应用BIM技术构建绿色数据中心

杜明强

（铁塔能源有限公司辽宁分公司数字能源组，辽宁 沈阳 110167）

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）指通过计算机仿真技术来模拟建筑物所具有的真实信息，是对各类工程项目相关设计、规划、方案信息的详尽表达方式[1]。BIM是计算机仿真技术在建设工程领域中的最直接应用，用以解决建设工程项目信息在软件中的具体描述问题，能够使设计人员和施工技术人员对各种建设信息做出正确的反应和应对，并且为协同工作奠定坚实的基础[2]。BIM同时也是一种应用于设计、施工、运维的数字化方法，这种方法支持建设工程的环境集成管理，在建设工程中应用可以提高整个工程建设效率并降低各类风险。通俗来说，BIM是带有信息数据的三维建筑模型，其信息数据在设计、建造、管理以及运维等全生命周期内均可发挥出巨大的作用，被认为是未来建设工程领域的主要发展方向[3]。信息数据的内容可以是描述几何形状的视觉信息，还可以包含大量的非几何形式信息，例如建设工程选材的重量、价格等。

1 BIM的应用领域及优势

1.1 应用领域

目前，BIM应用涉及建设行业的各个领域，如公路、水利、机场、市政工程以及工业化住宅的建设等。BIM技术的应用形式和方法主要包括建模培训、建模升级等，同时部分BIM咨询公司通过各种BIM软件帮助用户在项目中进行三维设计及浏览、碰撞试验和检测、管线及综合布线、虚拟建造、设备安装、算量造价以及出施工图等应用。BIM的部分应用领域如图1所示。

图1 BIM的应用领域

1.2 应用优势

（1）可视化。通过构建模型三维立体实物图形，实现项目设计、建设、运维等整个过程的可视化，方便各方进行更好的沟通、讨论与决策。

（2）协调性。使用BIM综合协调可以有效避免各实施专业间的信息不兼容现象，如管道、布线与建筑结构冲突，各个封闭空间出现冷热不均、该预留的孔洞没留或尺寸不对等情况，减少设计方案变更或重复返工的情况。

（3）模拟性。除了能实现3D画面的模拟外，还可以对人员应急逃生及消防疏散等日常紧急情况的处置方式进行模拟和演练。

（4）优化性。应用BIM系统及其配套的各种优化工具在项目前期进行有效的优化处理，利用模型提供的各种完善的信息来进行优化。

（5）可出图性。经过建筑设计、碰撞检查和设计修改最终形成综合设计施工图，可以直接生成综合管线布线图、综合建筑结构留洞图、碰撞检查试验报告以及建议修改改进方案等。BIM的全生命周期应用如图2所示。

图2 BIM的全生命周期应用

2 绿色数据中心建设需求分析

数据中心作为通信设备的存储主体，主要涉及工艺、电源、空调、建筑、装饰以及暖通等多专业建设工程，管网比较复杂，协调安排好各个专业的管网路径是影响后期施工和运营的关键。根据现有的设计方法，多在二维平面图中布置管网路径和协调标高。通过专业的图纸对比校正管网，这种人工校对的方法带来了极大的工作量，难免会在施工中留下隐患[4]。

数据中心是一个能耗大户，越来越多的运营商开始进行绿色可持续数据机房建设。绿色数据中心资源使用效率更高，对环境的影响较小。数据中心的电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值能效衡量是数据中心运营管理建设的一个重要指标，如何降低数据中心的PUE是绿色节能设计的关键。在现有的PUE值计算中，耗电的设备较多，很难做到精确计算。

互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）通信机房前期投资较大，后期运营费用也比较高，合理优化前期投资和后期运营投资的比例十分重要。在现有的设计优化中，很难做到精确的投资估算。在数据中心的建设过程中，并没用体现信息在建造设计中的应用，而是运用传统的建造设计方法。建筑师按照规模和标准进行二维的平面布置，满足基本功能后各个专业以建筑的二维平面为工作平台对平面布置进行调整，平面确定后进行立面设计。各个专业图纸信息相对独立，缺乏信息互动性[5]。

在传统的数据中心设计中，更多集中在二维平面的功能分区布局和建筑利用率上，对于节能措施的考虑也集中在各个专业说明中，缺乏实际的节能数据分析。在原有的前期设计中，各个专业的绿色节能措施多在说明中论述，用户很难通过文字叙述进行直观明确的判断。在设计前期引入BIM绿色性能分析，根据建设规模和建设标准进行BIM初步信息管理，充分落实绿色节能措施。

