BIM技術在數據中心暖通設計中的應用分析

王桂坤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 BIM技術概述

1.1 BIM技術

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是建筑行業中的一種新技術和方法，它利用數字模型對建設項目進行設計、施工、運營以及管理，致力于整個建筑的三維數字化信息構建。

1.2 建筑信息的不同維度

建筑信息模型不是簡單的將數字信息進行集成，它還是一種數字信息的應用，可以用于建筑設計與造價管理，支持建筑工程的集成管理環境，可以使建筑工程在其整個進程中顯著提高質量、提升效率、降低風險。該三維數字化信息模型不是靜態的，而是隨著建筑生命的不斷發展而逐步演進。從前期的方案設計、施工圖設計到建造施工和運行維護等各個階段的信息都可不斷集成到模型中，可以搭建基于BIM技術的數字化協同平臺貫穿整個工程項目全生命周期進行一體化管理，致力于改善建筑項目的性能表現及信息整合。

1.2.1 地理信息

對于暖通系統來說，不同地方的電力資源、水資源、干空氣能、空氣品質、海拔高度以及自然災害風險等條件各不相同，數據中心所處的地理位置很大程度上影響數據中心對能源的應用方式。比如通過湖水或海水對數據中心進行自然冷卻可以有效降低數據中心PUE，而海拔高度會影響直接新風或間接蒸發冷卻技術在數據中心的應用。通過BIM技術綜合分析數據中心所處地理位置信息，既能科學利用自然能源，又能規避地理位置所帶來的問題。

1.2.2 建筑空間信息

數據中心在城市中的位置、周邊建筑類型、交通配套以及其他建筑遮擋關系等都屬于建筑空間信息范圍。數據中心應具備充足的電力，采用水蒸發冷卻方式制冷的數據中心水源應充足，市政給排水、燃氣、通信等管道設施信息應明確，應遠離產生粉塵、油煙、有害氣體或貯存有腐蝕性、易燃易爆物品的場所。通過BIM技術將城市空間規劃信息統一起來，可將數據中心與城市結合起來，使數據中心更有效的為人服務。

1.2.3 氣象信息

數據中心需要全年不間斷制冷，而其所在城市四季變化以及日夜交替的過程中，環境空氣溫度、濕度、風速以及太陽輻射等氣象條件也在不斷變化。氣象信息的變化時刻影響著制冷系統的運行，BIM技術能根據氣象信息的變化有效控制數據中心制冷系統的運行策略，進而促進數據中心全年安全高效節能的運行。

1.2.4 空間幾何信息

建筑結構中定義尺寸、樓層高度以及建筑構件之間的關系往往涉及到建筑、結構、機電等相關專業的協調配合。將建筑空間幾何信息通過BIM平臺實時顯示，促進各專業之間多角度、全方位的協調，能使數據中心在設計、施工階段高效有序運作。

1.2.5 設備運行信息

數據中心暖通系統主要包括冷水機組、冷卻塔、末端空調、水泵、水處理裝置以及板式換熱器等，BIM平臺通過實時更新的室外運行條件和室內負荷狀況可全方位展示設備運行參數，以此達到實時控制數據中心全年不間斷安全運行。

1.2.6 材料及熱工信息

傳統二維作圖方式的圖紙中不包含建筑構件材料和熱工信息，這些信息需要在設計說明和設備表中體現。通過BIM技術將建筑材料、構件熱工參數、質量等級以及品牌產地等信息包含在BIM模型中，當需要建筑構件相應信息的時候，BIM模型可以快速、精準地顯現所需要的信息。

1.2.7 造價信息

傳統工程建設過程中，各專業圖紙和造價分開進行。各專業將圖紙完成之后，造價師再根據各專業設備材料確定清單單價、工程量、定額單價、合價以及取費依據等內容。而通過BIM平臺可將設備、材料、工程量等造價信息統一歸納到建筑信息庫中并實時更新，這樣在設計師設計過程中可直接得到設備材料造價信息，進而在設計階段就可以精確地控制成本。

1.2.8 進度管理信息

在數據中心建設過程中，BIM平臺可以精準把握工程進度信息，計劃開始、實際開始、計劃工期、實際工期、進度工程量以及結束時間等進度管理信息在數據中心建設過程的節點時間內實時展現，以提高建設管理水平。

2 數據中心暖通系統

傳統的數據中心是固態的，靈活性及擴展性不足。新時代的數據中心整合了標準化、最優化、虛擬化以及自動化等特點，涉及建筑、暖通、電氣、消防、網絡、智能化以及運營等各個專業，溝通繁雜，協調困難，這不僅是促進BIM技術加快進入數據中心項目的一個重要原因，也是推動建筑行業快速邁向信息化時代的關鍵環節。

數據中心暖通空調的特點在于大制冷量（IT設備發熱量較大，單位面積熱負荷較大，且需要全年制冷）、小焓差（避免降溫時還需除濕）以及大風量（焓差小，大制冷量決定了大風量的設計，有利于氣流組織分布）等。此外還需注意機房濕度也需要保持在一定的范圍內，避免電子元器件出現靜電或者出現冷凝水，除塵及凈化也有較高要求，避免灰塵積累影響設備性能。數據中心機房可靠性要求高，IT設備保持性能的不間斷運行需要空調系統不間斷可靠穩定運行來提供恒溫恒濕環境，此外需要對空調系統進行專業監控及維護。

大型數據中心投資和耗能巨大，其中暖通空調系統耗能占比較高，也是節能潛力最大的一部分[1]。這對于數據中心暖通設計要求越來越高，不但要為前沿技術發展提供合理的設計思路，還要進一步優化系統達到節能減排的目的。

