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[營建知訊轉載]BIM在計算流體動力學模擬(CFD)之應用與挑戰 詹瀅潔 (2020.7)

7/31/2020

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詹瀅潔 國立台灣大學土木工程學系 BIM 研究中心副主任

BIM 與 CFD 整合設計流程仍需加強

  如何將建築及工程中一些分析所需的模型納入BIM的工作流程,一直是業界的熱門話題之一,其中 BIM 與流體動力學模擬(CFD) 的整合更是常常被討論到。常見建築相關的 CFD 模擬有兩類應用─ 室內通風及空調設計、建築物外之流場分析。儘管 BIM 與 CFD 的整合常在 BIM 的加值應用裡被提及,也有不少實際使用的案例,但在 更普遍的使用上還有一些進步的空間,本文將回顧 BIM 與 CFD 整合 目前應用的現況,並討論如何強化整合設計的流程。 首先介紹一下CFD,CFD是分析流體在三維空間中流動的工具。 在複雜的情況下,測量往往是很困難的,尤其在建築、空調設計的設 計階段,無法直接進行實體試驗及測量,而縮尺的實驗既昂貴也同樣 有誤差的問題,因此CFD常用來作為建築設計在做通風分析(圖一)、 空調設計(圖二),以及建築物外流場分析(圖三)之工具,室內風 場的分析能幫助我們決定窗戶的位置、窗戶開口的形式、出風迴口的位置設置等對室內空氣流動及人們舒適度的影響。
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而從室外的流場分析,則能得到建築物的風壓,建物對室外行人的影響,並討論室外設備設置的位置。CFD 是將流場的控制方程用 計算數學的方法,將其離散到一系列網格節點上,求其離散的數值解。 而以建物來說,在做 CFD 模擬時,工程師或建築師就必須知道所要 模擬之範圍以及定義邊界及邊界條件,而這些範圍及邊界的幾何性質​則可以從 BIM 的資訊中提出,以往就算沒有 BIM 模型,工程師與建 築師在做 CFD 模擬時,還是常需要先建立 CAD 模型,再將 CAD 模 型的幾何訊息導入從事 CFD 模擬的軟體中,若能妥善的運用 BIM 模 型,將可以縮短為了 CFD 模擬所需的建模時間,也能提升使用者的 使用意願,讓使用者更願意進行 CFD 的分析。另外,BIM 模型也常 會帶有空調設備等訊息如出風口位置等,這些也常是 CFD 模擬設定 邊界條件時所需的資訊,若能妥善運用,將能大幅縮短設定時間。
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CFD模擬應簡化細節以提升效率在實際應用上,以Autodesk Revit [1]所建的BIM模型為例,因為Autodesk公司自己也有旗下的CFD軟體如:Autodesk CFD[2],所以他們在格式轉換上並沒有太大的問題(圖四),多數 BIM 模型也能夠透過格式的轉換(.sat 或是.stl)匯入CFD模擬中,市面上也有一些將Revit或是其他BIM模型轉入其他常用CFD軟體,如Ansys ​Fluent [3]、OpenFOAM[4]的工具。然而,一個非以CFD模擬為主要目的所建立的BIM模型,往往包含相當程度的設計細節,但在CFD模擬時,我們反而會需要將許多細節簡化,以提升模擬的效率。過多的細節,代表我們在模擬時會有過多的網格而造成過長的模擬時間, 甚至有時候無法收斂。為了節省時間和計算機資源,我們會將從BIM導出的模型進行簡化,只留下重要的部分,在導出前將不重要的部分濾掉,重新畫一個簡單的版本,將一些物件的形狀跟特徵簡化,將干擾模擬的部分刪除,並將很小的間隙合起來等。但這代表在導出幾何模型時,必須再投入很大一部分的心力做簡化,所以有些工程師或是建築師會選擇乾脆直接重畫一個簡化後的版本,認為這樣所花費的時間反而比直接轉出更少。 
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​另外,有些CFD模擬的軟體並沒有自己的幾何編輯器,在網格的生成上,須倚賴其他軟體的輔助,所以模擬流程就會多一個步驟,先將BIM導入網格生成工具後,再由網格生成工具導入CFD模擬軟 體中。另外也因為CFD模擬的是空間中沒被畫出來的部分(空氣),模型處理的是固體部分,在轉換格式時有時須重新定義空間性質。這些額外的步驟,都容易增加使用者在使用上的困難度,並影響其使用意願。而在幾何資訊以外的訊息傳遞,BIM還沒有完全發揮它的優勢,多數的邊界條件資訊必須要重新設定。

建構 BIM 模型時定義CFD所需物件有助簡化流程

縱然有一些困難,不過BIM在CFD的分析及推廣上,還是非常有幫助的。BIM在CFD分析應用的關鍵挑戰之一,是缺乏明確的轉 換流程及整合性的訊息。像是BIM模型在建構時,若能有詳細的準則來定義哪些物件未來將用於CFD模擬,在輸出時將可減少設計者的困難。儘管研究人員根據不同的設計階段,發展了許多基於BIM模型的分析工作流程,但對於用在室內環境性能評估的BIM模型建 構,尚無標準指南。另外一些工具的開發,若能輔助網格處理的生成 並簡化流程,或是在 BIM 模型中直接提取更多對於邊界條件設定有幫助之訊息,都能有效強化BIM與CFD模擬的結合。 綠色BIM應用的發展,有賴工程師,建築師和其他設計師在整 個設計過程中緊密合作,並保持開放態度,這種互相合作的關係將能 強化BIM/CFD訊息轉換的流程,並幫助BIM/CFD的整合逐漸建 構出詳盡的指南,讓所有使用者對可以使用的輸入數據和所需的模擬 輸出,有更全面的了解,也能更輕鬆的在設計階段,將與流場風場相關的各項因素納入設計中。 
參考文獻
1. Autodesk Revit, https://www.autodesk.com/products/revit/overview
2. Autodesk CFD, https://www.autodesk.com.tw/products/cfd/overview
3. Ansys Fluent https://www.ansys.com/zh-tw/products/fluids/ansys-fluent
4. OpenFoam, https://www.openfoam.com/
轉載自營建知訊第450期,頁59-64。
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