DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.12.047
基于BIM模型的建筑风环境可靠性分析
谭献良1, 2，管昌生1，卢艺伟2，陶俊1
(1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉，430070；
2. 湖南城市学院 规划建筑设计研究院，湖南 益阳，413000)
摘 要：
与BIM技术，分析建筑风环境的随机特征，导出流体介质随机控制方程，采用小参数方法建立随机有限元模型。考虑风环境的随机性，分析超越概率风环境评价指标，提出建筑园区可视化BIM建模步骤。在此基础上，提出风环境舒适可靠度的概念，导出舒适可靠度计算公式。依据BIM模型与建筑规范标准，建立建筑风环境BIM模拟与可靠性评价方法。研究结果表明：该方法对建筑风环境随机影响分析更加符合工程实际，对建筑风环境评价与设计具有应用价值。
关键词：
中图分类号：TU11 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)12-4732-06
Architecture reliability analysis in wind environment based on BIM model
TAN Xianliang1, 2, GUAN Changsheng1, LU Yiwei2, TAO Jun1
(1. Wuhan University of Technology, College of Civil Engineering and Architecture, Wuhan 430070, China;
2. Hunan City University, Institute of Urban Planning & Architecture Design, Yiyang 413000, China)
Abstract: Based on the reliability theory and building information modeling (BIM) technology, the random characteristics of wind environment were analyzed, the fluid stochastic control equations was derived and stochastic finite element model was obtained with small parameter method. Considering the randomness of wind environment, the probability of wind environment assessment index and the construction zone visualization BIM modeling step were proposed. Based on the research, concept of environmental comfort and reliability was created, and the comfortable reliability calculation formulas were derived. According to BIM models and building code standards, the BIM building wind environment simulation and reliability evaluation method were established. The results show that this method is more effective in analyzing the complex random effect of wind environment around building and has more value for evaluation and design of wind environment around building.
Key words: architecture; wind environment; random effects; building information modeling (BIM) technology; reliability