充分利用本地的气象信息数据，模拟该地的气象模型，主要包括一年中的温度变化、相对湿度变化、风速变化、风向变化、太阳高度变化、日照方向变化、光照强度变化以及云量变化等。建立关于机房的三维模型，确定机房的方位、朝向以及与周围建筑物的关系。输入机房建筑围护结构参数，例如墙体散热系数、玻璃透光率等。输入暖通空调系统、新风系统的类型和机房运行参数，例如温度、相对湿度、照度等[6]。计算机房的冷热负荷及能耗PUE，通过调整方案优化机房的整体能耗。BIM在数据中心的应用范围如图3所示。

图3 BIM在数据中心的应用范围

数据中心的IT设备对温度范围要求极为严苛，温度过高会导致设备宕机甚至损坏。由于IT设备的发热量极大，因此机房空调送风系统的设计非常重要，要确保有足够的冷空气进入IT设备，同时保证从设备排出的热空气可以被迅速排走，冷热空气隔离不发生混合，从而使IT设备得到充分的冷却。通过BIM的数值化分析，可以准确模拟机房中空调的最佳使用方式。

3 BIM在数据中心各阶段的作用

3.1 设计阶段

BIM在设计阶段用于机房空间三维形态的表达与复杂的数据共享，提供建设工程所需的全部信息，能够将项目各阶段的主要参与方都集中在一起，实现机房空间三维形态的信息表达。建立虚拟建筑模型，提供机房建筑物精确的空间关系和信息数据[7]。根据3D虚拟模型自动生成和同步更新各种图纸和文档，自动协调关联变更改动的信息，从而实现信息共享与同步协同。

此外，充分考虑BIM虚拟化、可视化的应用。在传统的设计方法中，空间设计是在二维平面中深化而来，通过平面与剖面的对比确定空间的形式，这种方法全靠建筑师对空间的理解能力，并不能完全反映出真实空间感。而通过建立三维信息模型，完善建筑空间布局及立面的设计，可以真正地模拟空间感。通过三维可视化的运用，推敲空间细部处理、材料运用效果、结构形式选择以及设备选型，提供了更好的沟通方法，有效提高设计质量。

在传统的通信机房管网综合设计中，各个专业通常为管网路径而困惑。而通过建立三维信息模型，可以利用碰撞模拟鉴别冲突，包括建筑、结构和暖通、电气系统间的各类冲突。这类碰撞冲突的模拟方法又称为碰撞试验，各类冲突可以通过虚拟方式加以解决，避免在实际施工中遇到同类问题，同时还可以在三维信息模型的基础上对管网综合进行优化，使管网最经济有效。

对于投资估算专业的应用，原有的设计方法是通过建筑平、立、剖面等二维信息结合广联达模型软件进行建模，估算用量。而BIM软件的核心价值在于其信息数据，通过建立三维信息模型，可以精确地输出建筑材料和设备的采购清单，使造价估算更加精确，而且不用重复建模。建立三维信息模型可以进行动态模拟，提供更加直观的科学数据和节能措施，以更高的效益推进项目完成。BIM在数据中心设计阶段的具体作用如图4所示。

图4 BIM在数据中心设计阶段的作用

3.2 分析阶段

（1）结构分析。利用各类BIM工具对结构进行模拟分析，从而生成合理的各类施工图。

（2）节能分析。分析并计算能耗，根据计算结果进行节能分析、经济分析。

（3）造价分析。结合零库存的施工管理方式，根据限额领料施工，最大程度提高工作能效。

（4）工序分析。通过BIM模型和进度管理软件的数据集成，实时监督施工进度，实时调配现场人员和资源。

（5）可建设性分析。通过BIM模型进行安全环境、施工现场空间、施工对环境的影响等全面可建设性模拟分析，根据分析结果合理优化方案。

（6）冲突碰撞试验。通过BIM模型在建造前期对各施工专业的冲突碰撞问题进行模拟，解决各专业间的冲突。同时提供可整体化协调数据，解决了传统施工过程中会审时间长、沟通效率低以及难以及时发现问题等一系列弊端。利用BIM进行冲突碰撞检查如图5所示。

图5 利用BIM进行冲突碰撞检查

3.3 施工阶段

应用BIM整合现场，通过构建的虚拟建筑模型结合实际能够完整地呈现和操控现场施工。

利用BIM建模结合3D施工图指导施工现场，通过激光扫描、实时通信或互联网等技术实现施工现场跟踪管理，保证施工期间的安全生产。

3.4 营运阶段

营运阶段主要进行能耗、折旧、安全性预测，重点关注物业变化前的原始信息、建筑使用情况或性能、入住人员与容量、建筑已用时间、建筑财务信息、可出租面积、租赁收入以及部门成本分配的重要财务数据等。

