BIM技术在数据中心暖通设计中的应用分析

王桂坤

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 BIM技术概述

1.1 BIM技术

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是建筑行业中的一种新技术和方法，它利用数字模型对建设项目进行设计、施工、运营以及管理，致力于整个建筑的三维数字化信息构建。

1.2 建筑信息的不同维度

建筑信息模型不是简单的将数字信息进行集成，它还是一种数字信息的应用，可以用于建筑设计与造价管理，支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高质量、提升效率、降低风险。该三维数字化信息模型不是静态的，而是随着建筑生命的不断发展而逐步演进。从前期的方案设计、施工图设计到建造施工和运行维护等各个阶段的信息都可不断集成到模型中，可以搭建基于BIM技术的数字化协同平台贯穿整个工程项目全生命周期进行一体化管理，致力于改善建筑项目的性能表现及信息整合。

1.2.1 地理信息

对于暖通系统来说，不同地方的电力资源、水资源、干空气能、空气品质、海拔高度以及自然灾害风险等条件各不相同，数据中心所处的地理位置很大程度上影响数据中心对能源的应用方式。比如通过湖水或海水对数据中心进行自然冷却可以有效降低数据中心PUE，而海拔高度会影响直接新风或间接蒸发冷却技术在数据中心的应用。通过BIM技术综合分析数据中心所处地理位置信息，既能科学利用自然能源，又能规避地理位置所带来的问题。

1.2.2 建筑空间信息

数据中心在城市中的位置、周边建筑类型、交通配套以及其他建筑遮挡关系等都属于建筑空间信息范围。数据中心应具备充足的电力，采用水蒸发冷却方式制冷的数据中心水源应充足，市政给排水、燃气、通信等管道设施信息应明确，应远离产生粉尘、油烟、有害气体或贮存有腐蚀性、易燃易爆物品的场所。通过BIM技术将城市空间规划信息统一起来，可将数据中心与城市结合起来，使数据中心更有效的为人服务。

1.2.3 气象信息

数据中心需要全年不间断制冷，而其所在城市四季变化以及日夜交替的过程中，环境空气温度、湿度、风速以及太阳辐射等气象条件也在不断变化。气象信息的变化时刻影响着制冷系统的运行，BIM技术能根据气象信息的变化有效控制数据中心制冷系统的运行策略，进而促进数据中心全年安全高效节能的运行。

1.2.4 空间几何信息

建筑结构中定义尺寸、楼层高度以及建筑构件之间的关系往往涉及到建筑、结构、机电等相关专业的协调配合。将建筑空间几何信息通过BIM平台实时显示，促进各专业之间多角度、全方位的协调，能使数据中心在设计、施工阶段高效有序运作。

1.2.5 设备运行信息

数据中心暖通系统主要包括冷水机组、冷却塔、末端空调、水泵、水处理装置以及板式换热器等，BIM平台通过实时更新的室外运行条件和室内负荷状况可全方位展示设备运行参数，以此达到实时控制数据中心全年不间断安全运行。

1.2.6 材料及热工信息

传统二维作图方式的图纸中不包含建筑构件材料和热工信息，这些信息需要在设计说明和设备表中体现。通过BIM技术将建筑材料、构件热工参数、质量等级以及品牌产地等信息包含在BIM模型中，当需要建筑构件相应信息的时候，BIM模型可以快速、精准地显现所需要的信息。

1.2.7 造价信息

传统工程建设过程中，各专业图纸和造价分开进行。各专业将图纸完成之后，造价师再根据各专业设备材料确定清单单价、工程量、定额单价、合价以及取费依据等内容。而通过BIM平台可将设备、材料、工程量等造价信息统一归纳到建筑信息库中并实时更新，这样在设计师设计过程中可直接得到设备材料造价信息，进而在设计阶段就可以精确地控制成本。

1.2.8 进度管理信息

在数据中心建设过程中，BIM平台可以精准把握工程进度信息，计划开始、实际开始、计划工期、实际工期、进度工程量以及结束时间等进度管理信息在数据中心建设过程的节点时间内实时展现，以提高建设管理水平。

2 数据中心暖通系统

传统的数据中心是固态的，灵活性及扩展性不足。新时代的数据中心整合了标准化、最优化、虚拟化以及自动化等特点，涉及建筑、暖通、电气、消防、网络、智能化以及运营等各个专业，沟通繁杂，协调困难，这不仅是促进BIM技术加快进入数据中心项目的一个重要原因，也是推动建筑行业快速迈向信息化时代的关键环节。

数据中心暖通空调的特点在于大制冷量（IT设备发热量较大，单位面积热负荷较大，且需要全年制冷）、小焓差（避免降温时还需除湿）以及大风量（焓差小，大制冷量决定了大风量的设计，有利于气流组织分布）等。此外还需注意机房湿度也需要保持在一定的范围内，避免电子元器件出现静电或者出现冷凝水，除尘及净化也有较高要求，避免灰尘积累影响设备性能。数据中心机房可靠性要求高，IT设备保持性能的不间断运行需要空调系统不间断可靠稳定运行来提供恒温恒湿环境，此外需要对空调系统进行专业监控及维护。

大型数据中心投资和耗能巨大，其中暖通空调系统耗能占比较高，也是节能潜力最大的一部分[1]。这对于数据中心暖通设计要求越来越高，不但要为前沿技术发展提供合理的设计思路，还要进一步优化系统达到节能减排的目的。

