Open BIM / Analizy i symulacje modeli BIM

Technologia BIM to doskonałe narzędzie wspomagające proces podejmowania decyzji projektowych. Wykorzystywanie cyfrowego modelu 3D w BIM to nowe możliwości wykonywania analiz i wieloaspektowych symulacji, między innymi szacowania energetycznego.

  • Technologia BIM, czyli projektowanie zintegrowane
  • Rodzaj i możliwości wykorzystania danych zgromadzonych w BIM
  • Narzędzia programowania wizualnego w tworzeniu i modyfikowaniu elementów modelu
  • Oszacowanie energetyczne jako wsparcie procesu projektowania w ARCHICAD
  • Wykorzystanie systemu BIM na przykładzie szacowania energetycznego

Rozwój technologii BIM umożliwił modernizację tradycyjnego podejścia do procesu budowlanego i wdrożenie projektowania zintegrowanego. Polega ono na nieliniowym procesie projektowym z udziałem, od początku, wielu interesariuszy (oprócz architektów, np. inwestora, użytkownika budynku, projektantów branż, rzeczoznawców czy kosztorysanta). W takiej sytuacji ważne decyzje projektowe mogą być dyskutowane i podejmowane już na wstępnym etapie inwestycji. W tradycyjnym podejściu projekt tworzony przez architekta jest uzupełniany i weryfikowany przez innych uczestników (np. audytora energetycznego, projektanta instalacji czy konstrukcji) dopiero na późniejszym etapie prac. Może się zatem okazać, że przyjęte na wstępie założenia wymagają korekty, a aktualny poziom zaawansowania projektu utrudnia wprowadzenie niezbędnych zmian.

Dane BIM

Technologia BIM dostarcza wielu narzędzi pozwalających na tworzenie modelu budynku oraz analizowanie związanych z nim informacji i zarządzanie nimi. W kolejnych etapach precyzowane są nie tylko informacje o geometrii elementów budynku, ale również o ich właściwościach fizycznych i innych cechach niegeometrycznych. Dane te są gromadzone w programie ARCHICAD w parametrach „materiały budowalne”, „struktury warstwowe” oraz w systemie „właściwości” (elementów budynku). Struktura właściwości może być dowolnie modyfikowana i dostosowywana do rodzaju projektowanego obiektu. W podstawowych ustawieniach obejmuje ona między innymi:

dane przegród (np. współczynnik przenikania ciepła, poziom izolacyjności akustycznej),
dane opisujące wykorzystanie pomieszczeń (np. liczba użytkowników, wymagania komfortu użytkowania, przeznaczenie), dane związane z ochroną przeciwpożarową (np. klasa odporności ogniowej, dymoszczelność),
dane konstrukcji (np. technologia wykonania, klasa betonu i stali),
informacje formalne (np. specyfikacje, osoby odpowiedzialne i role w projekcie).

Dane związane z modelem mogą być na wiele sposobów analizowane i wizualizowane. Warianty graficzne pozwalają na skuteczną komunikację pomiędzy uczestnikami procesu inwestycyjnego. Ten sam model może być źródłem różnorodnych schematów generowanych automatycznie na podstawie reguł zawierających kryteria wyboru elementów uwzględniających opisywane powyżej właściwości.

W najnowszej wersji programu ARCHICAD 22 informacje zawarte we właściwościach (elementów) mogą być przetwarzane na podstawie wyrażeń logicznych lub obliczeń. Umożliwia to ich dowolną analizę i prezentację w nowych ujęciach, automatyczne przygotowanie przedmiarów i kosztorysów, testowanie spełnienia określonych warunków (np. czy wybrane elementy mają zdefiniowane odpowiednie parametry, czy powierzchnia okien w pomieszczeniu odpowiada wymaganiom lub czy spełniono oczekiwania inwestora w zakresie wielkości pomieszczeń).

Zawarte w modelu BIM informacje mogą być użyte do przygotowania automatycznej dokumentacji i współdzielone w całym procesie realizacji inwestycji w oparciu o standardy Open BIM i format IFC. Pozwala to architektom na przekazywanie tych informacji do pozostałych projektantów lub inwestora w celu weryfikacji założeń i podejmowanych decyzji projektowych. W zależności od potrzeb, ustawienia translatorów IFC pozwalają na wybranie zakresu eksportowanych danych. Przy wykorzystaniu formatu IFC model wraz z informacjami może być analizowany i oceniany w innych narzędziach BIM, takich jak np. Solibri Model Checker – program do automatycznej kontroli jakości i poprawności modeli BIM.

Programowanie wizualne

Wiele zagadnień projektowych można skutecznie analizować i symulować przy użyciu dodatku Grasshopper – ARCHICAD Live Connection, który umożliwia wykorzystanie narzędzi programowania wizualnego do tworzenia i modyfikowania elementów modelu oraz przetwarzania informacji przy pomocy dowolnych algorytmów i funkcji. Dodatek dostarcza komponenty BIM identyczne z tymi stosowanymi w programie ARCHICAD oraz narzędzia do dekonstrukcji istniejącego modelu i wykorzystania informacji o geometrii lub cechach elementów do analiz lub symulacji.

Elementy budynku mogą być tworzone na podstawie zaawansowanych algorytmów, co pozwala na włączenie do procesu projektowania automatycznej optymalizacji, wykorzystanie zjawisk fizycznych, modelowanie i przygotowanie do fabrykacji złożonych elementów budynku lub generatywne poszukiwanie formy, np. na podstawie losowych wartości. Przy pomocy połączenia z programem ARCHICAD użytkownicy programu Grasshopper mogą korzystać z zalet środowiska BIM i współpracować z projektantami branżowymi w oparciu standardy Open BIM.