4 数据中心项目机电安装特点

4.1 技术要求高

数据中心作为数据处理、存储、传输、交换以及综合分析一体化的基础设施，其对机电设备安装调试的技术要求较高，在对机械和电气装置质量的认可方面远高于一般的工业厂房和民用建筑。机电设备安装调试的技术水平持续提高需要积极引进新材料、新设备和新技术，同时各专业项目相关人员的知识水平、技术能力同样也需要满足数据中心项目机电设备安装调试的要求。

4.2 覆盖范围广

数据中心项目机电设备安装调试涵盖消防系统、暖通空调系统、给排水系统、电气系统以及弱电综合布线系统等，涉及供回水管道、封闭线槽、梯形桥架、风管、母线以及金属线管等配套设施，系统多且管道杂，工程量巨大。在机电安装过程中，使用BIM建模可以提高后期设备运行检修维护的便利性，覆盖范围广。

5 BIM技术在数据中心建设项目中的应用

利用BIM三维模式可以推算所需的材料信息，并根据材料的类型、价值以及数量将实物和模型结构信息相互组合在一起，从而测算出本工程项目所需的材料成本。在一定程度上，不但能够对工程造价进行合理管控，同时还可以提高工程项目的预算编制效益。除此之外，通过BIM技术的使用能够对工程施工进度进行即时监控，同时还可以对施工材料的价格和供应商数量进行实时更新调整，减少了物料浪费，降低材料管理问题对工程施工进度的影响。

在数据中心机房施工现场，由于现场情况相对比较复杂，如果在技术参数安全交底方面出现了错误，就需要重新梳理整个项目过程，不仅会花费较多的时间、物力与资金，而且也降低了BIM技术的准确性。在现场施工时，因此可以直接将BIM中的模块导入到计算机上，再通过现场数据比对BIM模拟的现场。结合施工现场的实际情况调整实施计划，实时推动技术交底的高效实施。

基础模型建立过程中，应先确定各模块共同命名的原则，实现模型数据的标准化交换，以便对得到的数据进行精确、完整的测量，对管道碰撞做出快速定位。此外，还应确定模块建立时精确度较大的数据，推动机电系统工程综合管道的设计实施。在模型参量精确度上，以模型建构的材料种类为例，通过将建筑材料的品种、材质类型等参数加入到机械模型中，有助于对图纸进行全面测量，从而减少建筑材料的计算错误。针对每个参量，应尽可能地加以精细划分，从而更好地完成施工准备。

通过建模软件构造机电各专用线路的结构模式，对各个专门的线路进行碰撞测试，从而得出详尽的事故研究报告，反映线路的状况并对线路布置做出优化，分类整理不同事故状况，对已经解决的问题加以说明，提升碰撞事故的处理效果。

在管路优化工作方面，并不能将事故检查点作为对撞点加以调节，而应根据建筑对净高的需求、机电排布、与管路碰撞的情况等调节管路布置方法。在调节管路的过程中，针对净空高标准做出了提前制定，并按照用户的实际需求调节管路，以避免管路发生下翻与移动。针对管线紧密布置的地区，如果发现管线走向相互交错，极易发生管线相撞现象，此时要根据设计规格的有关规定进行整体上的碰撞调节，总体上坚持大管先行小管其后、有压让无压、重力排水管路优先的原则。如果发生重大事故，就必须对次要管线进行翻弯调整。

BIM技术具备一定的仿真能力，可以合理地模拟出施工过程中所能出现的所有情况，对于施工进度和工程质量管理有着十分重要的意义。在工程开始前，设计总负责人必须承担工程安全运行的职责，对所有人员的任务分配进行科学协调，登记并审核全部工作流程，以便后期对项目的反馈。将信息模拟与施工计划融合在一起，安装公司在布置机械设备前能够精确控制布置计划，为机械施工项目的顺利完成提供重要保证。

6 结 论

通过BIM的应用，避免了设计前期、方案阶段考虑不周导致施工图深化和施工中出现的问题，有效地管理工程造价、施工进度。搭建BIM技术平台，突破现有的传统设计模式，将信息化深入到绿色数据中心的全生命周期建设中，全面把握设计前期、设计优化、施工管理、运营管理等阶段的信息技术，促进数据中心的长久发展。