近。

4 结论

BIM软件虽在空调负荷计算方面还不够完善，三维建模功能多样化及与能耗对接方面还有待提高。经过模型简化处理之后，可以得出具有一定可信度及参考价值的计算结果。虽然得出的结果在可靠度和精确度方面还有待进一步探讨，但是面对现今的传统空调负荷计算方法在计算复杂的异形空间建筑时，可以采取一些创新的计算方法。相信随着BIM技术的成熟与普及，三维建模更加专项化和精确化之后，直接利用三维模型获取异形空间的空调负荷值在将来会成为可行。

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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

*赵浩亮（1989-），男，助理工程师，硕士。联系地址：上海市汉口路151号，邮编：200002。联系电话：021-63217420-2075。E-mail：zhl19766@ecadi.com。