Информационные модели зданий в проектировании систем ОВК

D. Knight, S. Roth, S.L. Rosen, члены ASHRAE, otvet@abok.ru

Применение информационной модели здания с самого начала проекта позволяет инженерам и проектировщикам быстрее принимать лучшие решения. Трехмерная графика зданий и систем в BIM строится на основе данных, которые легко корректировать по ходу проекта. Большинство программ типа BIM² связывает интеллектуальные объекты³, таким образом, при внесении изменений в один объект параметрические изменения будут вноситься во все связанные с ним объекты. К примеру, при изменении параметров расхода воздуха или при замене диффузора автоматически поменяется воздуховод, диффузор и соединительные элементы.

В основе BIM лежит набор данных, схожий с электронными таблицами. Для описания всего здания в виде таблицы следует начать с отдельной комнаты. В одном столбце указывается название или номер помещения; в других – параметры помещения (длина, ширина, высота, используемые строительные материалы и элементы). Для описания отдельного помещения в таблице следует указать его ориентацию и прочие данные по граничным элементам (стенам, крыше и полу) соседних помещений. Для граничных элементов необходимо задать полные данные, чтобы при регулировании температурного комфорта программа анализа систем ОВК рассматривала помещение как отдельную зону.

Для повышения эффективности таблиц можно добавить столбцы для проемов (дверей, окон, перегородок и т.д.).

В BIM таблицу можно расширять, поскольку проект и конструкция здания могут меняться. К примеру, можно будет добавлять данные по материалам, включая их физические и тепловые свойства, наименование изготовителя, модель, а также формулы для полной и частичной нагрузки. Чтобы присвоить объектам параметры, мы можем добавлять связывающие формулы элементы, которые будут зависеть друг от друга при определении габаритов и местоположений. В результате таблица будет представлять собой полное описание помещения, а затем и всего здания. Аналогичным образом моделирующая система BIM заполняет свою базу данных информацией, связанной с видимыми объектами в трехмерной схеме.

Организация buildingSMART Alliance разрабатывает открытый стандарт для процесса приемки в эксплуатацию с использованием таблиц Cobie2 XML в BIM [1]. Если для анализа используется графическая модель, то либо анализом управляет интегрированный инструмент аналитического моделирования в BIM, либо информация по модели выгружается из физической модели в файл такого формата, который поддерживается программой аналитического моделирования. Самые распространенные форматы – это IFC [1] и gbXML [2].

При выгрузке информацию необходимо идентифицировать, чтобы прочие приложения могли ее распознать и восстановить цифровую модель здания в такой же конфигурации, которая была описана в графической модели BIM. Продолжая аналогию с электронными таблицами, в качестве идентификаторов для каждого блока информации по помещениям используются заголовки столбцов, а также наименования и номера помещений. В экспортируемом файле эти идентификаторы называются метками (tags).

Инженер систем ОВК добавляет в таблицы формулы и процессы для анализа нагрузки, ежегодного потребления электроэнергии и эксплуатационных расходов. Это пример интегрированного метода. Если проектировщик выгружает из таблицы BIM в таблицу анализа нагрузки только те данные, которые необходимы для анализа ОВК, то это пример интерфейсного метода с использованием дополнительного программного обеспечения.

Предполагаем, что большинство проектировщиков предпочитает интерфейсный метод анализа систем ОВК, где для расчета нагрузки по ОВК и производительности используются несвязанные друг с другом программные инструменты, и данные выгружаются из BIM. Далее мы рассмотрим, как проектировщик может использовать информационную модель здания для анализа систем ОВК.

Пример использования BIM для анализа систем ОВК

Рис. 1 представляет собой стандартный трехмерный вид в BIM, который проектировщик получает от архитектора. Трехмерный вид позволяет инженеру представить масштаб проекта. При помощи BIM архитектору легко воссоздать внешний и внутренний (рис. 2) вид объекта. Используя эти изображения проектировщик ОВК может изучить объект, возможности использования систем, а также сравнить проектные решения. Для оценки решений необходимы данные по тепловой и холодильной нагрузке.