近年来，随着建筑信息化技术的发展，以建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术为手段对建筑行业的各个阶段进行应用与研究已越来越受到业界的重视。人们对建筑风环境的研究主要采用现场测试、风洞试验和CFD数值模拟等方法[1-2]。风洞试验结果表明，高层建筑气流引导影响随建筑高度变化而变化，并影响到周围建筑的气流动向。Selvam[3]基于房屋试验模型，提出了风参数标准模型；David[4]在伦敦Vauxhall地区对2座高层建筑进行了风洞试验，并分析了建筑前后的风环境影响；Bakert[5]对一高一低2个建筑模型建筑绕流进行了风洞试验；Livesey等[6]基于风洞建筑模型及风速场分布研究，对建筑风环境进行了评价分析；Williams等[7]对加拿大的渥太华市中心地区进行了风洞试验，试验模型宽度达7.3 m，同时还利用实时通信技术对机场附近3座建筑物进行15月实测；张士翔[8]利用模拟方法对深圳福田商场进行了风洞试验；何连华等[9]也对成都来福士广场进行了风洞试验研究。当前的研究主要集中在BIM建模、建筑节能、施工管理、数据传输等方面，如Faghihi等[10]基于BIM专家系统方法研究了建筑施工工期预测遗传算法；Kim等[11]在建筑热能研究中建造了一种BIM资料库；Akbarnezhad等[12]在建筑变更设计中基于BIM技术研究了经济性与环境评价方法；Lawrence 等[13]基于建筑信息模型及造价数据建立了一种逻辑联系方法；Kota等[14]应用BIM技术对光照环境进行了模拟研究；Park等[15]研究了BIM建筑能耗评价方法；Gupta等[16]建立了基于BIM开发平台的太阳能模拟技术；Isikdag等[17]应用BIM技术建立了地质环境与火灾响应模型；Lee等[18]基于BIM技术研究了3D城市建设的经济性问题。建筑工程BIM技术已经在建筑设计、管道碰撞检测等领域得到广泛应用，但对风环境的应用还不多见。建筑工程风环境分析的难点是风荷载的不确定性，要正确描述风环境对建筑的影响，应充分考虑风环境随机影响因素，建立可视化模型，实现建筑形体及功能布置、风环境在建筑群体的随机流动性，采用随机流场有限元分析，获得风特征指标与离散型状态，进而应用可靠性理论，对建筑风环境及建筑各类指标进行可靠性分析与评价。BIM可靠性评价的主要方法是采用BIM技术将风环境研究与建筑舒适度概念相结合。本文作者基于风环境不确定性因素分析，运用可靠性理论，提出建筑风环境可靠性分析方法，并结合BIM模型与计算预测方法，对建筑舒适度提出新的指标即建筑舒适可靠度；考虑建筑风环境的不确定性，其中主要考虑随机风环境影响，对传统舒适度提出更加符合实际建筑环境的分析方法，进而建立舒适可靠度计算方法。
1 风环境随机分析
1.1 风环境随机因素分析
事实上，建筑风环境随自然因素呈现出的不确定性是显著的。以往的研究多关注确定性风环境模型，因此，在具体应用时可能会产生较大误差，影响设计准确性。与建筑相关的风环境不确定性主要包括风速、风压、建筑边界、其他环境等不确定性。由于广义的不确定性极其复杂，本文仅限于研究风环境的随机性问题。不失一般性，仅考虑风环境的具体关键随机特征，如风速或风压随机性对建筑设计的影响。
1.2 风环境空气动力学模型
忽略大气的可压缩性、温度变化因素以及砌体力的作用的基本方程包括连续性方程和Navier-Stokes方程。记
为实际风速(其中：Ui为随机风的均值，
为随机风的微小随机部分)，代入连续性方程和Navier-Stokes方程，可得：
(1)
(2)
(3)
(4)
Ui满足第Ⅰ类方程(1)和(2)，满足第Ⅱ类方程(3)和(4)。这是湍流流动均值与随机微分方程组，第Ⅰ类方程组采用确定性方法求解，而第Ⅱ类随机方程组可采用随机级数方法求解。
1.3 湍流速度场小参数摄动随机有限元法
在随机湍流模型的有限元法中，假设系统的某一参数λ (风速或风压等参数)是随机扰动的，对该参数建立随机场模型后，其扰动量可以用1个随机小参数α来表示，即将λ表示为确定部分和随机部分之和。记
(其中，
为λ的均值；α为均值为0的随机变量，反映了参数λ的随机性)，对于随机场，α可由离散后的随机向量来表示。对随机变量α离散后，可以化为随机向量α。当有限元离散网格确定
后，记 n为随机向量α中随机变量总数，
，
