基于Revit 的暖通BIM 設計流程探討

張新記

華東建筑設計研究院有限公司

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）概念的提出已經(jīng)有幾十年的歷史，從第一款BIM設計軟件誕生、利用BIM 軟件進行設計也已經(jīng)有二三十年的時間。目前國家和地方都在鼓勵BIM 技術在建設各階段的應用，相關的實施細則和應用指南相繼發(fā)布。然而，目前BIM 技術在設計階段的應用大多還停留在“建?！被颉胺！钡膶用?，即“計算機輔助繪圖”，并未充分利用模型信息，實現(xiàn)“計算機輔助設計”。文章以Revit 為基礎，根據(jù)對軟件設計思想、計算內(nèi)核的理解，總結可利用軟件實現(xiàn)“計算機輔助設計”的流程，并對Revit 的內(nèi)核計算方法及其與國內(nèi)規(guī)范的差異、處理措施進行分析。同時，結合Revit 軟件的編程插件DYNAMO，給出利用DYNAMO 插件進行輔助系統(tǒng)流程設計、實現(xiàn)設計“自動化”的流程與案例，供廣大設計人員參考借鑒。

1 項目設置

BIM 設計理念、流程與CAD 設計有較大差異，同時，BIM 設計的模型包含準確但相當繁雜的數(shù)據(jù)信息。設計模型的準確性、后期數(shù)據(jù)處理的便利性，與項目的設置有很大關系。

1.1 項目協(xié)同

BIM 協(xié)同設計的理念與CAD 相似，有部分概念和思路可以借鑒參考，暖通專業(yè)一般都需要建筑等其他專業(yè)的圖紙作為參照，但BIM 設計需要的其他專業(yè)的信息更為全面。CAD 設計所參照的只是幾何形體，便于本專業(yè)的繪圖表達。BIM 參照的除幾何形體外，還有大量的信息，如房間面積、體積、圍護結構的厚度及熱工參數(shù)等，這些信息可以用于本專業(yè)的設計分析，以提高設計計算的準確度，加快設計流程的進度。需要注意的是，在Revit 中鏈接建筑專業(yè)的文件時，需要在設置中勾選“房間邊界”選項，以便在設計分析中放置空間作為計算的邊界。

1.2 項目參數(shù)設定（位置、朝向等）

項目設置中與空調系統(tǒng)設計計算相關的主要是位置和建筑的朝向。Revit 中氣象參數(shù)（空調設計中的室外空氣計算參數(shù)）是依據(jù)地理位置讀取就近氣象站的氣象參數(shù)，并且使用ASHRAE 的統(tǒng)計方法處理后作為負荷計算的參數(shù)。項目的朝向決定計算房間的圍護結構朝向，對負荷計算影響很大，可根據(jù)項目情況正確設置。

1.3 圍護結構參數(shù)設定

因Revit 模型中已經(jīng)包含了完整的建筑圍護結構的幾何信息（如房間面積、外墻、外窗等），與負荷計算有關的參數(shù)主要是圍護結構的傳熱系數(shù)、熱惰性等熱工參數(shù)。通過鏈接方式進行項目協(xié)調工作時，鏈接模型的圍護結構傳熱系數(shù)等信息并不會帶入設計模型，而在機電模型中直接建模時，其信息則可直接利用。需要注意的是Revit 中無法直接設定某種圍護結構的熱工參數(shù)，只能從Revit 的構造類型中選擇相應的圍護結構材料，無法直接修改其數(shù)值，可以間接通過修改安裝目錄下的Constructions.xml 文件中對應構造的U 值。

2 負荷計算流程及問題討論

與現(xiàn)有負荷計算流程類似，在Revit 中進行負荷計算也需要輸入房間面積、圍護結構、內(nèi)擾等數(shù)據(jù)，但Revit 的建筑模型已包含了比較全面的數(shù)據(jù)信息，只需要分步引用后者數(shù)據(jù)即可。