Рисунок 1. Стандартный внешний вид объекта в трехмерной модели

Рисунок 2. Стандартный внутренний вид объекта в трехмерной модели. Оба примера созданы с использованием моделирующего приложения BIM

В этом примере архитектор использовал данные из BIM для оценки и проверки планируемых потребностей проекта. В таблице, приведенной на рис. 3, столбец с заголовком Delta сравнивает требуемую заказчиком площадь с тем, что определено в модели.

Рисунок 3 (подробнее) Анализ плана строительства, который автоматически создается по имеющимся в BIM данным

После того как архитектор задаст в BIM параметры всех помещений здания, проектировщик ОВК может создавать с их помощью кондиционируемые пространства или зоны в аналитической модели помещений для анализа параметров ОВК. Пространство, определенное в аналитической модели ОВК, включает всю информацию о помещении из BIM, а также содержит дополнительную информацию, необходимую для анализа ОВК.

Biochemistry Lab 1198 – это имя помещения, присвоенное ему архитектором в BIM (рис. 4). При выборе выделенного красным окна (элемента или объекта) инженер может просматривать сам элемент и его свойства (рис. 5). Можно задать габариты и прочие параметры. В данном примере не задано значение коэффициента теплопроводности. Параметр с этим значением можно задать для группы «окно/стена». При этом для данной группы в BIM не задано значение сопротивления теплопередаче, хотя другим элементам оно уже присвоено.

Рисунок 4. Фрагмент двумерного изображения в BIM

Рисунок 5 (подробнее) Тип объекта и виды свойств элемента в BIM

И хотя процедура пока еще проводится не автоматически, инженер может быстро присвоить стандартные значения коэффициентов теплопроводности большинству объектов в BIM, чтобы они затем использовались в анализе по ОВК как в самой BIM, так и в отдельных программных инструментах анализа ОВК. К счастью, многие производители и поставщики уже начинают предоставлять библиотеки объектов BIM, где уже имеются многие физические и аналитические характеристики для проведения анализа по ОВК.

Когда в модели уже заданы пространства, нагрузки по ОВК можно получить из самой программы BIM (интегрированный метод) или путем выгрузки в файл формата IFC [1] или gbXML [2], который может использоваться в других программах (интерфейсный метод).

На рис. 6 приводится пример выводимых данных по анализу нагрузки для ОВК, который может создаваться как из набора данных gbXML (выгружаемых из BIM), так и из других данных, которые напрямую вводятся в программу анализа ОВК; данный пример приводится для помещения Biochemistry Lab.

На рис. 6 приводятся данные из интерфейсно-совместимого программного пакета BIM, которые можно дополнить данными из программы анализа ОВК, а затем импортировать их обратно в BIM. Теперь инженер может просматривать данные по анализу нагрузки для ОВК непосредственно в BIM.

Если опять взглянуть на данные по биохимической лаборатории на рис. 6, то мы увидим, что рассчитанный расход воздуха составил 343 фут³/мин⁴. В строке расхода в BIM появится значение «343 cfm».

Рисунок 6 (подробнее) Обобщенная функциональная схема по автоматизированному дистанционному снятию показаний счетчиков электроэнергии

Проектировщик ОВК может установить для этого пространства диффузоры. Если применить два диффузора с расходом 175 фут³/мин каждый, то параметр Specified Supply Airflow (указанный расход на притоке) составит 350 фут³/мин (рис. 7).

Рисунок 7 (подробнее) Обобщенная функциональная схема по автоматизированному дистанционному снятию показаний счетчиков электроэнергии

Если архитектор использует BIM как сводную таблицу для проверки разницы площадей проектируемых помещений, то инженер по ОВК может проводить аналогичные процедуры и просматривать сводную таблицу, куда будут выводиться различия между заданным и расчетным расходом. При этом программа может помечать значения, которые существенно расходятся с требуемыми, чтобы проектировщикам было проще выявлять подобные несоответствия и устранять их.

