[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)

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。

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。

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。 

​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。