为在位置
处t时刻的速度。假设未知速度场列阵可表示为Taylor级数：
(5)
将式(5)代入控制方程(1)~(4)，舍去高阶微量，可得如下递归方程组：
(6)
(7)
(8)
(9)
对式(7)，需要求解n次线性代数方程组；对式(8)，需要求解n2次线性代数方程组。利用速度场向量{u}0，可得速度场向量的一阶变异量{u}k，可得速度场均值和方差。
2 BIM建模方法
对于建筑设计，可以采用Sketch up 软件建立初步模型，通过地形图可以方便地生成3D几何体，并实现复杂地形三维建模。在模型中能够快速获取任何位置剖面和建筑内部结构，同时可以导入AutoCAD进行处理。此外，将Revit 或3DMAX等软件结合使用，能够快速导入/出DWG，DXF，JPG和3DS格式文件，实现方案构思、效果图与施工图绘制的完美结合，并提供与AutoCAD和ARCHICAD等设计工具的插件。在模型制作过程中，可利用软件中自带的组件库和材质库，实现方案演示视频动画，全方位表达设计师的创作思路，利用软件的透视和渲染等功能进行效果显示，并根据风环境指标，进行风环境计算与分析。可以应用Phoenics软件来实现风环境分析，并对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑黏度、密度、温度变化的影响。在流体模型中，Phoenics内置了22种适合于各种雷诺数Re的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及k-e模型的各种变异，共计21个湍流模型、8个多相流模型、10多个差分格式。 应用Phoenics的VR(虚拟现实)可以直接读入Pro/E建立的模型(需转换成STL格式)，使复杂几何体的生成更加方便，在边界条件的定义方面也极简单，并且网格自动生成。
3 风环境超越评价方法
超越风速概率评价方法是标准适合程度评价的重要方法，它是通过判断风速度超过某一标准值的概率，进而对风环境进行评价。超越风速评价方法引入了概率统计方法，考虑了特定时间跨度内状况，通过风速超越比率进行判断。该方法的基本原理是：在建筑物周围行人区，若平均风速v＞5.0 m/s出现的频率＜10%，则行人不会有什么抱怨；当频率在10%~20%之间时，抱怨将增多；当频率＞20%时，应采取补救措施以减小风速。另外，行人在风速分布不均区域活动时，若在＜2.0 m的距离内，平均风速变化达70%，即从低风速区突然进入高风速区，人对风的适应能力会减小。所以，人在某位置是否安全、是否舒适，取决于该位置风速及周围风速分布。通过风速模拟分析，可获得近地面人可涉足的位置、在不同风向影响下的平均风速和气流方向，据此计算舒适参数。
根据前面所述并参考我国现有标准规范，当风速低于1.0 m/s 时，行人基本感受不到风，该风速下的城市街区被称为风阴影区；当风速在1.0~5.0 m/s之间时，是风环境舒适的风速范围，5.0 m/s 为判断人行高度处风速是否舒适的界限指标，超过该数值的风速可被视为不舒适；当风速为 5.0~7.3 m/s时，人行高度处风环境已达不舒适程度，但不会影响人们的正常活动，7.3 m/s 为判断风速是否已经大到会影响人们正常行动的程度，超过该值时，城市建成环境中的风环境会极大地影响人们的正常行为；当风速大于7.3 m/s 时，风环境已达恶劣程度，严重影响行人的正常活动。
4 建筑风环境可靠性分析
4.1 风环境随机因素
风环境对建筑的影响主要体现在2个方面：1) 风环境的固有特征，即风在不同季节、不同时段、不同方向所产生的空气流动具有明显的不确定性。以往的研究往往将风荷载作为确定性进行分析，从而导致计算模型的可靠性较低。因此，研究风环境对建筑物、建筑小区乃至城市区域的影响，宜考虑风荷载发生的不确定性，并以随机风模型进行分析。2) 由于现代许多建筑设计表现为不同风格、不同造型及复杂的周边环境，使得建筑区域内各类建筑条件极其复杂，也会经常出现不确定性的问题，如交通网、生态系统、舒适度评价等因素。在建筑风环境分析或评价中，宜将这些因素考虑为随机影响或模糊因素，据此给出的评价将最大限度地兼顾各类不确定性因素的影响，从而为建筑设计提供科学依据。
由于风环境分析的复杂性、风环境分析的复杂性，为了简便，本文仅考虑风速的随机性因素，而讨论的建筑区域边界考虑为确定性。风压的作用受风速影响，显然具有随机性。本文仅考虑风速随机性及其对舒适度的影响。
4.2 风环境舒适度可靠性分析方法
