Жили-были BEM и BIM. Переход от архитектурной модели к инженерной и обратно.

Здесь будет статья о роли моделирования потребления энергии в общем интегральном подходе к проектированию и о различиях между архитектурно-конструкторской моделью здания и окружения и инженерной, участвующей в расчетах и симуляции систем. А пока приведу выдержку из подготовки к выступлению на Autodesk University Russia.

С самого начала и по сей день упрощения, которые необходимо сделать в основной архитектурной модели, чтобы она участвовала в расчетах энергопотребления, являются камнем преткновения для инженеров и разработчиков программного обеспечения. Основная причина этого – то, что ограждающие конструкции фигурируют во всех физических процессах тепло- массопереноса. И несмотря на мощь современных компьютеров, обработка всех деталей архитектуры в рамках уравнений этих процессов просто невозможна.

Исторически сложились следующие правила упрощения архитектуры:

·         все ограждающие конструкции делятся на относящиеся к проектируемому зданию и к его окружению

·         конструкции окружения заменяются набором плоскостей без детализации материалов (иногда участвует отражательная способность поверхностей), никаких криволинейных поверхностей

·         конструкции здания заменяются набором плоскостей с детализацией материалов, но их толщина участвует только в расчетах, внутренние объемы разделены бесконечно тонкими гранями

·         в расчетах не участвуют элементы, не являющиеся границами внутренних объемов: колонны, балки и др. (в случае, когда они составляют значительную часть поверхности или массы, они заменяются  стенами или специальными элементами «внутренней тепловой инерции»)

·         все поверхности здания делятся на внутренние, внешние и затеняющие (если к поверхности с обеих сторон примыкает внутренний объем – она внутренняя, если ни с одной - затеняющая), причем, геометрически одна поверхность может принадлежать только одному типу

·         поверхность может принадлежать только одному объему, который она ограничивает

·         внешние конструкции могут быть или надземными, или подземными

·         проемы в поверхностях заменяются отверстиями многоугольной формы

·         все проемы должны быть заполнены: конструкциями остекления для окон и витражей, конструкциями дверей и ворот (при их учете в модели), воздухом для внутренних проемов. Незаполненные проемы, в том числе появившиеся как щели между поверхностями, в лучшем случае не принимают участия в расчете, в худшем – вызывают ошибки

Вид упрощенной архитектуры в SketchUp

Основной причиной «уплощения» конструкций является то, что все расчетные алгоритмы BEM-программ представляют процесс  теплопередачи одномерным. Пространственные эффекты, вызванные искривлением поверхностей и их конечной толщиной (мостики холода) не учитываются.  То же касается расчетов солнечного излучения. Отражение, рассеяние или затенение от плоскости рассчитать на порядок проще, чем от пространственной структуры.

Долгие годы каждая расчетная программа имела свой модуль, отвечающий за ввод архитектуры в BEM-модель здания. Прямого обмена между архитектурными и расчетными программами не было, что напрямую противоречило BIM концепции. Разработка архитектурных программ велась различными компаниями и, что хуже, без оглядки на наработки BEM. В результате, на сегодняшний момент существует множество форматов хранения архитектурных данных, слабо совместимых между собой и полностью несовместимых с расчетами энергопотребления.

Необходимость универсального формата хранения данных BEM-моделей, которые были бы совместимы с BIM-моделями, привела к созданию формата gbXML – Green Building XML – в разработке которого активно участвует компания Autodesk. gbXML  - это открытый, текстовый формат. Его файлы могут быть просмотрены и исправлены в любом текстовом редакторе, хотя,  лучше всего для этого подходят специальные просмотрщики,  например, Notepad++.

Формат основан на так называемой «схеме» - внутренней иерархической структуре элементов BEM-модели. Обязательными элементами являются ограждающие конструкции здания, заданные в виде плоскостей. Далее могут быть заданы окружающие здания, разбиение на внутренние объемы – пространства и зоны – задание параметров микроклимата для каждой зоны, в том числе нестационарных, элементы внутренних инженерных систем и их параметры.

Первая схема появилась в 2000 году, в настоящее время стандартом является схема 2008 года. Тем не менее, до сих пор существует большая разница между gbXML файлами, созданными в разных программах, и наоборот, один и тот же файл может быть прочитан или нет в разных программах. Самая большая проблема на сегодняшний день – это невозможность экспорта-импорта  материалов и конструкций во многих программах, хотя они и прописаны в моделях. Да и сама геометрия, несмотря на ее примитивность, иногда транслируется неправильно и ее приходится править вручную.

