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Helsinki音乐厅（下）【BIM案例研究】
8、生命周期评估分析
从广义的生态学角度来看，生命周期评估(LCA)是很强大的分析、评估和比较设计选择方案的途径。因此，在设施的整体生命周期中，它需要多组测量值，例如施工、营运和维修成本、能源使用、用水量、建筑结构、技术系统和设备。有正确的沟通和应用工具，团队可以规划对于建筑生命周期的整体阶段可行的决策，从概念设计到施工到之后的设施营运及管理。
测量值随时间不断改良，使其越来越接近成本估算值。多数现行的LCA作法皆为使用2D图面和人工输入材料和建筑数据，这样相当浪费时间，且常常在设计-施工程序的晚期甚至竣工后才完成。BIM提供设计师和工程师在设计期间可以更快速地使用LCA软件整合数据的功能。BSLCA(Building ServicesLife Cycle Analysis)就是一种能快速整合的软件（见图八）。它和来自3D建筑模型的布局图及材质数据、来自建筑服务设计资料库的系统数据、来自商业HVAC-CAD软件的管道和管线数据、以及和来自建筑能源模拟的能源消耗数据连结在一起(Laine等，2001)。BSLCA—来可以在不同细化程度的建筑模型上进行操控的工具进行作业。包含SMOG，SMOG为一种空间建模软件，用来解决空间和建筑使用测量值；以及Systems Design软件连结至BSLCA数据资料库架构，以解决建筑范围内的所有服务：HVAC、电机、建筑自动化、厨房和医院设备。System Design工具亦能由项目工程师进行每日设计排程，把技术资讯储存到建筑服务数据库里。数据包含了电机材料、管线管道布局。这些建筑系统资料库也为设施管理系统在建筑营运阶段形成基本数据。Riuska被用来生成热能、冷却、内部设备和照明成本。BSLCA所需要的数值可以由不同软件所架构的外部工具所生成并汇入LCA资料库，由此可进行全球性的资产评估。

图八 BSLCA的架构，由LCA软件所整合。
Helsinki音乐厅设计团队使用BSLCA设定项目的基准点来比较设计方案：
1.将一个普通但完善的项目作为基准设计的假设，并使用类似施工方法。整体的热能消耗为114kWh/m2a，而音乐厅对于整体的热能消耗的设计目标则设定在105 kWh/m2a，如图五所示。
2.方案二在建筑营运阶段消耗较少的能源，但为了达成目标，它在施工阶段需要使用较昂贵但导热性能较佳的材质。生命周期分析是一种平衡建筑施工和营运阶段间能源消耗的有效方式。
图九为50年的生命周期结果，显示这两种设计方案有相似的生命周期能源消耗，而方案二在生命周期环境表现上则是略优。

图九 用LCA的分析比较两种设计方案
9、高品质室内环境设计的CFD模拟
计算流体力学(Computational fluiddynamics，CFD)为复杂的气流建模途径，可以同时预测建筑内和建筑四周的气流、热传导和污染传输。这种概念可以被用来评估热舒适度的程度、室内空气品质(IAQ)和建筑系统能源效率，对于建筑师、建筑HVAC设计师和建筑顾问及研究人员而言都是相当重要的层面。使用CFD的理想方式为在设计循环改良至最终设计的期间辅助协作。CFD不仅被当成是证明或是确认工具，同时也会影响到设计轮廓的形塑。在基地规划和自然通风设计及大型空间的HVAC系统设计上，CFD非常好用。但传统的CFD模拟软件的界面对于使用者并不太友善，其众所皆知的复杂度和高成本的程序必须要由专家来处理。不过BIM可以减少大量的作业并让一般设计师能更轻易使用CFD进行模拟。
ANSYS®CFX用来进行本案件的CFD分析。该软件由以下三个模组所组成：
•Preprocessor C几何、计算模型）
•Solver(计算）
•Postprocessor(视觉化）
软件由Granlund自己的BSPr中介软件所整合(Karola等，2002)，它从建筑在IFC格式里的3D模型读取几何资料。然后软件判定计算模型、边界条件和网络。结果由Solver所计算出来，并由postprocessor进行评估与视觉化。其结果可在虚拟现实境中进行视觉化。
在本项目中，CFD被用来评估HVAC系统设计。如D0E2.1的加热和冷却负载计算软件，负责一般被假设为空间中温度是完美均一地分布的节点网络。但对于大型开放空间，像建筑的门厅，这种假设常会导致HVAC系统被规划的太大，这样不仅浪费太多能源，也让人们感到不舒服。图十和十一为空气温度和流速在大厅中的分布的前后比较图。（注意流速的部分显示了气流变化，且流速并没有在开放空间中分区。）在图十中，我们可以发现初期的配置在上层有太多的热分层，在修正设计中，人多区相对分布均匀，且温度在23°C(73.4°F)以下。在图十一中，人类行为层的气流大约在0.25 m/s以下，将不会产生不舒适的感觉。CFD模拟被使用来优化HVAC系统。图十一显示HVAC系统的数据从高点往下减少了超过20%，但几乎不影响气流分布。 