2.1 放置空間

放置空間的目的是為了對建筑模型的房間進行標記，每個空間存儲著系統(tǒng)計算相關的面積、體積、圍護信息、使用情況等參數(shù)，同時計算的結果也會寫入空間信息的相關字段。Revit 中放置空間可以批量自動放置，也可以提取建筑模型的房間名稱和編號作為空間的名稱和編號，但為方便后期讀圖和識別，建議對放置的空間編號和名稱按一定規(guī)則的進行命名。Revit中空間與房間是兩個不同的概念，房間是基于圖元（例如，墻、樓板、屋頂和天花板）對建筑模型中的空間進行細分?？臻g是機電設計的概念，存儲系統(tǒng)計算的相關數(shù)據(jù)。

2.2 劃分系統(tǒng)分區(qū)

在實際設計中，可以根據(jù)實際的空調系統(tǒng)負擔區(qū)域進行分區(qū)劃分。也可僅為室內(nèi)參數(shù)設定、送風量計算，把相同溫濕度控制要求的空間劃分為同一分區(qū)。Revit 的空調送風量計算以分區(qū)為單位進行，在分區(qū)中可以設定室內(nèi)狀態(tài)點、送風狀態(tài)點、新風量的計算方法等信息，Revit 依據(jù)上述信息，結合負荷計算結果，即可實現(xiàn)分區(qū)的送風量計算。

2.3 設定室內(nèi)使用功能、內(nèi)擾及時間表

系統(tǒng)分區(qū)劃分后，在分區(qū)屬性中即可對每個分區(qū)的室內(nèi)設計狀態(tài)點、濕度控制要求、新風量計算方法進行設定。每個房間的使用功能、內(nèi)擾、人員等信息均在空間屬性中進行設定，可以根據(jù)項目實際需求，對每種使用功能的房間進行設置后應用于對應房間?？稍O定的內(nèi)容包括：人均占用面積及人員時間表、照明功率密度及照明時間表、設備功率密度及設備時間表、新風量計算方法等，其新風量計算按ASHRAE 推薦的方法，可分別設定人員的新風量、單位面積的新風量及按換氣次數(shù)計算新風量，可根據(jù)實際需求設定。

2.4 生成負荷計算報告

設置好項目的圍護結構信息、地理位置和氣象參數(shù)信息、房間的使用功能及室內(nèi)設計狀態(tài)點等參數(shù)后，即可利用Revit 執(zhí)行負荷計算。值得注意的是Revit 的負荷計算結果中已包含房間的送風量數(shù)據(jù)，如果房間的室內(nèi)設計溫度、相對濕度、送風溫度設定不合適，會在焓濕圖分析中出現(xiàn)錯誤提示，需要對相關參數(shù)進行調整。同時，Revit 中也允許不設定濕度控制，濕度參數(shù)作為“浮動變量”根據(jù)最小再熱或沒有再熱的原則由焓濕計算確定，此種方法與實際設計過程較為一致，但實際設計中一般不設再熱。

2.5 負荷計算方法討論

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB50736－2012）第7.2.4 條，“空調區(qū)的下列各項得熱量，應按非穩(wěn)態(tài)方法計算其形成的夏季冷負荷，不應將其逐時值直接作為各對應時刻的逐時冷負荷值：①通過圍護結構傳人的非穩(wěn)態(tài)傳熱量；②通過透明圍護結構進人的太陽輻射熱量；③人體散熱量；④非全天使用的設備、照明燈具散熱量等?！盵1]目前，國內(nèi)常用的負荷計算方法為諧波法和冷負荷系數(shù)法（傳遞函數(shù)法）。對新風負荷、冬季空調熱負荷采用穩(wěn)態(tài)計算方法?！豆I(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB50019-2015）附錄中也只給出了夏季空氣調節(jié)室外逐時計算焓值[2]。設計中常用的負荷計算軟件，如鴻業(yè)負荷計算軟件可選諧波法或RTS 法（輻射時間序列法）計算。華電源空調負荷計算軟件采用諧波法，其新風、空調熱負荷可選擇非穩(wěn)態(tài)算法，但非穩(wěn)態(tài)算法的氣象參數(shù)取值目前沒有規(guī)范依據(jù)。Revit 的負荷計算采用RTS 法，是ASHRAE 推薦的非穩(wěn)態(tài)空調負荷計算方法（熱平衡法的簡化），計算原理滿足目前規(guī)范要求的非穩(wěn)態(tài)算法。

