什么是CFD?BIM与CFD整合应用时需要面对哪些挑战?

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如何将建筑及工程中一些分析所需的模型纳入BIM的工作流程，一直是业界的热门话题之一，其中BIM与流体动力学模拟(CFD)的整合更是常常被讨论到。常见建筑相关的CFD模拟有两类应用─室内通风及空调设计、建筑物外之流场分析。尽管BIM与CFD的整合常在BIM的加值应用里被提及，也有不少实际使用的案例，但在更普遍的使用上还有一些进步的空间。

首先介绍一下CFD，CFD是分析流体在三维空间中流动的工具。在复杂的情况下，测量往往是很困难的，尤其在建筑、空调设计的设计时间，无法直接进行实体试验及测量，而缩尺的实验既昂贵也同样有误差的问题，因此CFD常用来作为建筑设计在做通风分析、空调设计，以及建筑物外流场分析之工具，室内风场的分析能帮助我们决定窗户的位置、窗户开口的形式、出风回口的位置设置等对室内空气流动及人们舒适度的影响。

而从室外的流场分析，则能得到建筑物的风压，建物对室外行人的影响，并讨论室外设备设置的位置。CFD是将流场的控制方程用计算数学的方法，将其离散到一系列网格节点上，求其离散的数值解。而以建物来说，在做CFD仿真时，工程师或建筑师就必须知道所要模拟之范围以及定义边界及边界条件，而这些范围及边界的几何性质则可以从BIM的信息中提出，以往就算没有BIM模型，工程师与建筑师在做CFD模拟时，还是常需要先建立CAD模型，再将CAD模型的几何讯息导入从事CFD仿真的软件中，若能妥善的运用BIM模型，将可以缩短为了CFD模拟所需的建模时间，也能提升使用者的使用意愿，让使用者更愿意进行CFD的分析。另外，BIM模型也常会带有空调设备等讯息如出风口位置等，这些也常是CFD模拟设定边界条件时所需的信息，若能妥善运用，将能大幅缩短设定时间。

在实际应用上，以Autodesk Revit所建的BIM模型为例，因为Autodesk公司自己也有旗下的CFD软件如：Autodesk CFD，所以他们在格式转换上并没有太大的问题，多数BIM模型也能够透过格式的转换(.sat或是.stl)汇入CFD模拟中，市面上也有一些将Revit或是其他BIM模型转入其他常用CFD软件，如Ansys Fluent、Open FOAM的工具。然而，一个非以CFD模拟为主要目的所建立的BIM模型，往往包含相当程度的设计细节，但在CFD模拟时，我们反而会需要将许多细节简化，以提升模拟的效率。过多的细节，代表我们在模拟时会有过多的网格而造成过长的模拟时间，甚至有时候无法收敛。为了节省时间和计算器资源，我们会将从BIM导出的模型进行简化，只留下重要的部分，在导出前将不重要的部分滤掉，重新画一个简单的版本，将一些对象的形状跟特征简化，将干扰仿真的部分删除，并将很小的间隙合起来等。

但这代表在导出几何模型时，必须再投入很大一部分的心力做简化，所以有些工程师或是建筑师会选择干脆直接重画一个简化后的版本，认为这样所花费的时间反而比直接转出更少。另外，有些CFD仿真的软件并没有自己的几何编辑器，在网格的生成上，须倚赖其他软件的辅助，所以仿真流程就会多一个步骤，先将BIM导入网格生成工具后，再由网格生成工具导入CFD仿真软件中。另外也因为CFD模拟的是空间中没被画出来的部分(空气)，模型处理的是固体部分，在转换格式时有时须重新定义空间性质。这些额外的步骤，都容易增加使用者在使用上的困难度，并影响其使用意愿。而在几何信息以外的讯息传递，BIM还没有完全发挥它的优势，多数的边界条件信息必须要重新设定。

纵然有一些困难，不过BIM在CFD的分析及推广上，还是非常有帮助的。BIM在CFD分析应用的关键挑战之一，是缺乏明确的转换流程及整合性的讯息。像是BIM模型在建构时，若能有详细的准则来定义哪些对象未来将用于CFD模拟，在输出时将可减少设计者的困难。尽管研究人员根据不同的设计时间，发展了许多基于BIM模型的分析工作流程，但对于用在室内环境性能评估的BIM模型建构，尚无标准指南。另外一些工具的开发，若能辅助网格处理的生成并简化流程，或是在BIM模型中直接提取更多对于边界条件设定有帮助之讯息，都能有效强化BIM与CFD模拟的结合。

绿色BIM应用的发展，有赖BIM工程师，建筑师和其他设计师在整个设计过程中紧密合作，并保持开放态度，这种互相合作的关系将能强化BIM/CFD讯息转换的流程，并帮助BIM/CFD的整合逐渐建构出详尽的指南，让所有用户对可以使用的输入数据和所需的仿真输出，有更全面的了解，也能更轻松的在设计时间，将与流场风场相关的各项因素纳入设计中。

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