4.2.1 建筑环境风速设计标准值
为了简便，记vd为建筑设计时考虑的舒适度风速。vd设计值可以采用理论分析、试验研究、设计经验以及人员居住感受等因素综合考虑，并参照国家标准或规范获得。定义vd的控制范围为Ω={v′＜vd＜v″}(其中，v′和v″分别为设计风速控制指标的下限与上限)。
4.2.2 实际风速vr
设vr为现场实际风速，通常用测试方法获得，也可利用风洞模拟技术、数值模拟方法获得其近似值。vr实际上与建筑区域的环境条件、建筑布局、房屋间距、房屋高度、房屋容积率、舒适度等因素有关。
4.2.3 基于舒适度的可靠性计算方法
建筑园区舒适度可靠性的定义为vr控制在设计值vd范围之内的可能性，可以用vr＜vd事件发生的概率来表示：
Ps=Ps(vr＜vd) (10)
按可靠性评价理论，按照设计值确定的设计园区，在某个时段风载作用下人员居住的舒适度可靠性，P的相应计算值称为舒适可靠度。
舒适可靠度反映了建筑在实际运行阶段实际舒适度产生的可能性，是对确定性设计评价方法的较全面解释，尤其考虑了风环境的不确定性本质。
式(13)的计算依赖于随机变量vr与vd的概率分布规律。若vr与vd的概率分布密度函数为f(qr，qd)，则式(10)可以改写为
P=P(vr＜vd)=
(11)
假设vr和vd相互独立，且f(vr)和f(vd)分别为vr和vd的概率分布密度函数，则式(11)可改写为
P(vr＜vd)=
(12)
当vr和vd为正态分布时，定义Z=vr-vd，则Z服从正态分布，
，
为符合设计规范要求的舒适度可靠性事件。建筑园区风环境舒适可靠度概率为
Ps=P(vr＜vd)=
(13)
令
，记β为可靠性指标，则
(14)
(15)
式中：
为标准正态分布函数；β为可靠度指标；
与
分别为风速vr的均值与标准差；
与
分别为风速vd的均值与标准差。
5 工程实例
5.1 工程背景
某项目位于湖南益阳市湖南城市学院校园西北角，北临学府路，西临团圆路，总规划面积为35 748.27 m2，总建筑面积为149 475m2，计容建筑面积为 125 283 m2。该项目在规划设计上考虑城市学院及周边关系，采取大组团围合内院式布局。本文根据项目的现有规划设计方案，应用BIM模拟技术和舒适可靠度分析方法，对建筑园区的风环境影响进行研究。
5.2 BIM模拟步骤
应用Phoenics软件进行风环境模拟，将sketchup模型导入3DMAX形成STL文件，打开该STL文件及VR，建立新case,，选择Flair模块及VR中Obj新建建筑模型。在shape选项中，应用Import CAD 及geometry STL file 功能，形成STL文件。点击Menu中Geometry建立模拟区域范围。在Type中选择Wind和Attributes功能设置风环境参数，并设置Numerics次数和间隔。
5.3 BIM模拟计算
应用PHOENICS2011商用软件进行模拟计算。依据总平面设计施工图、建筑、装修设计施工图建模。
5.3.1 计算内容
计算内容包括建筑周围人行区1.5 m处风速、建筑迎风面与背风面风压。
5.3.2 计算条件
1) 当地气象数据、风场边界条件。据益阳市气象参数如下： 冬季最多风向为东北北(NNW)，平均风速为2.4 m/s；过渡季、夏季最多风向为南(S)，平均风速为2.4 m/s；平均风速的标准差分别为0.1和0.2。
2) 几何边界条件。几何边界包括总平面施工图设计所包含的建筑群和周边方圆100 m范围内建筑。当考虑风速的变异性时，本文仅考虑右偏差，并以2.7 m/s和2.9 m/s作为初始模拟输入值。
5.3.3 舒适度指标
考虑园区的舒适度指标均值为5.0 m/s。考虑到设计指标的离散型较弱，可取其方差为0.01，计算舒适可靠度。
5.4 模拟计算结果分析
计算结果分析如图1和图2所示，确定该项目建筑在全年中典型风速和风向条件下的1.5 m高处风速云图、风速矢量图以及建筑迎风面和背风面风压图。分析结果见表1。
在各个工况下，项目建筑周围最大风速都小于5.0 m/s，且风速放大系数均小于2，建筑场地周围没有出现明显漩涡、死角；过渡季、夏季的迎风面和背风面的风压差均大于1.5 Pa，有利于自然通风。 然而，当考虑计算输入风速具有变异性时，小区内的局部极值风速可能会达到或超过5.0 m/s，如图1和图2中位于小区西南角的2座高层建筑，周边风速最高达5.3 m/s。根据可靠度计算式(14)和(15)，在不同风速下，园区舒适可靠度指标如表2所示。