Revit 負荷計算所采用的氣象參數(shù)是根據(jù)ASHRAE 氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法得出的（ASHRAE 給出的氣象參數(shù)包含不保證率0.4%、1%等工況，Revit 均采用不保證1%的氣象參數(shù)），其數(shù)據(jù)來源和統(tǒng)計方法與現(xiàn)有規(guī)范存在較大差異，且其在Revit 中也僅可以修改制冷設計干球溫度，制冷設計濕球溫度，制冷設計平均日較差以及制熱設計溫度，晴朗數(shù)幾個參數(shù)，不能滿足國內(nèi)設計計算的需求。另外的差異在于設計流程，國內(nèi)常規(guī)的設計流程是負荷計算獨立進行，與空調箱的選型、室內(nèi)實際的狀態(tài)點無關。Revit 負荷計算把焓濕計算與負荷計算耦合進行，室內(nèi)的濕度可以選擇是“浮動的”或者是控制值，控制濕度值會有再熱負荷。

2.6 Revit 與第三方負荷計算軟件的交互

Revit 也開放了與第三方負荷計算軟件的交互，可以選擇將模型導出為gbXML（綠色建筑擴展可標志語言）格式的文件，通過第三方負荷計算軟件（如鴻業(yè)、華電源負荷計算軟件）打開，修改相應的圍護結構參數(shù)、氣象參數(shù)、室內(nèi)參數(shù)等，按規(guī)范要求的負荷計算方法、氣象參數(shù)進行負荷計算，將結果導入Revit 繼續(xù)下一步的設計流程。

在Revit 可以導入其他負荷計算軟件導出的gbXML 文件，將其結果作為Revit 下一步設計的依據(jù)，但目前國內(nèi)主流負荷計算軟件尚不具備導出gbXML 的功能，故通過gbXML 進行負荷計算結果的交互目前并不順暢，通過將負荷計算整理為Excel 文件導入的方法在5.1 節(jié)詳述。

3 風系統(tǒng)的設計流程

3.1 空間送風量及風口布置

在執(zhí)行負荷計算后，Revit 負荷計算報表中已有每個分區(qū)的負荷、送風量，可以根據(jù)分區(qū)或房間的送風量、氣流組織需要，選擇符合需求的送風口類型并布置送風口、設定送風口的風量?；兀ㄅ牛╋L口及回（排）風口的風量。需要注意的是，設定的風口風量是作為實際風量，影響系統(tǒng)風量、水力計算等后續(xù)設計計算。

3.2 風系統(tǒng)設置

風系統(tǒng)的設置包括：風系統(tǒng)的類型、風管類型與布管方式、水力計算參數(shù)的設置等。

Revit 中風系統(tǒng)屬于系統(tǒng)族，只有送風、回風、排風三種類型（與送風、回風、排風三種系統(tǒng)分類相對應），每種類型與其圖面表達方式、連接方式和水力計算相關。可以根據(jù)項目的實際需求，將項目中的所有風系統(tǒng)類型依照Revit 的系統(tǒng)進行歸類，復制并按實際需求修改，創(chuàng)建符合設計需要的系統(tǒng)類型。

