應用BIM技術構建綠色數(shù)據(jù)中心

杜明強

（鐵塔能源有限公司遼寧分公司數(shù)字能源組，遼寧 沈陽 110167）

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）指通過計算機仿真技術來模擬建筑物所具有的真實信息，是對各類工程項目相關設計、規(guī)劃、方案信息的詳盡表達方式[1]。BIM是計算機仿真技術在建設工程領域中的最直接應用，用以解決建設工程項目信息在軟件中的具體描述問題，能夠使設計人員和施工技術人員對各種建設信息做出正確的反應和應對，并且為協(xié)同工作奠定堅實的基礎[2]。BIM同時也是一種應用于設計、施工、運維的數(shù)字化方法，這種方法支持建設工程的環(huán)境集成管理，在建設工程中應用可以提高整個工程建設效率并降低各類風險。通俗來說，BIM是帶有信息數(shù)據(jù)的三維建筑模型，其信息數(shù)據(jù)在設計、建造、管理以及運維等全生命周期內(nèi)均可發(fā)揮出巨大的作用，被認為是未來建設工程領域的主要發(fā)展方向[3]。信息數(shù)據(jù)的內(nèi)容可以是描述幾何形狀的視覺信息，還可以包含大量的非幾何形式信息，例如建設工程選材的重量、價格等。

1 BIM的應用領域及優(yōu)勢

1.1 應用領域

目前，BIM應用涉及建設行業(yè)的各個領域，如公路、水利、機場、市政工程以及工業(yè)化住宅的建設等。BIM技術的應用形式和方法主要包括建模培訓、建模升級等，同時部分BIM咨詢公司通過各種BIM軟件幫助用戶在項目中進行三維設計及瀏覽、碰撞試驗和檢測、管線及綜合布線、虛擬建造、設備安裝、算量造價以及出施工圖等應用。BIM的部分應用領域如圖1所示。

圖1 BIM的應用領域

1.2 應用優(yōu)勢

（1）可視化。通過構建模型三維立體實物圖形，實現(xiàn)項目設計、建設、運維等整個過程的可視化，方便各方進行更好的溝通、討論與決策。

（2）協(xié)調(diào)性。使用BIM綜合協(xié)調(diào)可以有效避免各實施專業(yè)間的信息不兼容現(xiàn)象，如管道、布線與建筑結構沖突，各個封閉空間出現(xiàn)冷熱不均、該預留的孔洞沒留或尺寸不對等情況，減少設計方案變更或重復返工的情況。

（3）模擬性。除了能實現(xiàn)3D畫面的模擬外，還可以對人員應急逃生及消防疏散等日常緊急情況的處置方式進行模擬和演練。

（4）優(yōu)化性。應用BIM系統(tǒng)及其配套的各種優(yōu)化工具在項目前期進行有效的優(yōu)化處理，利用模型提供的各種完善的信息來進行優(yōu)化。

（5）可出圖性。經(jīng)過建筑設計、碰撞檢查和設計修改最終形成綜合設計施工圖，可以直接生成綜合管線布線圖、綜合建筑結構留洞圖、碰撞檢查試驗報告以及建議修改改進方案等。BIM的全生命周期應用如圖2所示。

圖2 BIM的全生命周期應用

2 綠色數(shù)據(jù)中心建設需求分析

數(shù)據(jù)中心作為通信設備的存儲主體，主要涉及工藝、電源、空調(diào)、建筑、裝飾以及暖通等多專業(yè)建設工程，管網(wǎng)比較復雜，協(xié)調(diào)安排好各個專業(yè)的管網(wǎng)路徑是影響后期施工和運營的關鍵。根據(jù)現(xiàn)有的設計方法，多在二維平面圖中布置管網(wǎng)路徑和協(xié)調(diào)標高。通過專業(yè)的圖紙對比校正管網(wǎng)，這種人工校對的方法帶來了極大的工作量，難免會在施工中留下隱患[4]。

數(shù)據(jù)中心是一個能耗大戶，越來越多的運營商開始進行綠色可持續(xù)數(shù)據(jù)機房建設。綠色數(shù)據(jù)中心資源使用效率更高，對環(huán)境的影響較小。數(shù)據(jù)中心的電源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）值能效衡量是數(shù)據(jù)中心運營管理建設的一個重要指標，如何降低數(shù)據(jù)中心的PUE是綠色節(jié)能設計的關鍵。在現(xiàn)有的PUE值計算中，耗電的設備較多，很難做到精確計算。

