基于BIM技術的IDC綠色建筑的應用

顏曉杰 王 玉

中郵通建設咨詢有限公司

0 引言

伴隨著經濟全球化的過程，能源成為每個地區發展的關鍵，綠色節能也上升為國家發展戰略，環境問題成為了全人類共同面對的挑戰。在能源危機中人們意識到，以過度消耗資源及犧牲環境換取短期經濟高速發展是不可行的，從而提出了“可持續發展”的發展理念。如今，對環境保護、清潔能源利用及碳排放限制已得到全球范圍內的重視。

據《中國建筑能耗研究報告》統計，建筑行業直接碳排放約占碳排放總量的20%，間接碳排放占比達到50%，空氣污染中約50%是由建筑相關產業造成，可見建筑行業對于能源消耗與環境污染所造成的影響。而IDC的能源消耗是普通建筑的數十倍，其耗電量占全社會用電量的1.5%。建筑作為IDC的載體，其規劃、設計與施工過程決定了IDC后續節能技術的選用以及改建能力。

IDC建筑結構復雜、設備眾多，設計要求高，僅靠設計師的主觀判斷與經驗很難高效無誤地完成前期設計，而整合了建筑信息的BIM技術，可以模擬建筑物理環境并進行相關分析，并針對設計方案進行合理修改。同時，BIM技術在IDC的運維階段也將發揮綠色管理的作用。接下來本文將從規劃設計、運維管理兩個階段來闡述BIM技術對于IDC綠色建筑的價值。

1 規劃設計

規劃設計階段中，會考慮各種自然因素對建筑所產生的影響。隨著BIM技術的發展，在對日照分析、通風模擬等方面有了新的解決途徑，從而合理利用自然資源來節約建筑能耗。

1.1 日照分析

日照是影響建筑朝向的一個重要氣候因素，充足的日照可以為建筑節約大量照明能源，但對IDC來說，日照也會帶來更多熱輻射，從而造成更多機房制冷能耗。以江蘇省為例，江蘇省屬于溫帶向亞熱帶過渡性氣候，夏季陽光充足，冬季日照時長遠低于夏季。故在夏季時，數據中心考慮到制冷需要，朝陽面需注意減少日照；而IDC運維辦公樓考慮到辦公舒適性，對于太陽輻射的需求也與機房樓棟不同，在冬季辦公樓棟則需要更多的太陽輻射來降低采暖能耗。

針對這種問題，可以通過BIM技術建立模型，導入ECOTECT軟件來模擬日照進行分析，輸入當地氣象數據，模擬氣候環境，輔助設計師確認建筑最優朝向。

如圖1所示，采光分析中黃色代表日照強度較高區域，藍色代表日照強度低區域，設計師根據模擬結果，對建筑保溫設計進行優化，在建筑東西兩側不設置窗戶，通過外墻保溫來隔絕熱輻射，并合理設置遮陽棚保障建筑外通道的使用舒適性。

圖1 江蘇省某數據中心輔助樓BIM模型進行自然采光模擬分析

1.2 通風分析

合理的通風規劃可以大量減少建筑的制冷耗能，最著名的設計就是蘋果總部園區，其引入了“Breathing Building”理念調節建筑室內通風，配合水流循環做到了每年九個月無需使用空調。

對于國內氣候環境而言，風不僅影響著建筑能耗，也對室內風環境的舒適度起到決定性作用。要形成穿越式通風，除了風速，建筑界面形狀與風向夾角也必須關注。風吹向建筑表面會形成一片渦流區，渦流區中風向不穩定，其產生的風壓很難起到通風效果，同時也會影響周邊建筑的風速，造成通風間距變大，增加建筑能耗及投資成本。

數據中心園區有機房樓、變電站、數據集成樓等，布局大多為矩陣式或環形建筑群，建筑的排布對于風形成渦流區有了更為復雜的影響，風投射角與建筑間角度及建筑高矮都會產生不同的風環境。