Revit 中有矩形風管、圓形風管、橢圓形風管三種風管族，每種風管族有若干中風管類型，可以根據(jù)需要新建或修改已有風管類型，在風管類型中可以設置風管的粗糙度、彎頭及三通等風管配件的形式。軟件中包含默認的風管尺寸規(guī)格，但其尺寸規(guī)格與國內(nèi)常用的風管規(guī)格并不一致，需根據(jù)項目需求修改、添加符合要求的規(guī)格。另外，與水力計算相關的空氣密度、動力粘滯系數(shù)與國內(nèi)各種手冊的數(shù)值基本一致，一般可不用修改，有特殊需要的項目可按需修改。

3.3 劃分系統(tǒng)及生成風管方案

根據(jù)設計需求，把同一風系統(tǒng)的風口、設備創(chuàng)建為一個邏輯系統(tǒng)，Revit 根據(jù)系統(tǒng)分類及對應的風管類型設置，可自動生成風管系統(tǒng)的布局，并且提供不同的布局方案、修改布局方案的選項。創(chuàng)建系統(tǒng)時，等于為項目中相關圖元創(chuàng)建了邏輯關系，例如，送風系統(tǒng)可能包含風管、管件、散流器和送風設備。

3.4 風系統(tǒng)檢查、水力計算、水力計算方法討論

風系統(tǒng)創(chuàng)建完成后，可以執(zhí)行風系統(tǒng)檢查，以便了解空氣流量，流向等信息以及系統(tǒng)連接是否正確?？梢愿鶕?jù)規(guī)則對創(chuàng)建的風系統(tǒng)管道大小進行調整：包括限定比摩阻、限定流速、等比摩阻、靜壓復得，并且還可限定風管尺寸等，完全可以滿足設計需求。系統(tǒng)調整完成后，可生成系統(tǒng)的水力計算報告，報告中會有詳細的計算取值、最不利環(huán)路等信息。

圖1 某項目風系統(tǒng)水力計算結果示例

Revit 風系統(tǒng)阻力計算方法：

風管阻力的計算方法為Darcy-Weisbach（達西－魏斯巴赫）公式，《實用供熱空調設計手冊》（第二版）給出的比摩阻計算公式為Colebrook（柯列勃洛克）公式[3]，因其為隱式方程，計算過程復雜，常規(guī)的計算方法是查表。Revit 關于風管比摩阻的計算可以選擇Colebrook（柯列勃洛克，ASHRAE 手冊推薦計算方法）公式、Altshul-Tsal 公式（ASHRAE 手冊推薦計算方法，不需要迭代計算）、Haaland（哈蘭德，CIBSE 手冊推薦計算方法，不需要迭代計算）公式三種計算方法。

設計中風管局部阻力的計算，一般按手冊推薦的局部阻力系數(shù)或壓力損失的數(shù)值計算。Revit 中對局部阻力的計算分幾種情況：對于風口末端，可以指定其阻力損失（全壓）或局部阻力系數(shù)。對于風閥等風管附件、彎頭等風管配件（只有進出兩個接口的管件），可以指定阻力、指定阻力系數(shù)、或按ASHRAE 手冊表中的系數(shù)。對于三通、四通等管件，則只能指定其局部阻力系數(shù)按按ASHRAE 手冊表中的系數(shù)。根據(jù)對比《實用供熱空調設計手冊》（第二版）11.3.2 節(jié)數(shù)據(jù)[3]與《2017 ASHRAE handbook fundamentals》附表[4]數(shù)據(jù)，二者基本一致。故，風系統(tǒng)水力計算方法、準確度完全可滿足設計需求。

系統(tǒng)風量的計算方法：Revit 族的定義中，流量設定的一般方法為，層級在上的父設備，應設為按計算，流量按下游設備流量累加計算，如風機、空調箱、VAV BOX 的送風。層級在下的子設備，應設為按預設，其流量作為父設備流量計算的來源，如風口、VAV BOX 的進風。按系統(tǒng)與流量分配系數(shù)配合使用，如多臺空調箱為同一區(qū)域送風，多臺空調箱的出風口連接器可設為按系統(tǒng)，結合流量分配系數(shù)一起使用。