Oszacowanie energetyczne

Szczególnym przykładem możliwości wsparcia procesu projektowania w programie ARCHICAD jest zastosowanie systemu „oszacowanie energetyczne”. Wykorzystujące dynamiczną technologię symulacji energetycznej budynku oszacowanie energetyczne pozwala projektantom monitorować i kontrolować parametry mające wpływ na wydajność energetyczną budynku. Proces ten może odbywać się na wszystkich etapach projektu, co pozwala architektowi podejmować świadome decyzje dotyczące formy lub struktury budynku.

Rys. 1. Przykładowe zestawienie zysków i strat energii w budynku mieszkalnym jednorodzinnym wykonane na etapie koncepcji

Bazą do analizy zagadnień energetycznych jest model 3D tworzony w trakcie projektowania i uzupełniony o dodatkowe informacje dotyczące poszczególnych elementów, np. właściwości fizyczne materiałów budowlanych w strukturach warstwowych przegród, tj. gęstość, ciepło właściwe, współczynnik przewodzenia ciepła. Moduł „oszacowanie energetyczne” pozwala na zdefiniowanie pozostałych parametrów niezbędnych do przeprowadzenia symulacji, takich jak np. charakterystyka klimatu, podział na bloki termiczne, sposób użytkowania pomieszczeń, instalacje wykorzystywane w budynku lub specyficzne parametry przegród i otworów w budynku.

W trakcie projektowania na bieżąco można śledzić zachodzące zmiany efektywności energetycznej i oddziaływania budynku na otoczenie. W obliczeniach uwzględniane są takie zagadnienia jak nasłonecznienie, budynki sąsiednie, geometria elewacji, co pozwala np. na wprowadzanie odpowiednich rozwiązań w celu ograniczania przegrzewania budynku w okresach ciepłych. W odróżnieniu od innych prostych narzędzi stosowanych do obliczania charakterystyki energetycznej oszacowanie energetyczne uwzględnia dokładną geometrię budynku i otoczenia – głębokość osadzenia okien, zewnętrzną strukturę budynku, np. zadaszenia, budynki sąsiednie, a także drzewa (rys. 2). Uwzględnienie np. zjawiska opadania liści umożliwia obliczenie dodatkowych zysków słonecznych przez częściową penetrację promieni słonecznych do wnętrza budynku zimą.

Rys. 2. Analiza solarna – procentowy udział bezpośrednio nasłonecznionej powierzchni okna w roku w zależności od geometrii budynku i otoczenia.

Przykład wykorzystania systemu – oszacowanie energetyczne

Wpływ mostków cieplnych na charakterystykę energetyczną budynku jest ważnym zagadnieniem w projektowaniu budynków energooszczędnych i pasywnych. Analiza może być wykonana w programie ARCHICAD na podstawie modelu BIM w dodatku EcoDesigner Star. Ograniczanie wpływu mostków cieplnych można osiągać prostymi metodami projektowymi. Jak widać na rysunku, w pierwszym wariancie attyka jest murowana z cegły pełnej lub bloczków wapienno-piaskowych. Od zewnętrznej strony attyka jest ocieplona tą samą grubością styropianu co reszta ściany, natomiast od wewnętrznej strony styropianem λ=0,031 W/mK o grubości 4 cm. Takie rozwiązanie w pierwszej chwili może wydawać się wystarczająco dobre. Okazuje się jednak, że wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ mostka termicznego wynosi 0,08 W/mK dla wymiarowania zewnętrznego.

Rys. 3. Detal attyki dachowej. Rozwiązanie standardowe (3.1) i po wprowadzeniu ulepszeń (3.2)

Aby zminimalizować wpływ takiego mostka, ocieplono ściankę attykową od góry dodatkową warstwą styropianu λ=0,031 W/mK o grubości 6 cm oraz zwiększono grubość styropianu λ=0,031 W/mK od strony dachu do 6 cm. Dodatkowo zastosowano „przekładkę” termiczną przez wymurowanie fragmentu ściany attykowej z bloczków z betonu komórkowego λ=0,1 W/mK. Dzięki tym działaniom osiągnięto wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ wynoszącą -0,028 W/mK dla wymiarowania zewnętrznego.

Jak duża jest to różnica? Jeśli założymy, że nasz budynek ma wymiary 14 x 9 m, to długość mostka cieplnego wyniesie ok. 46 m. Różnica między tymi dwoma rozwiązaniami ocieplenia ścianki attykowej dla budynku w rejonie Warszawy wynosi ok. 439 kWh energii cieplnej rocznie. Przy założeniu, że budynek jest parterowy i ma 120 m2powierzchni użytkowej, rozwiązanie standardowe wiąże się z zapotrzebowaniem większym o 3,66 kWh/(m2rok). Dla przypomnienia – budynki pasywne powinny całościowo osiągnąć zapotrzebowanie na energię użytkową do ogrzewania i wentylacji maksymalnie 15 kWh/(m2rok).

***

Korzystając ze zintegrowanego środowiska BIM programu ARCHICAD, można wykonywać wybrane analizy i symulacje na dowolnym etapie projektowania. Ułatwia to weryfikację założeń początkowych, podejmowanie decyzji projektowych, przygotowanie dokumentacji i komunikację ze wszystkimi uczestnikami procesu realizacji inwestycji, a w efekcie minimalizuje koszty wynikające z konieczności naprawiania błędów.