什么是CFD?BIM與CFD整合應(yīng)用時需要面對哪些挑戰(zhàn)?

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如何將建筑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(yè)界的熱門話題之一，其中BIM與流體動力學(xué)模擬(CFD)的整合更是常常被討論到。常見建筑相關(guān)的CFD模擬有兩類應(yīng)用─室內(nèi)通風及空調(diào)設(shè)計、建筑物外之流場分析。盡管BIM與CFD的整合常在BIM的加值應(yīng)用里被提及，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。

首先介紹一下CFD，CFD是分析流體在三維空間中流動的工具。在復(fù)雜的情況下，測量往往是很困難的，尤其在建筑、空調(diào)設(shè)計的設(shè)計時間，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常用來作為建筑設(shè)計在做通風分析、空調(diào)設(shè)計，以及建筑物外流場分析之工具，室內(nèi)風場的分析能幫助我們決定窗戶的位置、窗戶開口的形式、出風回口的位置設(shè)置等對室內(nèi)空氣流動及人們舒適度的影響。

而從室外的流場分析，則能得到建筑物的風壓，建物對室外行人的影響，并討論室外設(shè)備設(shè)置的位置。CFD是將流場的控制方程用計算數(shù)學(xué)的方法，將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點上，求其離散的數(shù)值解。而以建物來說，在做CFD仿真時，工程師或建筑師就必須知道所要模擬之范圍以及定義邊界及邊界條件，而這些范圍及邊界的幾何性質(zhì)則可以從BIM的信息中提出，以往就算沒有BIM模型，工程師與建筑師在做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(dǎo)入從事CFD仿真的軟件中，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愿，讓使用者更愿意進行CFD的分析。另外，BIM模型也常會帶有空調(diào)設(shè)備等訊息如出風口位置等，這些也常是CFD模擬設(shè)定邊界條件時所需的信息，若能妥善運用，將能大幅縮短設(shè)定時間。

在實際應(yīng)用上，以Autodesk Revit所建的BIM模型為例，因為Autodesk公司自己也有旗下的CFD軟件如：Autodesk CFD，所以他們在格式轉(zhuǎn)換上并沒有太大的問題，多數(shù)BIM模型也能夠透過格式的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入其他常用CFD軟件，如Ansys Fluent、Open FOAM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(shè)計細節(jié)，但在CFD模擬時，我們反而會需要將許多細節(jié)簡化，以提升模擬的效率。過多的細節(jié)，代表我們在模擬時會有過多的網(wǎng)格而造成過長的模擬時間，甚至有時候無法收斂。為了節(jié)省時間和計算器資源，我們會將從BIM導(dǎo)出的模型進行簡化，只留下重要的部分，在導(dǎo)出前將不重要的部分濾掉，重新畫一個簡單的版本，將一些對象的形狀跟特征簡化，將干擾仿真的部分刪除，并將很小的間隙合起來等。

但這代表在導(dǎo)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筑師會選擇干脆直接重畫一個簡化后的版本，認為這樣所花費的時間反而比直接轉(zhuǎn)出更少。另外，有些CFD仿真的軟件并沒有自己的幾何編輯器，在網(wǎng)格的生成上，須倚賴其他軟件的輔助，所以仿真流程就會多一個步驟，先將BIM導(dǎo)入網(wǎng)格生成工具后，再由網(wǎng)格生成工具導(dǎo)入CFD仿真軟件中。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(zhuǎn)換格式時有時須重新定義空間性質(zhì)。這些額外的步驟，都容易增加使用者在使用上的困難度，并影響其使用意愿。而在幾何信息以外的訊息傳遞，BIM還沒有完全發(fā)揮它的優(yōu)勢，多數(shù)的邊界條件信息必須要重新設(shè)定。

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(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，是缺乏明確的轉(zhuǎn)換流程及整合性的訊息。像是BIM模型在建構(gòu)時，若能有詳細的準則來定義哪些對象未來將用于CFD模擬，在輸出時將可減少設(shè)計者的困難。盡管研究人員根據(jù)不同的設(shè)計時間，發(fā)展了許多基于BIM模型的分析工作流程，但對于用在室內(nèi)環(huán)境性能評估的BIM模型建構(gòu)，尚無標準指南。另外一些工具的開發(fā)，若能輔助網(wǎng)格處理的生成并簡化流程，或是在BIM模型中直接提取更多對于邊界條件設(shè)定有幫助之訊息，都能有效強化BIM與CFD模擬的結(jié)合。

綠色BIM應(yīng)用的發(fā)展，有賴BIM工程師，建筑師和其他設(shè)計師在整個設(shè)計過程中緊密合作，并保持開放態(tài)度，這種互相合作的關(guān)系將能強化BIM/CFD訊息轉(zhuǎn)換的流程，并幫助BIM/CFD的整合逐漸建構(gòu)出詳盡的指南，讓所有用戶對可以使用的輸入數(shù)據(jù)和所需的仿真輸出，有更全面的了解，也能更輕松的在設(shè)計時間，將與流場風場相關(guān)的各項因素納入設(shè)計中。

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