4 水系統(tǒng)的設計流程

4.1 水系統(tǒng)設置

水系統(tǒng)的設置同風系統(tǒng)類似，包括：管道系統(tǒng)的類型、管道類型與布管方式、水力計算參數(shù)的設置等。

Revit 中管道系統(tǒng)屬于系統(tǒng)族，只有循環(huán)供水、循環(huán)回水、排水等類型（與循環(huán)供水、循環(huán)回水、排水等系統(tǒng)分類相對應），每種類型與其圖面表達方式、連接方式和水力計算相關?？梢愿鶕?jù)項目的實際需求，復制已有管道系統(tǒng)并按實際需求修改，創(chuàng)建符合設計需要的系統(tǒng)類型。

在管道類型中可以根據(jù)項目實際管材設置管道的規(guī)格（公稱直徑、內(nèi)徑、外徑）、管道的粗糙度、彎頭及三通管件的形式。軟件中包含默認的管材規(guī)格，與國內(nèi)常用的管材規(guī)格并不一致，需根據(jù)項目需求修改、添加符合要求的規(guī)格。另外，與水力計算相關的不同水溫對應的密度、動力粘滯系數(shù)與國內(nèi)各種手冊的數(shù)值基本一致，一般可不用修改?？筛鶕?jù)需要添加其他液體（如乙二醇等）的參數(shù)。

4.2 水系統(tǒng)劃分及生成水管方案

根據(jù)設計需求，把同一水系統(tǒng)的末端（風機盤管、空調箱）、設備創(chuàng)建為一個邏輯系統(tǒng)，Revit 根據(jù)系統(tǒng)分類及對應的管道類型設置，可自動生成管道系統(tǒng)的布局，并且提供不同的布局方案、修改布局方案的選項。在Revit 中，可以不必把所有末端設備均與管道系統(tǒng)實際連接，允許在末端和管道系統(tǒng)之間建立分析連接，以便繼續(xù)水力計算或管網(wǎng)分析；也可以把復雜水系統(tǒng)如二級泵系統(tǒng)等按回路進行進行拆分，分別進行系統(tǒng)分析。

4.3 水系統(tǒng)檢查、水力計算、水力計算方法討論

水系統(tǒng)創(chuàng)建完成后，可以執(zhí)行管道系統(tǒng)檢查，以便了解水流量，流向等信息以及系統(tǒng)連接是否正確。可以根據(jù)規(guī)則對創(chuàng)建的水系統(tǒng)管道大小進行調整：包括限定比摩阻、限定流速，并且還可限定管道尺寸等，完全可以滿足設計需求。系統(tǒng)調整完成后，可生成系統(tǒng)的水力計算報告，報告中會有詳細的計算取值、最不利環(huán)路等信息。

Revit 水系統(tǒng)阻力計算方法：

管道阻力的計算方法為Darcy-Weisbach（達西－魏斯巴赫）公式，《實用供熱空調設計手冊》（第二版）給出的比摩阻計算公式為Colebrook（柯列勃洛克）公式，因其為隱式方程，計算過程復雜，常規(guī)的計算方法是查表。Revit 關于管道比摩阻的計算可以選擇Colebrook（柯列勃洛克，ASHRAE 手冊推薦計算方法）公式、Haaland（哈蘭德，CIBSE 手冊推薦計算方法，不需要迭代計算）公式兩種計算方法。但循環(huán)管網(wǎng)的水力分析只能用Colebrook 公式。