图1 输入风速为2.4 m/s时的环境风速云图
Fig. 1 Nephogram of environment wind speed when input wind speed is 2.4 m/s
图2 输入风速为2.4 m/s时的环境风速矢量图
Fig. 2 Vectorgraph of environment wind speed when input wind speed is 2.4 m/s
表1 各工况下室外风环境模拟结果(均值)
Table 1 Simulation results of outdoor wind environment under various of working conditions(average values)
表2 不同变异性风环境参数及舒适可靠度Ps计算值
Table 2 Ps calculated value of comfortable and reliable indicator in different variability wind environments
5.5 风环境舒适度可靠性评价
冬季典型风速和风向条件下建筑周围人行区 1.5 m处风速小于5.0 m/s，且室外风速放大系数小于2；过渡季、夏季场地内人活动区不出现漩涡或无风区，满足建筑自然通风。从可靠性分析结果可以看出：在模型中输入风速为2.4 m/s时，计算区域出现的风速小于5.0 m/s；当考虑风速变异性时，舒适可靠度最小值达0.976；当以2.7 m/s与2.9 m/s为输入风速时，超过舒适度标准值的范围不大，仅限位于园区南部的2栋住宅楼周边局部。因此，整体上，本项目的规划设计对风速的控制效果良好，其舒适可靠度较高。
6 结论
1) 在建筑环境设计中，由于风环境影响的复杂性尤其是风作用的随机性，目前最接近工程实际的分析方法主要是随机场分析方法和可靠性评价理论。将BIM技术与风环境模拟方法相结合，能够更加直观、精确地对风环境进行评价。
2) 针对风环境，对常规流场方程进行改进，导出了相应的随机流场控制方程及相应的小参数随机摄动计算方法，将风速概率计算值作为舒适可靠度评价的计算输入值。
3) 通过BIM技术建模与舒适可靠度分析，考虑风环境设计标准，得到风环境建筑舒适可靠度评价方法与计算公式，采用推导的公式计算的舒适度设计值符合标准值的可能性(即可靠度)，更符合工程实际。
4) 目前基于BIM技术与可靠性理论在风环境分析的研究成果并不多见。由于建筑园区边界条件及其周边环境扰动的影响，对风环境分析及舒适可靠性评价较复杂，这有待进一步探讨。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-04-10；修回日期：2015-06-12
基金项目(Foundation item)：国家国际科技合作专项(2015DFA90450)；湖南省科技计划项目(2015GK3031)；湖南省住房和城乡建设厅科学技术项目(KY201418) (Project(2015DFA90450) supported by the International Science & Technology Cooperation Program of China; Project(2015GK3031) supported by the Science and Technology Program of Hunan Province；Project(KY201418) supported by the Science and Technology Plan of Housing and Construction Department of Hunan Province)
通信作者：管昌生，教授，博士生导师，从事结构设计及BIM技术应用研究；E-mail：guancs2008@126.com
摘要：结合可靠性理论与BIM技术，分析建筑风环境的随机特征，导出流体介质随机控制方程，采用小参数方法建立随机有限元模型。考虑风环境的随机性，分析超越概率风环境评价指标，提出建筑园区可视化BIM建模步骤。在此基础上，提出风环境舒适可靠度的概念，导出舒适可靠度计算公式。依据BIM模型与建筑规范标准，建立建筑风环境BIM模拟与可靠性评价方法。研究结果表明：该方法对建筑风环境随机影响分析更加符合工程实际，对建筑风环境评价与设计具有应用价值。
