基于BIM模型的肇庆新区体育馆室内气流组织CFD模拟分析

李 明，李燚超（浙江江南工程管理股份有限公司，浙江 杭州 310013）

0 引言

随着国家经济的快速发展及对体育事业的重视，体育馆建设项目逐渐增多。尤其是近几年我国体育健儿屡创佳绩、全民健康意识不断提高，对体育馆建设提出了更高的要求。体育场馆项目，因其体量庞大、功能复杂、要求严格，历来都是大型公共建筑建设的重点和难点。体育馆建筑属于大空间建筑，合理的气流组织形式关系到比赛的顺利进行、观众的舒适度和场馆的空调能耗。因而，通风空调系统是体育馆建筑品质和舒适度的重要保障，是“绿色体育建筑”思想的重要体现。

考虑到体育场馆项目建设的管理难度，众多体育场馆项目建设采用了全过程工程咨询服务模式。所谓全过程工程咨询服务，是指对工程建设的决策、设计、招标投标、施工和竣工验收等各阶段，运用现代化的技术和科学的管理手段，连续对项目进行全过程控制，使项目始终朝着可控的方向发展。虽然设计质量对项目投资造价控制、建筑品质和舒适度保障具有重要影响，是全过程工程咨询服务的关键一环，但是受限于设计管理人员的专业技术水平和相关软件应用水平，设计管理工作始终是全过程工程咨询服务的薄弱环节。

BIM 是建筑信息模型的简称。BIM 技术的产生与发展对传统工程建设项目的运作模式产生了重大影响。在设计管理过程中，依靠 BIM 技术强大的可视化及漫游功能，设计管理人员可直观地了解项目，及时发现错、漏、碰、缺等问题。随着对 BIM 技术研究的逐渐深入，BIM 技术由最初的以可视化为目的的 BIM 三维模型，逐步发展到具有属性信息、过程管理信息的 BIM 建筑信息化模型。面对如此多的信息，如何深入分析数据信息、挖掘数据价值，是目前乃至今后 BIM 技术的主要研究方向。

开展建筑性能分析，就是BIM深度应用建筑各类属性信息的典型应用点。目前，建筑性能分析主要包括能耗分析、日照分析、噪声分析和气流模拟（CFD）分析。CFD 是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称。CFD 模拟分析类似于在计算机中进行虚拟试验，是研究气流组织的重要技术手段，被广泛应用于各领域的流体类问题分析。随着 BIM 技术的发展，BIM 模型拥有强大的属性信息和丰富的族库，从而为基于 BIM 模型的 CFD 模拟分析提供了诸多的新优势。本文以广东肇庆新区体育中心体育馆项目为例，介绍在项目设计管理过程中，如何运用基于 BIM 模型的 CFD 技术，验证空调系统设计的正确性，分析大空间气流组织的合理性。供业内人士参考。

1 项目概况

广东肇庆新区体育中心以“砚生水墨”为主题，包含“一场两馆”。一场是建筑面积为 27 500 m2、拥有 20 000 个观众席位的专业足球场（含足球博览馆）；两馆分别是建筑面积为 30 000 m2、拥有 6 000 个固定座位与 2 000 个活动座位的体育馆和内含两个篮球场及相应配套设施的训练馆。本文以综合体育馆为分析对象。体育馆主体采用钢筋混凝土框架结构，外形近似圆柱体，高度为 33.5 m，弦支穹顶跨度约为 130 m。比赛场位于正中心，尺寸为 75 m×50 m，四周座位共 15 排。在宽度方向两侧高度为 14 m 处分别设置媒体中心。

2 基于 BIM 模型的 CFD 软件介绍

Fluent 是目前最主流的 CFD 软件，因其精度高、使用范围广等优点而被广泛应用，但其缺点如兼容性较差、需要单独为其建模、前处理器建模过于简化、网格划分要求高、不易上手等，也限制了广大工程人员的使用。随着 BIM 技术的发展及相关软件的研发，基于 BIM 模型的 CFD 技术日趋成熟。本项目以 Revit 为建模软件、以 Autodesk CFD 为分析软件，充分体现出以下优势。

（1）完全耦合建筑设计流程，保证设计过程的连续性。Autodesk CFD 安装后，Revit 会自动生成附加模块。因此，以 Revit 软件建模，只需一键即可生成分析模；并且两个软件一脉相承，不会出现数据丢失现象。