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）通信機房前期投資較大，后期運營費用也比較高，合理優(yōu)化前期投資和后期運營投資的比例十分重要。在現(xiàn)有的設計優(yōu)化中，很難做到精確的投資估算。在數(shù)據(jù)中心的建設過程中，并沒用體現(xiàn)信息在建造設計中的應用，而是運用傳統(tǒng)的建造設計方法。建筑師按照規(guī)模和標準進行二維的平面布置，滿足基本功能后各個專業(yè)以建筑的二維平面為工作平臺對平面布置進行調(diào)整，平面確定后進行立面設計。各個專業(yè)圖紙信息相對獨立，缺乏信息互動性[5]。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心設計中，更多集中在二維平面的功能分區(qū)布局和建筑利用率上，對于節(jié)能措施的考慮也集中在各個專業(yè)說明中，缺乏實際的節(jié)能數(shù)據(jù)分析。在原有的前期設計中，各個專業(yè)的綠色節(jié)能措施多在說明中論述，用戶很難通過文字敘述進行直觀明確的判斷。在設計前期引入BIM綠色性能分析，根據(jù)建設規(guī)模和建設標準進行BIM初步信息管理，充分落實綠色節(jié)能措施。

充分利用本地的氣象信息數(shù)據(jù)，模擬該地的氣象模型，主要包括一年中的溫度變化、相對濕度變化、風速變化、風向變化、太陽高度變化、日照方向變化、光照強度變化以及云量變化等。建立關于機房的三維模型，確定機房的方位、朝向以及與周圍建筑物的關系。輸入機房建筑圍護結構參數(shù)，例如墻體散熱系數(shù)、玻璃透光率等。輸入暖通空調(diào)系統(tǒng)、新風系統(tǒng)的類型和機房運行參數(shù)，例如溫度、相對濕度、照度等[6]。計算機房的冷熱負荷及能耗PUE，通過調(diào)整方案優(yōu)化機房的整體能耗。BIM在數(shù)據(jù)中心的應用范圍如圖3所示。

圖3 BIM在數(shù)據(jù)中心的應用范圍

數(shù)據(jù)中心的IT設備對溫度范圍要求極為嚴苛，溫度過高會導致設備宕機甚至損壞。由于IT設備的發(fā)熱量極大，因此機房空調(diào)送風系統(tǒng)的設計非常重要，要確保有足夠的冷空氣進入IT設備，同時保證從設備排出的熱空氣可以被迅速排走，冷熱空氣隔離不發(fā)生混合，從而使IT設備得到充分的冷卻。通過BIM的數(shù)值化分析，可以準確模擬機房中空調(diào)的最佳使用方式。

3 BIM在數(shù)據(jù)中心各階段的作用

3.1 設計階段

BIM在設計階段用于機房空間三維形態(tài)的表達與復雜的數(shù)據(jù)共享，提供建設工程所需的全部信息，能夠?qū)㈨椖扛麟A段的主要參與方都集中在一起，實現(xiàn)機房空間三維形態(tài)的信息表達。建立虛擬建筑模型，提供機房建筑物精確的空間關系和信息數(shù)據(jù)[7]。根據(jù)3D虛擬模型自動生成和同步更新各種圖紙和文檔，自動協(xié)調(diào)關聯(lián)變更改動的信息，從而實現(xiàn)信息共享與同步協(xié)同。

此外，充分考慮BIM虛擬化、可視化的應用。在傳統(tǒng)的設計方法中，空間設計是在二維平面中深化而來，通過平面與剖面的對比確定空間的形式，這種方法全靠建筑師對空間的理解能力，并不能完全反映出真實空間感。而通過建立三維信息模型，完善建筑空間布局及立面的設計，可以真正地模擬空間感。通過三維可視化的運用，推敲空間細部處理、材料運用效果、結構形式選擇以及設備選型，提供了更好的溝通方法，有效提高設計質(zhì)量。