針對上述情況，BIM技術可通過建筑模型，利用CFD流體分析軟件Fluent進行風環境模擬。本文在對江蘇省某數據中心園區進行風環境模擬時，發現除了渦流區，建筑物的高度、寬度、進深對風環境也會產生不同的影響。其中建筑高度與對風速的影響成反比，建筑寬度與渦流區的大小成正比，建筑物的進深對渦流區大小影響較小，但與風速成反比。所以在數據中心園區的設計中往往采用建筑群包圍式設計或矩陣式設計，建筑物高度一致或高低有序，預留合適的風環境通道，利用BIM模型的CFD風環境模擬分析，從可視化的角度來進行合理應用風環境，從而來達到經濟綠色的建筑朝向及排布。

1.3 蘇州某數據中心為例

在實際工作中，往往會結合日照分析與風速圖結果對項目總體布局進行優化，這里以江蘇省某數據園區為例進行分析。該數據中心數據機房樓共三棟，高度約為40m，總體布局方式采用常見的圍合式。通過日軌圖遮擋分析（見圖2）可以得出，南側兩棟數據機房樓之間光照強度在宜居范圍內，靠南側紅線內適合建造辦公用房，辦公用房的東立面與西立面熱輻射被兩側數據機房樓遮擋，南北方向無遮擋滿足使用采光要求。

圖2 日軌圖遮擋分析

通過分析可以看出，樓棟間通道風效應較為明顯（見圖3），建筑間距可以適當加大，但受到建筑紅線影響，加大樓間距對改善風環境效果不明顯。園區東北角設計為柴油發電機組鋼平臺，根據氣象部門所公示的當地風頻圖，可知此空曠場地受東北風影響較大，可以在場地周邊種植樹冠茂密的喬木來對氣流進行疏導。

圖3 IDC園區風環境模擬

辦公區域應設計為風環境較為舒適的區域，前面日照分析時提到在南側兩棟數據機房樓中間設立辦公用房，但此處為南北朝向貫穿風通道，如全部遮擋會造成建筑群南立面常年受到南北朝向風流吹打，對辦公樓幕墻系統產生破壞，且東南角處柴油發電機組鋼平臺處因風流引向建筑群東西側也易產生渦流區，不利于該區域設備散發熱量。因此，在辦公樓一層可以設計一定的風通道作為人行或車行通道，滿足風環境的要求。

綜上所述，該數據中心園區布局緊湊，風環境欠佳。通過優化策略的調整后，呈現如圖4所示的規劃布局，數據園區的風環境得到了一定的改善。針對辦公區域的設定，以及園區東北角柴發平臺易產生渦流區的問題，這些改進都是行之有效的。

圖4 數據中心辦公樓規劃

IDC園區的建筑規劃布局，主要分析日照與通風等因素。在規劃階段的影響因素較少，對BIM模型要求的精度不高，大大減少了工作量，將規劃方案的討論從傳統的經驗與簡圖模式變為了利用計算機來模擬計算論證，讓建筑師能夠更好地實現建筑節能設計。

2 運維管理

傳統的運行維護管理往往難以對復雜的IDC進行合理有效的管控，需要浪費大量的人力物力。將BIM技術應用在IDC的運維管理工作中有利于實現信息的整合、共享與傳遞，能夠加強園區運維信息的綜合管理，有效提升運維管理水平與服務質量。

2.1 核心功能

對于BIM運維管理來說最基本的就是三維可視化漫游，可以直觀便捷地查看建筑物或設施的相關資料信息，同時通過傳感器也可以動態地獲取設備的狀態（見圖5）。在IDC的園區管理中，設施空間的管理可以利用BIM技術建立數字化空間來預覽空間布局效果，發現可能存在不合理的布局在設備安裝前提前修正。在安全管理中引入了BIM技術的運維管理可以與視頻監控、消防報警等設備的數據接口連接，從而實時獲取相關數據進行統計分析。監控設備將數據接入BIM運維系統后，改變了傳統的監控視頻展示方式，與GIS技術結合將監控信息直觀地展示在三維模型上，可以看到實時畫面的位置，觀測園區中發生的各種情況。在發生各類災害時，BIM運維系統可以根據設備反饋的數據進行分析，在三維模型中模擬最優的逃生路線協助管理人員進行疏散。