目前，數據中心設計參照《數據中心設計規范》實施，規定機房專用空調和行間制冷空調宜采用出風溫度控制。機房一般采用區分冷熱通道的氣流組織方式，冷通道或熱通道可封閉，其送風溫度寬泛更易實現，可以在滿足要求的同時盡量降低能耗[2]。數據中心的發展之迅速和能源消耗之巨大引起了數據中心行業乃至國家和世界能源類相關組織和機構的高度重視，由中國電子學會發布的《中國綠色數據中心發展報告（2020）》指出，2019年全國數據中心按照標稱功率計算的理論年總用量約為1～1.2×1011kW·h，實際發生的年總用電量在6×1010kW·h左右，約為三峽水電站年發電量1.2×1011kW·h的一半。工業和信息化部、國家機關事務管理局、國家能源局近日聯合印發的《關于加強綠色數據中心建設的指導意見》中明確指出，加快綠色數據中心先進適用技術產品推廣應用，重點包括熱管背板、間接式蒸發冷卻、行級空調以及噴淋降溫等高效制冷系統。

數據中心規模大、設備密集，成本較高。因此，對于數據中心暖通系統，除了降低能耗，還存在避免安全事故、整合利用有效資源以及控制成本等各項挑戰。基于BIM技術，不僅能對機電等專業的管線布置進行深度優化、提高施工效率，而且能得到詳細的工程量清單、減少成本效益，還可以進行運營及監控模擬，排查安全隱患[3]。

3 BIM在數據中心暖通設計中的應用

3.1 方案階段

將數據中心機房BIM模型導入CFD軟件，利用軟件驗證數據中心設計方案，發現當前數據中心的布局方案、控制方案、冷卻方案及其他熱點問題，了解外部因素對柴發、室外機的影響。設定包括機架、高架地板、通風柵格、空調系統以及天花板回風等組件的模擬參數，模擬得到下送上回的送風方式下機房的溫度場、風速場、風壓場等結果，較好地支撐了相關冷熱通道的設計，對后期機房維護、設備節能有積極的促進作用[4]。

另外，通過氣象與運行工況信息的變化，BIM平臺通過對數據中心信息的可視化分析，使得在方案階段可以模擬出不同冷卻方式的全年能耗、建設時間以及造價等數據，通過經濟、技術以及施工難度等因素綜合對比選擇出最優的冷卻系統方式。數據中心不同冷卻方式如圖1所示。

圖1 數據中心不同冷卻方式

3.2 設計階段

3.2.1 可視化

現階段使用BIM技術輔助數據中心設計，一定程度上只達到了翻模的意義。在實際設計階段還是使用CAD進行，BIM將輔助進行管線綜合。數據中心管線綜合尤為復雜，存在大量的管線及部件的安裝，如風管、水管、氣滅、水噴淋、強弱電橋架以及燈具等。數據中心BIM建模過程及效果展示如圖2所示，不同專業之間的相應空間位置一目了然。BIM化的設計擺脫了二維CAD圖紙表達的局限性，平面圖紙難以反映出的通信機房布局、內裝及設備布置，通過Revit將設計內容整合到統一的3D可視模型中[5]。

3.2.2 信息共享

為滿足數據中心規模化建設的需求，建筑工業化的發展必須以標準化為前提，標準化模塊的建立是標準化設計的核心。在BIM的應用過程中，族的建立與發展是促進標準化單元的一個重要方式。隨著企業族、云族庫的不斷豐富與完善，常見構件都會擁有獨屬的虛擬族文件得以保存。而BIM強大的信息共享與協同工作能力可以促進標準化單元的擴充，從而進一步滿足數據中心快速建設的需求。

數據中心不同專業BIM族庫如圖3所示，在數據中心設計初期，就將數據中心所需的各專業族庫下載下來。設計過程中通過改變構件的模型信息而不改變其基本屬性，這樣建筑信息得到了高效應用的同時，也滿足了數據中心標準化的要求。

圖3 數據中心不同專業BIM族庫

3.2.3 全專業協調

在建筑結構BIM模型的基礎上進行設備建模，設計過程中在3D可視環境內精確定位管線位置，各專業間協作檢測解決碰撞沖突，真實反映管路連接，提高設計質量。及時發現可能存在的問題并在施工之前調整設計，這樣減少了設計圖紙自身錯誤或沖突導致的工程變更、現場簽證，在實際施工過程中發生的碰撞也可以在設計階段就進行優化避讓，提高了施工效率并減少返工。

此外，數據中心機房一般采用精密空調，具備風量大、換氣次數高以及室內氣流循環效果好等優勢，但其管路管徑較大，空間布局緊張。在滿足使用功能、路徑合理以及方便施工的原則上使用BIM技術，不僅可以使管線綜合更加合理、美觀、充分利用空間，而且可以精準定位管線穿墻及樓板的預留洞口，便于統計及指導現場實際施工。BIM平臺的管道碰撞檢測如圖4所示。

圖4 BIM平臺的管道碰撞檢測

4 結 論

在數據中心暖通設計中使用BIM技術，目前已在管線綜合、運維管理中發揮一定的作用。現階段BIM的發展還局限于人們掌握技術的程度及軟件的發展。大部分BIM技術的應用都基于CAD圖紙進行重新建模，雖然可對設計進行碰撞檢查、方案優化以及可視化交底，但當檢測出現問題時，仍然要通過各專業間溝通來進行再協調和優化。隨著BIM技術的發展，其更大的作用在于正向協同設計直接在三維環境中進行，圖紙與模型結合，模型數據信息一致完整，并可繼續向后傳遞。當改變了一處，平面立面剖面都即時改正，各專業都將同時收到改正的提示與最新模型。實現BIM正向協同設計，才能真正將BIM從設計階段擴展至建筑項目全生命周期，將創建的模型價值最大化，做到綜合效率的大幅提升。