基于BIM技术的IDC绿色建筑的应用

颜晓杰 王 玉

中邮通建设咨询有限公司

0 引言

伴随着经济全球化的过程，能源成为每个地区发展的关键，绿色节能也上升为国家发展战略，环境问题成为了全人类共同面对的挑战。在能源危机中人们意识到，以过度消耗资源及牺牲环境换取短期经济高速发展是不可行的，从而提出了“可持续发展”的发展理念。如今，对环境保护、清洁能源利用及碳排放限制已得到全球范围内的重视。

据《中国建筑能耗研究报告》统计，建筑行业直接碳排放约占碳排放总量的20%，间接碳排放占比达到50%，空气污染中约50%是由建筑相关产业造成，可见建筑行业对于能源消耗与环境污染所造成的影响。而IDC的能源消耗是普通建筑的数十倍，其耗电量占全社会用电量的1.5%。建筑作为IDC的载体，其规划、设计与施工过程决定了IDC后续节能技术的选用以及改建能力。

IDC建筑结构复杂、设备众多，设计要求高，仅靠设计师的主观判断与经验很难高效无误地完成前期设计，而整合了建筑信息的BIM技术，可以模拟建筑物理环境并进行相关分析，并针对设计方案进行合理修改。同时，BIM技术在IDC的运维阶段也将发挥绿色管理的作用。接下来本文将从规划设计、运维管理两个阶段来阐述BIM技术对于IDC绿色建筑的价值。

1 规划设计

规划设计阶段中，会考虑各种自然因素对建筑所产生的影响。随着BIM技术的发展，在对日照分析、通风模拟等方面有了新的解决途径，从而合理利用自然资源来节约建筑能耗。

1.1 日照分析

日照是影响建筑朝向的一个重要气候因素，充足的日照可以为建筑节约大量照明能源，但对IDC来说，日照也会带来更多热辐射，从而造成更多机房制冷能耗。以江苏省为例，江苏省属于温带向亚热带过渡性气候，夏季阳光充足，冬季日照时长远低于夏季。故在夏季时，数据中心考虑到制冷需要，朝阳面需注意减少日照；而IDC运维办公楼考虑到办公舒适性，对于太阳辐射的需求也与机房楼栋不同，在冬季办公楼栋则需要更多的太阳辐射来降低采暖能耗。

针对这种问题，可以通过BIM技术建立模型，导入ECOTECT软件来模拟日照进行分析，输入当地气象数据，模拟气候环境，辅助设计师确认建筑最优朝向。

如图1所示，采光分析中黄色代表日照强度较高区域，蓝色代表日照强度低区域，设计师根据模拟结果，对建筑保温设计进行优化，在建筑东西两侧不设置窗户，通过外墙保温来隔绝热辐射，并合理设置遮阳棚保障建筑外通道的使用舒适性。

图1 江苏省某数据中心辅助楼BIM模型进行自然采光模拟分析

1.2 通风分析

合理的通风规划可以大量减少建筑的制冷耗能，最著名的设计就是苹果总部园区，其引入了“Breathing Building”理念调节建筑室内通风，配合水流循环做到了每年九个月无需使用空调。

对于国内气候环境而言，风不仅影响着建筑能耗，也对室内风环境的舒适度起到决定性作用。要形成穿越式通风，除了风速，建筑界面形状与风向夹角也必须关注。风吹向建筑表面会形成一片涡流区，涡流区中风向不稳定，其产生的风压很难起到通风效果，同时也会影响周边建筑的风速，造成通风间距变大，增加建筑能耗及投资成本。

数据中心园区有机房楼、变电站、数据集成楼等，布局大多为矩阵式或环形建筑群，建筑的排布对于风形成涡流区有了更为复杂的影响，风投射角与建筑间角度及建筑高矮都会产生不同的风环境。

针对上述情况，BIM技术可通过建筑模型，利用CFD流体分析软件Fluent进行风环境模拟。本文在对江苏省某数据中心园区进行风环境模拟时，发现除了涡流区，建筑物的高度、宽度、进深对风环境也会产生不同的影响。其中建筑高度与对风速的影响成反比，建筑宽度与涡流区的大小成正比，建筑物的进深对涡流区大小影响较小，但与风速成反比。所以在数据中心园区的设计中往往采用建筑群包围式设计或矩阵式设计，建筑物高度一致或高低有序，预留合适的风环境通道，利用BIM模型的CFD风环境模拟分析，从可视化的角度来进行合理应用风环境，从而来达到经济绿色的建筑朝向及排布。

1.3 苏州某数据中心为例

在实际工作中，往往会结合日照分析与风速图结果对项目总体布局进行优化，这里以江苏省某数据园区为例进行分析。该数据中心数据机房楼共三栋，高度约为40m，总体布局方式采用常见的围合式。通过日轨图遮挡分析（见图2）可以得出，南侧两栋数据机房楼之间光照强度在宜居范围内，靠南侧红线内适合建造办公用房，办公用房的东立面与西立面热辐射被两侧数据机房楼遮挡，南北方向无遮挡满足使用采光要求。

图2 日轨图遮挡分析

通过分析可以看出，楼栋间通道风效应较为明显（见图3），建筑间距可以适当加大，但受到建筑红线影响，加大楼间距对改善风环境效果不明显。园区东北角设计为柴油发电机组钢平台，根据气象部门所公示的当地风频图，可知此空旷场地受东北风影响较大，可以在场地周边种植树冠茂密的乔木来对气流进行疏导。

