Helsinki音樂廳

1、Helsinki音樂廳（下）【BIM案例研究】8、生命周期評估分析從廣義的生態(tài)學角度來看，生命周期評估(LCA)是很強大的分析、評估和比較設計選擇方案的途徑。因此，在設施的整體生命周期中，它需要多組測量值，例如施工、營運和維修成本、能源使用、用水量、建筑結(jié)構(gòu)、技術(shù)系統(tǒng)和設備。有正確的溝通和應用工具，團隊可以規(guī)劃對于建筑生命周期的整體階段可行的決策，從概念設計到施工到之后的設施營運及管理。測量值隨時間不斷改良，使其越來越接近成本估算值。多數(shù)現(xiàn)行的LCA作法皆為使用2D圖面和人工輸入材料和建筑數(shù)據(jù)，這樣相當浪費時間，且常常在設計-施工程序的晚期甚至竣工后才完成。BIM提供設計師和工程師在設計期間可

2、以更快速地使用LCA軟件整合數(shù)據(jù)的功能。BSLCA(Building ServicesLife Cycle Analysis)就是一種能快速整合的軟件（見圖八）。它和來自3D建筑模型的布局圖及材質(zhì)數(shù)據(jù)、來自建筑服務設計資料庫的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、來自商業(yè)HVAC-CAD軟件的管道和管線數(shù)據(jù)、以及和來自建筑能源模擬的能源消耗數(shù)據(jù)連結(jié)在一起(Laine等，2001)。BSLCA來可以在不同細化程度的建筑模型上進行操控的工具進行作業(yè)。包含SMOG，SMOG為一種空間建模軟件，用來解決空間和建筑使用測量值；以及Systems Design軟件連結(jié)至BSLCA數(shù)據(jù)資料庫架構(gòu)，以解決建筑范圍內(nèi)的所有服務：HVAC、

3、電機、建筑自動化、廚房和醫(yī)院設備。System Design工具亦能由項目工程師進行每日設計排程，把技術(shù)資訊儲存到建筑服務數(shù)據(jù)庫里。數(shù)據(jù)包含了電機材料、管線管道布局。這些建筑系統(tǒng)資料庫也為設施管理系統(tǒng)在建筑營運階段形成基本數(shù)據(jù)。Riuska被用來生成熱能、冷卻、內(nèi)部設備和照明成本。BSLCA所需要的數(shù)值可以由不同軟件所架構(gòu)的外部工具所生成并匯入LCA資料庫，由此可進行全球性的資產(chǎn)評估。圖八BSLCA的架構(gòu)，由LCA軟件所整合。Helsinki音樂廳設計團隊使用BSLCA設定項目的基準點來比較設計方案：1.將一個普通但完善的項目作為基準設計的假設，并使用類似施工方法。整體的熱能消耗為114kWh

4、/m2a，而音樂廳對于整體的熱能消耗的設計目標則設定在105 kWh/m2a，如圖五所示。2.方案二在建筑營運階段消耗較少的能源，但為了達成目標，它在施工階段需要使用較昂貴但導熱性能較佳的材質(zhì)。生命周期分析是一種平衡建筑施工和營運階段間能源消耗的有效方式。圖九為50年的生命周期結(jié)果，顯示這兩種設計方案有相似的生命周期能源消耗，而方案二在生命周期環(huán)境表現(xiàn)上則是略優(yōu)。圖九用LCA的分析比較兩種設計方案9、高品質(zhì)室內(nèi)環(huán)境設計的CFD模擬計算流體力學(Computational fluiddynamics，CFD)為復雜的氣流建模途徑，可以同時預測建筑內(nèi)和建筑四周的氣流、熱傳導和污染傳輸。這種概念可以

5、被用來評估熱舒適度的程度、室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)和建筑系統(tǒng)能源效率，對于建筑師、建筑HVAC設計師和建筑顧問及研究人員而言都是相當重要的層面。使用CFD的理想方式為在設計循環(huán)改良至最終設計的期間輔助協(xié)作。CFD不僅被當成是證明或是確認工具，同時也會影響到設計輪廓的形塑。在基地規(guī)劃和自然通風設計及大型空間的HVAC系統(tǒng)設計上，CFD非常好用。但傳統(tǒng)的CFD模擬軟件的界面對于使用者并不太友善，其眾所皆知的復雜度和高成本的程序必須要由專家來處理。不過BIM可以減少大量的作業(yè)并讓一般設計師能更輕易使用CFD進行模擬。ANSYSCFX用來進行本案件的CFD分析。該軟件由以下三個模組所組成：Preproc

6、essor C幾何、計算模型）Solver(計算）Postprocessor(視覺化）軟件由Granlund自己的BSPr中介軟件所整合(Karola等，2002)，它從建筑在IFC格式里的3D模型讀取幾何資料。然后軟件判定計算模型、邊界條件和網(wǎng)絡。結(jié)果由Solver所計算出來，并由postprocessor進行評估與視覺化。其結(jié)果可在虛擬現(xiàn)實境中進行視覺化。在本項目中，CFD被用來評估HVAC系統(tǒng)設計。如D0E2.1的加熱和冷卻負載計算軟件，負責一般被假設為空間中溫度是完美均一地分布的節(jié)點網(wǎng)絡。但對于大型開放空間，像建筑的門廳，這種假設常會導致HVAC系統(tǒng)被規(guī)劃的太大，這樣不僅浪費太多能源，