目前，数据中心设计参照《数据中心设计规范》实施，规定机房专用空调和行间制冷空调宜采用出风温度控制。机房一般采用区分冷热通道的气流组织方式，冷通道或热通道可封闭，其送风温度宽泛更易实现，可以在满足要求的同时尽量降低能耗[2]。数据中心的发展之迅速和能源消耗之巨大引起了数据中心行业乃至国家和世界能源类相关组织和机构的高度重视，由中国电子学会发布的《中国绿色数据中心发展报告（2020）》指出，2019年全国数据中心按照标称功率计算的理论年总用量约为1～1.2×1011kW·h，实际发生的年总用电量在6×1010kW·h左右，约为三峡水电站年发电量1.2×1011kW·h的一半。工业和信息化部、国家机关事务管理局、国家能源局近日联合印发的《关于加强绿色数据中心建设的指导意见》中明确指出，加快绿色数据中心先进适用技术产品推广应用，重点包括热管背板、间接式蒸发冷却、行级空调以及喷淋降温等高效制冷系统。

数据中心规模大、设备密集，成本较高。因此，对于数据中心暖通系统，除了降低能耗，还存在避免安全事故、整合利用有效资源以及控制成本等各项挑战。基于BIM技术，不仅能对机电等专业的管线布置进行深度优化、提高施工效率，而且能得到详细的工程量清单、减少成本效益，还可以进行运营及监控模拟，排查安全隐患[3]。

3 BIM在数据中心暖通设计中的应用

3.1 方案阶段

将数据中心机房BIM模型导入CFD软件，利用软件验证数据中心设计方案，发现当前数据中心的布局方案、控制方案、冷却方案及其他热点问题，了解外部因素对柴发、室外机的影响。设定包括机架、高架地板、通风栅格、空调系统以及天花板回风等组件的模拟参数，模拟得到下送上回的送风方式下机房的温度场、风速场、风压场等结果，较好地支撑了相关冷热通道的设计，对后期机房维护、设备节能有积极的促进作用[4]。

另外，通过气象与运行工况信息的变化，BIM平台通过对数据中心信息的可视化分析，使得在方案阶段可以模拟出不同冷却方式的全年能耗、建设时间以及造价等数据，通过经济、技术以及施工难度等因素综合对比选择出最优的冷却系统方式。数据中心不同冷却方式如图1所示。

图1 数据中心不同冷却方式

3.2 设计阶段

3.2.1 可视化

现阶段使用BIM技术辅助数据中心设计，一定程度上只达到了翻模的意义。在实际设计阶段还是使用CAD进行，BIM将辅助进行管线综合。数据中心管线综合尤为复杂，存在大量的管线及部件的安装，如风管、水管、气灭、水喷淋、强弱电桥架以及灯具等。数据中心BIM建模过程及效果展示如图2所示，不同专业之间的相应空间位置一目了然。BIM化的设计摆脱了二维CAD图纸表达的局限性，平面图纸难以反映出的通信机房布局、内装及设备布置，通过Revit将设计内容整合到统一的3D可视模型中[5]。

3.2.2 信息共享

为满足数据中心规模化建设的需求，建筑工业化的发展必须以标准化为前提，标准化模块的建立是标准化设计的核心。在BIM的应用过程中，族的建立与发展是促进标准化单元的一个重要方式。随着企业族、云族库的不断丰富与完善，常见构件都会拥有独属的虚拟族文件得以保存。而BIM强大的信息共享与协同工作能力可以促进标准化单元的扩充，从而进一步满足数据中心快速建设的需求。

数据中心不同专业BIM族库如图3所示，在数据中心设计初期，就将数据中心所需的各专业族库下载下来。设计过程中通过改变构件的模型信息而不改变其基本属性，这样建筑信息得到了高效应用的同时，也满足了数据中心标准化的要求。

图3 数据中心不同专业BIM族库

3.2.3 全专业协调

在建筑结构BIM模型的基础上进行设备建模，设计过程中在3D可视环境内精确定位管线位置，各专业间协作检测解决碰撞冲突，真实反映管路连接，提高设计质量。及时发现可能存在的问题并在施工之前调整设计，这样减少了设计图纸自身错误或冲突导致的工程变更、现场签证，在实际施工过程中发生的碰撞也可以在设计阶段就进行优化避让，提高了施工效率并减少返工。

此外，数据中心机房一般采用精密空调，具备风量大、换气次数高以及室内气流循环效果好等优势，但其管路管径较大，空间布局紧张。在满足使用功能、路径合理以及方便施工的原则上使用BIM技术，不仅可以使管线综合更加合理、美观、充分利用空间，而且可以精准定位管线穿墙及楼板的预留洞口，便于统计及指导现场实际施工。BIM平台的管道碰撞检测如图4所示。

图4 BIM平台的管道碰撞检测

4 结 论

在数据中心暖通设计中使用BIM技术，目前已在管线综合、运维管理中发挥一定的作用。现阶段BIM的发展还局限于人们掌握技术的程度及软件的发展。大部分BIM技术的应用都基于CAD图纸进行重新建模，虽然可对设计进行碰撞检查、方案优化以及可视化交底，但当检测出现问题时，仍然要通过各专业间沟通来进行再协调和优化。随着BIM技术的发展，其更大的作用在于正向协同设计直接在三维环境中进行，图纸与模型结合，模型数据信息一致完整，并可继续向后传递。当改变了一处，平面立面剖面都即时改正，各专业都将同时收到改正的提示与最新模型。实现BIM正向协同设计，才能真正将BIM从设计阶段扩展至建筑项目全生命周期，将创建的模型价值最大化，做到综合效率的大幅提升。