在傳統(tǒng)的通信機房管網(wǎng)綜合設計中，各個專業(yè)通常為管網(wǎng)路徑而困惑。而通過建立三維信息模型，可以利用碰撞模擬鑒別沖突，包括建筑、結構和暖通、電氣系統(tǒng)間的各類沖突。這類碰撞沖突的模擬方法又稱為碰撞試驗，各類沖突可以通過虛擬方式加以解決，避免在實際施工中遇到同類問題，同時還可以在三維信息模型的基礎上對管網(wǎng)綜合進行優(yōu)化，使管網(wǎng)最經(jīng)濟有效。

對于投資估算專業(yè)的應用，原有的設計方法是通過建筑平、立、剖面等二維信息結合廣聯(lián)達模型軟件進行建模，估算用量。而BIM軟件的核心價值在于其信息數(shù)據(jù)，通過建立三維信息模型，可以精確地輸出建筑材料和設備的采購清單，使造價估算更加精確，而且不用重復建模。建立三維信息模型可以進行動態(tài)模擬，提供更加直觀的科學數(shù)據(jù)和節(jié)能措施，以更高的效益推進項目完成。BIM在數(shù)據(jù)中心設計階段的具體作用如圖4所示。

圖4 BIM在數(shù)據(jù)中心設計階段的作用

3.2 分析階段

（1）結構分析。利用各類BIM工具對結構進行模擬分析，從而生成合理的各類施工圖。

（2）節(jié)能分析。分析并計算能耗，根據(jù)計算結果進行節(jié)能分析、經(jīng)濟分析。

（3）造價分析。結合零庫存的施工管理方式，根據(jù)限額領料施工，最大程度提高工作能效。

（4）工序分析。通過BIM模型和進度管理軟件的數(shù)據(jù)集成，實時監(jiān)督施工進度，實時調(diào)配現(xiàn)場人員和資源。

（5）可建設性分析。通過BIM模型進行安全環(huán)境、施工現(xiàn)場空間、施工對環(huán)境的影響等全面可建設性模擬分析，根據(jù)分析結果合理優(yōu)化方案。

（6）沖突碰撞試驗。通過BIM模型在建造前期對各施工專業(yè)的沖突碰撞問題進行模擬，解決各專業(yè)間的沖突。同時提供可整體化協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)施工過程中會審時間長、溝通效率低以及難以及時發(fā)現(xiàn)問題等一系列弊端。利用BIM進行沖突碰撞檢查如圖5所示。

圖5 利用BIM進行沖突碰撞檢查

3.3 施工階段

應用BIM整合現(xiàn)場，通過構建的虛擬建筑模型結合實際能夠完整地呈現(xiàn)和操控現(xiàn)場施工。

利用BIM建模結合3D施工圖指導施工現(xiàn)場，通過激光掃描、實時通信或互聯(lián)網(wǎng)等技術實現(xiàn)施工現(xiàn)場跟蹤管理，保證施工期間的安全生產(chǎn)。

3.4 營運階段

營運階段主要進行能耗、折舊、安全性預測，重點關注物業(yè)變化前的原始信息、建筑使用情況或性能、入住人員與容量、建筑已用時間、建筑財務信息、可出租面積、租賃收入以及部門成本分配的重要財務數(shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)中心項目機電安裝特點

4.1 技術要求高

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)處理、存儲、傳輸、交換以及綜合分析一體化的基礎設施，其對機電設備安裝調(diào)試的技術要求較高，在對機械和電氣裝置質(zhì)量的認可方面遠高于一般的工業(yè)廠房和民用建筑。機電設備安裝調(diào)試的技術水平持續(xù)提高需要積極引進新材料、新設備和新技術，同時各專業(yè)項目相關人員的知識水平、技術能力同樣也需要滿足數(shù)據(jù)中心項目機電設備安裝調(diào)試的要求。

4.2 覆蓋范圍廣

數(shù)據(jù)中心項目機電設備安裝調(diào)試涵蓋消防系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及弱電綜合布線系統(tǒng)等，涉及供回水管道、封閉線槽、梯形橋架、風管、母線以及金屬線管等配套設施，系統(tǒng)多且管道雜，工程量巨大。在機電安裝過程中，使用BIM建模可以提高后期設備運行檢修維護的便利性，覆蓋范圍廣。