（2）强大的族功能和丰富的模型信息，使分析模型更加精确和贴近实际。此外，运用 Revit 的规则可以为几何体添加材料属性和边界条件。

（3）软件采用有限元分析法，可自动生成高质量的网格，无需人为绘制，极大地降低了入学者的门槛。

（4）强大的后处理功能，方便了设计方案的比选。

3 分析过程

3.1 建立物理模型

考虑到模拟过程中的计算量问题，对模型进行如下简化处理：长度方向气流保持不变，截取长度方向 5 m 为研究对象；鉴于人体模型的不规则性，增加人体模型会极大地增加网格数和计算量，因此人体模型仅设置一列，但为了切合实际，人员产热量按 1 人/m 均匀分布在看台上；考虑到顶部气流及温度为非研究重点，故将复杂的顶部区域简化为平顶。依据设计文件，本体育馆采用两侧喷口侧送风、下部侧回风的气流组织形式。送风口采用 Φ630 的圆形旋流风口，且设置在媒体中心底板下，以达到贴附射流、增加气流射程的效果。经计算，射流风速取 7 m/s，送风温度取 18℃。回风口位于看台下部，尺寸为 2 000 mm× 800 mm。

3.2 数学模型和边界条件

气流满足流体力学连续性方程、能量方程和动量方程三大基本方程。数值计算采用传统的经典湍流 K-epsilon 算法，不再赘述。各类边界条件，如表 1 所示。

表1 各类边界条件

4 结果与讨论

依据 JGJ 31－2003《体育建筑设计规范》中表 10.2.3、条文说明及其他相关文献，评价气流组织的合理性主要有气流速度、温度和人体热舒适指标（PMV）三个指标。其中最重要的是气流速度。考虑到本体育馆会举行羽毛球等赛事，要求比赛区平均气流速度不大于 0.2 m/s；为了保证人体良好的舒适度，减少侧送风引起的“后脑风”的影响，观众区气流平均速度不大于 0.5 m/s。其次是温度指标。要求观众看台上部和下部的温差不能太大，不宜超过 2℃。PMV 指标则代表了一个环境绝大多数人（80%）的冷热感觉，共分 7 个等级（见表 2）。为了保证人体良好的舒适度，PMV 宜介于－1～＋1 之间。

表2 人体冷热感觉与 PMV 的对应关系

通过模拟分析，得出了气流速度、温度、PMV 的数据。运用 Autodesk CFD 后处理功能，将数据图形化。

通过数据可知，气流模拟基本符合理论推测，在贴附射流下，气流明显分层，上部气流做涡旋流动，较少参与功能区的流动与换热。温度分布也可说明气流分层现象，即只需满足功能区的气流及温度要求，顶部区域可以不消耗空调冷量。这体现了该气流组织的节能性。

功能区气流速度分布主要考察即看台区域和比赛区域。除两侧靠近风口区域外，大部分区域的气流速度小于 0.25 m/s，满足比赛区域气流速度的平均值小于 0.2 m/s 的要求。观众看台区域由上到下方向的气流速度波动较大，最大值达 0.58 m/s，虽然满足了整体平均流速小于 0.5 m/s 的需求，但是少数区域会有“后脑风”的感觉。顶部气流速度很小，几乎不流动，对下部气流影响很小。功能区的温度在 22℃～26℃ 之间，顶部区域的温度在 28℃～36℃ 之间。从整体角度看，温度分布较为合理，然而温度整体偏低。这是因为本次模拟未获得灯光及各类设备发热源数据而未考虑该因素所致。对于从下到上的观众看台，温度差接近 3℃，虽然超过了预期的 2℃，但也在可接受范围之内。底部两排的人员 PMV 接近－1.5，顶部一排的人员 PMV 接近 ＋1.5，其余部分均满足舒适度要求。

通过对以上 3 个参数的分析，可以得出以下结论：该气流组织设计较为合理，基本满足了各类指标的要求。

5 应用 CFD 技术的注意事项

（1）应充分了解体育馆建筑特点，抓住影响气流模拟的主要因素，忽略次要因素，简化模型，减少计算量。

（2）尽量多地收集详细数据，增加模拟的准确性。如建筑结构材料的热工性能、灯光设备的发热功率及布置方案、当地气象参数等。

（3）剖析气流的流动与传热特点，合理设置边界条件。

（4）若有条件，应对已投入运行的项目进行现场测试和人员舒适度调查，分析模拟结果与实测的差距，验证模拟的准确性，从而提高模拟的精度。

6 结语

随着 BIM 技术的不断发展与推广，从广度上，BIM 技术已与全过程工程咨询的各个阶段进行了有机结合；从深度上，BIM 技术已从传统的可视化功能，发展到运用数据信息、挖掘数据价值的深层次应用。相信不久的将来，随着标准的不断完善、软件的不断成熟、技术人才队伍的不断壮大，BIM 技术必将成为全过程工程咨询服务中不可或缺的工具，为改变传统的项目运作模式、创造更大的市场价值发挥重要的作用。