圖5 某BIM運維系統監控管理

BIM運維管理最核心的地方是可以對園區的各類資源進行整合、調度、評估、分析，為園區提供優化升級的基礎數據，促進園區的可持續性發展。

2.2 能耗管理

IDC項目設備種類繁多，系統集成度高，管線布置復雜，這些都對運維管理提出了更高的要求。面對繁雜的系統，運維管理人員很難做出最優的運維決策。現在，可以通過BIM技術的輔助，對IDC進行三維管控，從而降低運維決策成本，達到綠色節能的目標。

通過BIM技術可以將IDC機房三維可視化，這給運維工作帶來了全新的管理模式。BIM模型也可以集成設備的相關資料，例如設備位置、參數、安全使用年限、安全責任人等。同時針對樓宇中可以三維劃分區域，針對溫度、噪音等進行監控，并與設備控制系統聯動，達到更為智能化的自控系統，降低設備運行管理風險的同時，使設備在最優功耗比的情況下運行。對于BIM運維的能耗管理，主要分為PUE、電力管理、空調管理三個方面分析。

PUE即數據中心總能耗/IT設備能耗，PUE值越接近于1即表示一個數據中心綠色化程度越高，BIM技術通過數據集成管理可以實時統計數據中心PUE值。現有設備通過自帶或后加裝傳感器來獲取數據，傳輸到BIM運維管理系統中并與BIM模型對應，對設備的能耗、噪音、安全等情況進行分析統計，標記能耗異常部位，對管理人員進行提示，供數據中心升級參考。

電力管理中，整合設備的額定功率、實時電流以及額定容量進行圖表化展示，并精確到每組機柜計算使用與空閑占比。這也為空調管理提供了數據基礎，根據每片區域能耗精確控制空調運轉情況，減少不必要的空調能耗。

空調管理中，BIM運維系統可以將設備能耗可視化顯示，將預估的設備運行能耗數據錄入到運維管理系統數據庫中后，一定周期進行能耗數據統計并與預估值進行比對評估，對能耗超支的設備在BIM模型中使用紅色標記，能耗正常的設備使用綠色標記（見圖6），并將其能耗數據打包導出提出預警信息，供管理人員進行分析討論。

圖6 能耗正常的離心式冷水機組

綠色數據中心運維在傳統節約成本的基礎上，更重要的是節約能耗。傳統運維需要企業面對人才進行長周期的培養與可能出現的人才流失情況帶來的壓力，BIM技術是的運維管理可視化有效降低了運維管理的門檻。同時，IDC中設備類型與數量繁多，傳統的運維管理在能耗統計和監測上往往很難做到實時管理，這使得設備的能耗管理存在滯后性，難以達到綠色節能的目的。結合BIM運維管理系統可以很好地整合以及智能化的實時監測各區域能耗情況，并及時地對異常區域進行預警，提升管理效率。

3 結束語

在當今倡導綠色建筑的背景下，建筑全生命周期的節能設計、建造與管理越來越被重視。本文思考利用BIM技術輔助，在IDC園區的規劃設計與運維階段的應用可行性。探討BIM技術與綠色建筑結合的方法與應用角度，為綠色建筑的規劃設計與運維管理中提供有力的支持。雖然本文所提到的相關技術與方法在實際應用中還不為成熟，但在國家大力推管BIM技術創新應用的前提下，BIM技術的多專業協調性、信息集成化、直觀化的優點一定會在未來綠色IDC建筑全生命周期帶來巨大的影響，以更好地推動我國綠色IDC的健康發展。