5 BIM技術在數(shù)據(jù)中心建設項目中的應用

利用BIM三維模式可以推算所需的材料信息，并根據(jù)材料的類型、價值以及數(shù)量將實物和模型結構信息相互組合在一起，從而測算出本工程項目所需的材料成本。在一定程度上，不但能夠?qū)こ淘靸r進行合理管控，同時還可以提高工程項目的預算編制效益。除此之外，通過BIM技術的使用能夠?qū)こ淌┕みM度進行即時監(jiān)控，同時還可以對施工材料的價格和供應商數(shù)量進行實時更新調(diào)整，減少了物料浪費，降低材料管理問題對工程施工進度的影響。

在數(shù)據(jù)中心機房施工現(xiàn)場，由于現(xiàn)場情況相對比較復雜，如果在技術參數(shù)安全交底方面出現(xiàn)了錯誤，就需要重新梳理整個項目過程，不僅會花費較多的時間、物力與資金，而且也降低了BIM技術的準確性。在現(xiàn)場施工時，因此可以直接將BIM中的模塊導入到計算機上，再通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)比對BIM模擬的現(xiàn)場。結合施工現(xiàn)場的實際情況調(diào)整實施計劃，實時推動技術交底的高效實施。

基礎模型建立過程中，應先確定各模塊共同命名的原則，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的標準化交換，以便對得到的數(shù)據(jù)進行精確、完整的測量，對管道碰撞做出快速定位。此外，還應確定模塊建立時精確度較大的數(shù)據(jù)，推動機電系統(tǒng)工程綜合管道的設計實施。在模型參量精確度上，以模型建構的材料種類為例，通過將建筑材料的品種、材質(zhì)類型等參數(shù)加入到機械模型中，有助于對圖紙進行全面測量，從而減少建筑材料的計算錯誤。針對每個參量，應盡可能地加以精細劃分，從而更好地完成施工準備。

通過建模軟件構造機電各專用線路的結構模式，對各個專門的線路進行碰撞測試，從而得出詳盡的事故研究報告，反映線路的狀況并對線路布置做出優(yōu)化，分類整理不同事故狀況，對已經(jīng)解決的問題加以說明，提升碰撞事故的處理效果。

在管路優(yōu)化工作方面，并不能將事故檢查點作為對撞點加以調(diào)節(jié)，而應根據(jù)建筑對凈高的需求、機電排布、與管路碰撞的情況等調(diào)節(jié)管路布置方法。在調(diào)節(jié)管路的過程中，針對凈空高標準做出了提前制定，并按照用戶的實際需求調(diào)節(jié)管路，以避免管路發(fā)生下翻與移動。針對管線緊密布置的地區(qū)，如果發(fā)現(xiàn)管線走向相互交錯，極易發(fā)生管線相撞現(xiàn)象，此時要根據(jù)設計規(guī)格的有關規(guī)定進行整體上的碰撞調(diào)節(jié)，總體上堅持大管先行小管其后、有壓讓無壓、重力排水管路優(yōu)先的原則。如果發(fā)生重大事故，就必須對次要管線進行翻彎調(diào)整。

BIM技術具備一定的仿真能力，可以合理地模擬出施工過程中所能出現(xiàn)的所有情況，對于施工進度和工程質(zhì)量管理有著十分重要的意義。在工程開始前，設計總負責人必須承擔工程安全運行的職責，對所有人員的任務分配進行科學協(xié)調(diào)，登記并審核全部工作流程，以便后期對項目的反饋。將信息模擬與施工計劃融合在一起，安裝公司在布置機械設備前能夠精確控制布置計劃，為機械施工項目的順利完成提供重要保證。

6 結 論

通過BIM的應用，避免了設計前期、方案階段考慮不周導致施工圖深化和施工中出現(xiàn)的問題，有效地管理工程造價、施工進度。搭建BIM技術平臺，突破現(xiàn)有的傳統(tǒng)設計模式，將信息化深入到綠色數(shù)據(jù)中心的全生命周期建設中，全面把握設計前期、設計優(yōu)化、施工管理、運營管理等階段的信息技術，促進數(shù)據(jù)中心的長久發(fā)展。