7、也讓人們感到不舒服。圖十和十一為空氣溫度和流速在大廳中的分布的前后比較圖。（注意流速的部分顯示了氣流變化，且流速并沒有在開放空間中分區(qū)。）在圖十中，我們可以發(fā)現(xiàn)初期的配置在上層有太多的熱分層，在修正設計中，人多區(qū)相對分布均勻，且溫度在23C(73.4F)以下。在圖十一中，人類行為層的氣流大約在0.25 m/s以下，將不會產(chǎn)生不舒適的感覺。CFD模擬被使用來優(yōu)化HVAC系統(tǒng)。圖十一顯示HVAC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從高點往下減少了超過20%，但幾乎不影響氣流分布。圖十整個大廳空間的空氣溫度分布。舒適范圍為低于23度，擴大并包含了整個居住空間。圖十一大廳一部分的空氣流速分布圖。第二個分析結(jié)果顯示在無負面影響的

8、狀況下，流速降低。10、可改善設計品質(zhì)和生產(chǎn)力的BIMHVAC及Sprinkler網(wǎng)絡建模來自LCC分析和CFD的結(jié)果被輸入到MagiCAD的模型中供MEP系統(tǒng)設計使用；能源和舒適度模擬則透過IFC被轉(zhuǎn)譯至MagiCAD之中（見圖十二）。MagiCAD是以CAD為基礎的軟件，用在包含HVAC、給排水、噴淋和電機系統(tǒng)等建筑服務設計(Progman，2010)。它是完全2D及3D的裝置，綜合了尺寸調(diào)整、平衡的計算功能，還有流動路線檢查、聲強計算和材料組織清單。MagiCAD從IFC讀取它的資料，所以機電工程師可以輸入和輸出設計模型的IFC資料，內(nèi)有完整的幾何和技術(shù)數(shù)據(jù)。Helsinki音樂廳案使用

9、MagiCAD的目的如下：平衡網(wǎng)絡壓力計算聲強計算實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)材料清單輸出IFC通道路徑的開口定義圖十二MagiCAD里的HAVC和噴淋模型組合模型的碰撞檢查MEP設計者進行MEP系統(tǒng)的碰撞檢查。然后再由Tekla的結(jié)構(gòu)模型試驗以檢測錯誤。因為機電工程師和空調(diào)工程師都使用MagiCAD作業(yè)，他們隨時可以對發(fā)生在通風、排水和機電間的安裝沖突做交叉檢測。MagiCAD可以定義開口的物件并略過他們回到結(jié)構(gòu)模型，在使用Tekla的狀況下，在結(jié)構(gòu)模型中創(chuàng)建一個開口。此外，Navisworks被用來做視覺檢查，Solibri則用來做模型檢查/驗證（平面空間、各系統(tǒng)間的沖突）。如同其他的檢查軟件，Solib

10、ri回報錯誤和生成錯誤產(chǎn)生處的螢幕影像。影像在之后可以被轉(zhuǎn)換為pdf供瀏覽使用（見圖十三）。圖十三為布局和碰撞檢查而組合模型11、BIM流程和交換性問題作為進階分析和模擬工具，它們在每個建筑設計階段的一般使用主要條件限制來自于費時的人工數(shù)據(jù)輸入，特別是與建筑幾何數(shù)據(jù)相關(guān)的資料。但IFC標準的持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造了設計軟件間相互操作的新可能。在本項目中，IFC被用作開放式數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)儲存庫。OlofGranlundOy和Laurance Berkeley Labs、MIT、Halton Group共同開發(fā)中介軟件BSProCOM-Server，用來管理IFC的機電系統(tǒng)設計視圖及機電分析(Karola

11、等，2002)。使用此工具，軟件開發(fā)者只需付出合理的心力便可在新的或現(xiàn)有的工具中與IFC達成兼容性（見圖十四）。它提供可輸入BSLCA、Riuska、MagiCAD和其他軟件的資訊。圖十四BSProCOM-Server對應IFC資料12、結(jié)論與經(jīng)驗學習Helsinki音樂廳項目提供了一些BIM技術(shù)裝置的使用經(jīng)驗。Riuska顯示了能源分析是如何支持設計。它從建筑軟件傳輸幾何資料到熱能分析模型中，使兩個模型達到一致性。Riuska的使用展現(xiàn)在模擬兩種幕墻玻璃的能源表現(xiàn)評估上。生命周期分析(LCA)則比較了不同設計方案對環(huán)境的沖擊。LCA是一種重要的分析型式，它在設計決策中扮演了極為重要的角色。BIM建筑模型中提取出材料和能源的使用，并成為LCA的關(guān)鍵。計算流體力學(CFD)的模擬為復雜且耗時又高成本的程序，需要專家的幫助。BIM大量削去CFD模擬所需的工作，使CFD模擬讓一般建筑師更易于使用。透過CFD模擬，大廳的HVAC系統(tǒng)減少了20%的負載。利用