При всех существующих недостатках, gbXML формат пока является безальтернативным с точки зрения связи BIM-BEM. Попытки использовать универсальный BIM-формат IFC для расчетов энергопотребления пока не увенчались успехом, хотя работы в этом направлении идут весьма активно. В частности, формат IFC является родным для программы IDA-ICE, в ближайшее время будет анонсирован модуль, позволяющий передавать данные расчетов обратно в IFC модель. Импорт в формате IFC также возможен и в программе Simergy. Следует обратить особое внимание на тот факт, что большинство программ экспортирующих модели в IFC, не включают в них инженерные пространства и зоны (см. ниже), а только архитектурные ограждения. В этом случае импортированная модель потребует дополнительной работы по воссозданию (если они были уже расставлены в оригинальной модели) инженерных объемов. Или можно воспользоваться утилитой, которая сама определит, как соотнести архитектурные ограждения с виртуальными границами пространств и зон. Для ее работоспособности оригинальная модель IFC должна быть выполнена по определенным правилам. Проверка на выполнение этих правил может быть выполнена в программе Solibri Model Checker.  

- правила задания внутренних объемов

Геометрия ограждающих конструкций не является законченной с точки зрения BEM пока не определено, что они ограждают. В архитектуре весь внутренний объем здания поделен на помещения, наличие нескольких помещений в одном физическом объеме скорее исключение, чем правило. Для энергетической модели здания физическое разбиение в некотором смысле вторично. Первичным является разбиение на объемы, одинаковые с точки зрения энергопотребления, прежде всего одинаковые по параметрам микроклимата и внутренним нагрузкам. Такие объемы называются зонами.

Оригинальное разбиение внутренних объемов в архитектуре.

Разбиение внутренних объемов на зоны в энергетической модели здания. Сохранены суммарные объемы и площади границ зон. В модели в итоге более чем в 10 раз меньше поверхностей.

В зависимости от математической модели, лежащей в основании BEM расчетов, основными единицами при разбиении внутреннего объема здания являются пространства или зоны. Все зависит от того, как расчетная модель воспринимает внутренние перегородки, разделяющие объемы с одинаковыми параметрами энергопотребления. Теоретически, они участвуют в теплопередаче только как тепловая инерция, накапливая и отдавая тепло,  поэтому могут не отображаться явно в геометрии энергетической модели.
 В расчетных программах на основе ядра  EnergyPlus, например, внутренние перегородки удаляются и заменяются параметрами внутренней тепловой инерции. Это значительно упрощает и ускоряет вычислительный процесс, но требует дополнительных усилий при определении геометрии.

Пространства – это промежуточное звено между архитектурными помещениями и температурными зонами. Они позволяют сохранить связь между абстрактной энергетической моделью и физическим разделением внутреннего объема здания. В этом случае зона – это совокупность пространств с одинаковыми внутренними параметрами. В определенных случаях имеет смысл назначить каждому пространству отдельную зону, пусть их и будет множество с одинаковыми параметрами. Например, когда здание представляет собой многофункциональный комплекс – такой, как больница – и заранее не известно разделение архитектурных помещений на зоны. Чтобы не пересоздавать геометрию BEM-модели, каждому пространству задается своя зона. Возможен и другой случай, когда в рамках одного помещения располагается несколько пространств, принадлежащих разным зонам. Чаще всего это делается для того, чтобы локализовать внутренние или внешние нагрузки, например, выделяется отдельная зона у витражного остекления, в которой будет максимальная нагрузка от солнца, или делится высокое помещение на стратифицированные зоны для имитации изменения температуры с высотой (в программах, не поддерживающих этот эффект явным образом).

Элемент «пространство» является базовым для разбиения внутреннего объема по схеме gbXML. В рамках этого формата существует ограничение на форму пространств: они не могут иметь геометрию, расширяющуюся вверх. Это необходимо помнить, в том числе, при работе в Autodesk Revit, где построение геометрии BEM-модели ведется в рамках схемы gbXML.
Второй особенностью схемы gbXML является то, что она заменяет стены на плоскости по середине стены. Если в архитектуре существуют стены разной толщины, состыкованные по наружним поверхностям (а так чаще всего и бывает), то при расчете в месте стыковки возникнет "щель". Некоторые программы могут "ругаться" на это или, что хуже, обработать это по-своему и исказить результаты расчета. Так было, например, в уже упомянутой Green Building Studio до недавнего момента. Текущая версия уже не чувствительна к таким "щелям" и обрабатывает их без влияния на результат.
Полы заменяются на плоскости, ограничивающие их сверху, крыши - на плоскости, ограничивающие их снизу. Остекление заменяется на плоские многоугольники по середине ограждающих конструкций, куда оно вставлено. Это, в частности, вызывает смещение световых фонарей, на что так же часто "ругаются" расчетные программы.
При всем желании использовать уже готовую архитектурную модель хотя бы как базис для модели энергопотребления здания это вряд ли получится сделать даже в самых дорогих программах. Заявления о возможности импорта геометрии следует читать между строк - после импорта вам все равно придется "допиливать" модель, причем, как показывает практика, время на "допил" сопоставимо с воссозданием модели с нуля. Увы.