設計中管道局部阻力的計算，一般按手冊推薦的局部阻力系數(shù)或壓力損失的數(shù)值計算。Revit 中對局部阻力的計算分幾種情況：對于末端設備（風機盤管、空調箱、冷機等），可以指定其阻力損失或局部阻力系數(shù)。對于閥門等管道附件、彎頭變徑等管道配件（只有進出兩個接口的管件），可以指定阻力、指定阻力系數(shù)、按表中的系數(shù)（此處的表為ASHRAE/CIBSE/Crane 手冊的附表）、或使用有關類型的定義。對于三通、四通等管件，則只能指定其局部阻力系數(shù)為按表中的系數(shù)、或使用有關類型的定義。根據(jù)對比《實用供熱空調設計手冊》（第二版）26.5.2 節(jié)數(shù)據(jù)[3]與《2017 ASHRAE handbook fundamentals》附表[4]數(shù)據(jù)，ASHRAE 附表的K 值偏小。在參考文獻[5]中給出了詳細的局部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，實際設計中可根據(jù)項目實際情況定義相關類型的阻力系數(shù)。

系統(tǒng)流量的計算方法：參照風系統(tǒng)流量定義方法，相關原理及思路基本一致。對于多臺水泵并聯(lián)的情況，可以定義為泵組，指定每臺泵的流量系數(shù)。

5 Dynamo 輔助系統(tǒng)流程設計

Revit 作為一個功能強大的平臺，不僅開放了開發(fā)接口，同時從Revit 2016 版本開始支持可視化編程語言Dynamo，大大降低的工程設計人員通過編程解決實際問題的難度，可以根據(jù)實際設計流程和需要，編制相應的程序，使Revit 更好的為設計流程服務。

5.1 第三方負荷計算與Revit 模型數(shù)據(jù)的交互

因目前尚未有適合國內(nèi)設計流程的負荷計算軟件可通過gbXML 文件與Revit 模型直接進行數(shù)據(jù)交互（Revit 模型導出gbXML 文件-導入第三方負荷計算軟件-計算結果導入Revit 模型），可通Excel 與Revit 數(shù)據(jù)交互間接實現(xiàn)。把Revit 導出的gbXML 導入第三方負荷計算軟件，修改相關的圍護結構參數(shù)（需要對導入的圍護結構進行檢查，因其會存在識別錯誤、劃分為大量小塊面片等情況）、氣象參數(shù)、室內(nèi)狀態(tài)、內(nèi)部人員照明等數(shù)據(jù)，然后把負荷計算結果導出為Excel 文件，通過Dynamo 讀取Excel 負荷數(shù)據(jù)、寫入對應空間的負荷字段。也可以通過此方法直接把房間的計算風量寫入。

5.2 規(guī)范一致性檢查

在設計中，設計成果的合規(guī)性檢查一直困擾著從業(yè)人員，但在以Revi 為代表的BIM 設計流程中，這個問題可能會有相對較好的解決方法。如一般的防火閥設置問題，現(xiàn)有二維設計中添加繁瑣、無法自動核查，通過Dynamo 編程，識別風管類型和墻體類型，實現(xiàn)防火閥的自動添加和核查。另外，排煙量的計算與核查等均可通過Dynamo 編程實現(xiàn)或輔助。

圖2 利用Dynamo 節(jié)點實現(xiàn)自動添加防火閥示例

5.3 其他批量處理功能

在現(xiàn)有設計中，有很多繁瑣、重復性的工作，在BIM 設計流程中都可通過Dynamo、編程實現(xiàn)批量化處理，極大降低工作強度。相關應用包括對風管、水管系統(tǒng)自動添加標注、自動生成穿墻套管或留洞、對風水系統(tǒng)自動添加符合規(guī)范的保溫層、不同耐火極限風管識別處理、圖紙批量生成與導出等。

6 結語

文章以Revit 為例針對暖通專業(yè)BIM 設計過程中，從項目設置、負荷計算、風系統(tǒng)設計及水力、水系統(tǒng)設計及水力計算、Revit 軟件計算方法與國內(nèi)設計規(guī)范和手冊的差異等方面進行闡述，并對設計過程中需要的數(shù)據(jù)交互、批處理等方面，結合Revit 的二次開發(fā)工具Dynamo 進行示例性說明，相關的思路可供相關專業(yè)人員參考。