Аналогично примеру с анализом нагрузки для ОВК можно проводить анализ потребления электроэнергии, эксплуатационных расходов и разработки планов для любой системы или компонента здания; при этом потребуется собрать по ним данные и ввести их в BIM, а затем выгрузить в файл IFC или gbXML для работы в отдельной программе анализа.

Что сдерживает BIM?

Почти 50% всех компаний заявляют, что они используют средства BIM для ряда проектов [3]. Несмотря на популярность этих систем существует ряд факторов, сдерживающих их широкое распространение.

Применение BIM требует больших усилий на предварительном этапе проекта при создании исходной структуры. Это происходит по двум причинам:

1. Программные средства BIM более сложные, чем традиционные системы CAD. Некоторые полагают, что для них требуется совершенно иное видение виртуального проектирования зданий. Специалисты, привыкшие работать в обычных двумерных или трехмерных системах CAD, могут испытывать трудности при переходе на программы BIM. К новому рабочему процессу, который потребуется при использовании BIM, быстрее привыкнут проектировщики, следящие за новинками в сфере современных технологий, а также практикующие специалисты, которые недавно прошли обучение новым средствам проектирования.

2. Программы BIM требуют ввода столь значительного объема информации, что среднестатистическому проектировщику этот процесс может надоесть. Для точного расчета тепловых характеристик здания требуется ввод множества точных значений. Если ввести не все данные либо ввести их неправильно, тепловой анализ будет проводиться некорректно. Программы BIM внедряют все больше возможностей «помодельной проверки». Эти функции передают конечному пользователю данные, касающиеся качества информации по модели, но при этом до надежной работы им далеко.

Программы BIM позволяют легко вносить изменения в данные, поэтому возможно поменять параметры на более поздних этапах проекта, что повлияет на стоимость строительства и проекта. Параметрическая концепция работы программ BIM позволяет легко менять данные, которые по цепочке распространяются на другие модели и инструменты анализа. Это может привести к путанице, проблемам с непараметрическими инструментами, а также к проблемам координирования элементов, которые располагаются далее по цепочке в цикле функционирования здания.

Размеры файлов в BIM больше, чем в обычных программах CAD. Кроме этого, в системах BIM обрабатывается более сложная и объемная информация, чем в стандартных трехмерных моделях CAD. В результате для инструментов BIM требуется аппаратное обеспечение с более высокой скоростью обработки данных и с большей оперативной памятью. Многие комплексные программы BIM хорошо работают только на компьютерах с 64-битной оперативной системой и с памятью не менее 8 Гб. Подобные компьютеры намного дороже обычных офисных.

Программы BIM требуют умения представлять трехмерные системы и четко видеть конечный результат еще до начала проектирования. И новички, и даже опытные пользователи систем BIM должны в обязательном порядке проходить обучение этим программам. Поскольку системы BIM возникли относительно недавно, хорошие курсы проводятся редко и обычно дорого стоят.

¹ См. статьи: Е. В. Криницкий «Информационная модель здания», «АВОК», 2010, № 1; В. В. Ильин «О новой технологии BIM. История стандартизации», «АВОК», 2010, № 7; В. В. Ильин «BIM – информационное моделирование зданий», «АВОК», 2011, № 3.

² Приведенное ниже исследование является обобщенным и может распространяться не на все предлагаемые на рынке программы физического и (или) аналитического моделирования класса BIM.

³ Определение используемых терминов BIM приводится в руководстве «An Introduction to Building Information Modeling: A Guide for ASHRAE
Members».

⁴ 1 фут³/мин = 1,7 м³/ч

Литература

1. buildingSMART International Alliance for Interoperability. 2010. FM aquarium COBie2 description. www.buildingsmart.com/content/fm_aquarium_cobie2_description.
2. Open Green Building XML Schema. 2010. www.gbxml.org.
3. McGraw-Hill Construction. 2009. The Business Value of BIM: Getting Building Information Modeling to the Bottom Line. SmartMarket Report. tinyurl.com/2uef4uh.

Перепечатано из журнала «ASHRAE».

Научное редактирование выполнено В. В. Ильиным,
исполнительным директором ООО «Лой энд Хутц Рус».