图十整个大厅空间的空气温度分布。舒适范围为低于23度，扩大并包含了整个居住空间。

图十一大厅一部分的空气流速分布图。第二个分析结果显示在无负面影响的状况下，流速降低。
10、可改善设计品质和生产力的BIM
HVAC及Sprinkler网络建模
来自LCC分析和CFD的结果被输入到MagiCAD的模型中供MEP系统设计使用；能源和舒适度模拟则透过IFC被转译至MagiCAD之中（见图十二）。MagiCAD是以CAD为基础的软件，用在包含HVAC、给排水、喷淋和电机系统等建筑服务设计(Progman，2010)。它是完全2D及3D的装置，综合了尺寸调整、平衡的计算功能，还有流动路线检查、声强计算和材料组织清单。MagiCAD从IFC读取它的资料，所以机电工程师可以输入和输出设计模型的IFC资料，内有完整的几何和技术数据。Helsinki音乐厅案使用MagiCAD的目的如下：
•平衡网络
•压力计算
•声强计算
•实际生产数据
•材料清单
•输出IFC
•通道路径的开口定义

图十二 MagiCAD里的HAVC和喷淋模型
组合模型的碰撞检查
MEP设计者进行MEP系统的碰撞检查。然后再由Tekla的结构模型试验以检测错误。因为机电工程师和空调工程师都使用MagiCAD作业，他们随时可以对发生在通风、排水和机电间的安装冲突做交叉检测。MagiCAD可以定义开口的物件并略过他们回到结构模型，在使用Tekla的状况下，在结构模型中创建一个开口。此外，Navisworks被用来做视觉检查，Solibri则用来做模型检查/验证（平面空间、各系统间的冲突）。如同其他的检查软件，Solibri回报错误和生成错误产生处的萤幕影像。影像在之后可以被转换为pdf供浏览使用（见图十三）。

图十三 为布局和碰撞检查而组合模型
11、BIM流程和交换性问题
作为进阶分析和模拟工具，它们在每个建筑设计阶段的一般使用主要条件限制来自于费时的人工数据输入，特别是与建筑几何数据相关的资料。但IFC标准的持续发展，创造了设计软件间相互操作的新可能。在本项目中，IFC被用作开放式数据传输的数据储存库。OlofGranlundOy和Laurance Berkeley Labs、MIT、Halton Group共同开发中介软件——BSProCOM-Server，用来管理IFC的机电系统设计视图及机电分析(Karola等，2002)。使用此工具，软件开发者只需付出合理的心力便可在新的或现有的工具中与IFC达成兼容性（见图十四）。它提供可输入BSLCA、Riuska、MagiCAD和其他软件的资讯。

图十四 BSProCOM-Server对应IFC资料
12、结论与经验学习
Helsinki音乐厅项目提供了一些BIM技术装置的使用经验。
Riuska显示了能源分析是如何支持设计。它从建筑软件传输几何资料到热能分析模型中，使两个模型达到一致性。Riuska的使用展现在模拟两种幕墙玻璃的能源表现评估上。
生命周期分析(LCA)则比较了不同设计方案对环境的冲击。LCA是一种重要的分析型式，它在设计决策中扮演了极为重要的角色。BIM建筑模型中提取出材料和能源的使用，并成为LCA的关键。
计算流体力学(CFD)的模拟为复杂且耗时又高成本的程序，需要专家的帮助。BIM大量削去CFD模拟所需的工作，使CFD模拟让一般建筑师更易于使用。透过CFD模拟，大厅的HVAC系统减少了20%的负载。
利用整合一套分析和模拟软件为一般IFC模型视图和预处理器(BSPro)，Olaf Ganlund可以用合理的心力整合强大的建筑评估范围，并实践杰出的结果。通过BIM的使用，能源分析、LCC分析和CFD的结果可以被用于MEP系统设计。机电工程师和空调工程师都可以用MagiCAD作业并可随时在通风、排水和机电安装方面进行交叉碰撞检测。上述不只是经验，也是利益的所在。