图3 IDC园区风环境模拟

办公区域应设计为风环境较为舒适的区域，前面日照分析时提到在南侧两栋数据机房楼中间设立办公用房，但此处为南北朝向贯穿风通道，如全部遮挡会造成建筑群南立面常年受到南北朝向风流吹打，对办公楼幕墙系统产生破坏，且东南角处柴油发电机组钢平台处因风流引向建筑群东西侧也易产生涡流区，不利于该区域设备散发热量。因此，在办公楼一层可以设计一定的风通道作为人行或车行通道，满足风环境的要求。

综上所述，该数据中心园区布局紧凑，风环境欠佳。通过优化策略的调整后，呈现如图4所示的规划布局，数据园区的风环境得到了一定的改善。针对办公区域的设定，以及园区东北角柴发平台易产生涡流区的问题，这些改进都是行之有效的。

图4 数据中心办公楼规划

IDC园区的建筑规划布局，主要分析日照与通风等因素。在规划阶段的影响因素较少，对BIM模型要求的精度不高，大大减少了工作量，将规划方案的讨论从传统的经验与简图模式变为了利用计算机来模拟计算论证，让建筑师能够更好地实现建筑节能设计。

2 运维管理

传统的运行维护管理往往难以对复杂的IDC进行合理有效的管控，需要浪费大量的人力物力。将BIM技术应用在IDC的运维管理工作中有利于实现信息的整合、共享与传递，能够加强园区运维信息的综合管理，有效提升运维管理水平与服务质量。

2.1 核心功能

对于BIM运维管理来说最基本的就是三维可视化漫游，可以直观便捷地查看建筑物或设施的相关资料信息，同时通过传感器也可以动态地获取设备的状态（见图5）。在IDC的园区管理中，设施空间的管理可以利用BIM技术建立数字化空间来预览空间布局效果，发现可能存在不合理的布局在设备安装前提前修正。在安全管理中引入了BIM技术的运维管理可以与视频监控、消防报警等设备的数据接口连接，从而实时获取相关数据进行统计分析。监控设备将数据接入BIM运维系统后，改变了传统的监控视频展示方式，与GIS技术结合将监控信息直观地展示在三维模型上，可以看到实时画面的位置，观测园区中发生的各种情况。在发生各类灾害时，BIM运维系统可以根据设备反馈的数据进行分析，在三维模型中模拟最优的逃生路线协助管理人员进行疏散。

图5 某BIM运维系统监控管理

BIM运维管理最核心的地方是可以对园区的各类资源进行整合、调度、评估、分析，为园区提供优化升级的基础数据，促进园区的可持续性发展。

2.2 能耗管理

IDC项目设备种类繁多，系统集成度高，管线布置复杂，这些都对运维管理提出了更高的要求。面对繁杂的系统，运维管理人员很难做出最优的运维决策。现在，可以通过BIM技术的辅助，对IDC进行三维管控，从而降低运维决策成本，达到绿色节能的目标。

通过BIM技术可以将IDC机房三维可视化，这给运维工作带来了全新的管理模式。BIM模型也可以集成设备的相关资料，例如设备位置、参数、安全使用年限、安全责任人等。同时针对楼宇中可以三维划分区域，针对温度、噪音等进行监控，并与设备控制系统联动，达到更为智能化的自控系统，降低设备运行管理风险的同时，使设备在最优功耗比的情况下运行。对于BIM运维的能耗管理，主要分为PUE、电力管理、空调管理三个方面分析。

PUE即数据中心总能耗/IT设备能耗，PUE值越接近于1即表示一个数据中心绿色化程度越高，BIM技术通过数据集成管理可以实时统计数据中心PUE值。现有设备通过自带或后加装传感器来获取数据，传输到BIM运维管理系统中并与BIM模型对应，对设备的能耗、噪音、安全等情况进行分析统计，标记能耗异常部位，对管理人员进行提示，供数据中心升级参考。

电力管理中，整合设备的额定功率、实时电流以及额定容量进行图表化展示，并精确到每组机柜计算使用与空闲占比。这也为空调管理提供了数据基础，根据每片区域能耗精确控制空调运转情况，减少不必要的空调能耗。

空调管理中，BIM运维系统可以将设备能耗可视化显示，将预估的设备运行能耗数据录入到运维管理系统数据库中后，一定周期进行能耗数据统计并与预估值进行比对评估，对能耗超支的设备在BIM模型中使用红色标记，能耗正常的设备使用绿色标记（见图6），并将其能耗数据打包导出提出预警信息，供管理人员进行分析讨论。

图6 能耗正常的离心式冷水机组

绿色数据中心运维在传统节约成本的基础上，更重要的是节约能耗。传统运维需要企业面对人才进行长周期的培养与可能出现的人才流失情况带来的压力，BIM技术是的运维管理可视化有效降低了运维管理的门槛。同时，IDC中设备类型与数量繁多，传统的运维管理在能耗统计和监测上往往很难做到实时管理，这使得设备的能耗管理存在滞后性，难以达到绿色节能的目的。结合BIM运维管理系统可以很好地整合以及智能化的实时监测各区域能耗情况，并及时地对异常区域进行预警，提升管理效率。

3 结束语

在当今倡导绿色建筑的背景下，建筑全生命周期的节能设计、建造与管理越来越被重视。本文思考利用BIM技术辅助，在IDC园区的规划设计与运维阶段的应用可行性。探讨BIM技术与绿色建筑结合的方法与应用角度，为绿色建筑的规划设计与运维管理中提供有力的支持。虽然本文所提到的相关技术与方法在实际应用中还不为成熟，但在国家大力推管BIM技术创新应用的前提下，BIM技术的多专业协调性、信息集成化、直观化的优点一定会在未来绿色IDC建筑全生命周期带来巨大的影响，以更好地推动我国绿色IDC的健康发展。