Ứng dụng BIM để mô phỏng lượng nhiệt bức xạ mặt trời tác động lên một tòa nhà văn phòng ở thành phố Hà Nội

Mục tiêu chính của bài viết này là ứng dụng mô hình thông tin công trình (BIM) để mô phỏng và sơ bộ đánh giá tác động của lượng nhiệt bức xạ mặt trời lên các kết cấu bao che của tòa nhà văn phòng Technosoft ở thành phố Hà Nội trong năm 2010. Nghiên cứu đã sử dụng các số liệu quan trắc lượng nhiệt bức xạ mặt trời trong nhiều năm tại trạm khí tượng Láng, Hà Nội để so sánh với các kết quả mô phỏng của BIM.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ỨNG DỤNG BIM ĐỂ MÔ PHỎNG LƯỢNG NHIỆT BỨC XẠ MẶT TRỜI TÁC ĐỘNG LÊN MỘT TÒA NHÀ VĂN PHÒNG Ở THÀNH PHỐ HÀ NỘI Nguyễn Đức Lượng1*, Trần Thị Việt Nga2, Nguyễn Hồng Hiệp3, Hồng Minh Giang1, Nguyễn Bình Minh4 Tóm tắt: Mục tiêu báo ứng dụng mơ hình thơng tin cơng trình (BIM) để mơ sơ đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên kết cấu bao che tòa nhà văn phòng Technosoft thành phố Hà Nội năm 2010 Nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc lượng nhiệt xạ mặt trời nhiều năm trạm khí tượng Láng, Hà Nội để so sánh với kết mô BIM Các kết mô xu hướng diễn biến lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên tòa nhà Technosoft theo tháng hướng (Đơng, Tây, Bắc, Nam) năm 2010 tương đồng với số liệu quan trắc trạm khí tượng Láng Kết nghiên cứu cho thấy tiềm ứng dụng BIM mô đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên cơng trình xây dựng dân dụng Việt Nam, làm sở để xây dựng giải pháp thiết kế vận hành cơng trình cách phù hợp, góp phần nâng cao hiệu sử dụng tiết kiệm lượng cơng trình Từ khóa: Mơ hình thơng tin cơng trình (BIM); mơ phỏng; nhiệt xạ mặt trời Application of BIM for simulating impact of solar radiation heat to a office building in Hanoi city Abstract: The major objective of this study was to apply Building Information Modeling (BIM) for simulating and evaluating solar radiation heat to envelopes of Technosoft office building in Hanoi in 2010 The longterm monitored data of solar radiation at Lang meteorological station in Hanoi was used to compare with the results simulated by BIM The simulated results for variation trend of solar radiation heat to Technosoft building for different months and directions (East, West, North, South) in 2010 were similar to the monitored data of Lang meteorological station The findings of this study imply the potential for application of BIM in simulating and evaluating impact of solar radiation heat to buildings in Vietnam, as the basis for developing the proper designing and operating solutions for buildings, contributing to enhance building energy efficiency and energy saving Keywords: Building Information Modeling (BIM); simulation; solar radiation heat Nhận ngày 15/12/2017; sửa xong 29/12/2017; chấp nhận đăng 16/01/2018 Received: December 15th, 2017; revised: December 29th, 2017; accepted: January 16th, 2018 Mở đầu Mô hình thơng tin cơng trình (tên tiếng Anh: Building Information Modeling - BIM) q trình tích hợp hợp phần chủ chốt dự án trước triển khai, giúp dự án triển khai nhanh, tiết kiệm mặt kinh tế đưa giải pháp nhằm giảm thiểu tác động dự án đến môi trường xung quanh Trong xu phát triển ngành xây dựng cơng trình, BIM ngày áp dụng phổ biến rộng rãi nghiên cứu giảm thiểu chi phí xây dựng hạn chế rủi ro nguy tiềm ẩn thông qua công cụ quản lý [1-3] ; giảm thiểu tác động đến môi trường hướng tới xây dựng cơng trình xanh bền vững [4-9]; hướng tới giải pháp tiết kiệm lượng sử dụng lượng tái tạo cho TS, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng PGS.TS, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng KS, Viện Khoa học Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng SV, Khoa Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Xây dựng * Tác giả E-mail: luongnd1@nuce.edu.vn TẬP 12 SỐ 01 - 2018 83 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG cơng trình [10] Cấu trúc mơ hình thơng tin cơng trình BIM thể Hình Một ứng dụng hữu ích BIM lĩnh vực sử dụng lượng hiệu bên cơng trình hỗ trợ việc mơ phân tích đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời tới cơng trình xây dựng dân dụng Việc áp dụng BIM giúp cho chuyên gia thiết kế xác định vấn đề liên quan đến mức tiêu thụ lượng cơng trình, qua tối ưu hóa số giải pháp nhằm tiết kiệm lượng nâng cao hiệu sử dụng lượng công trình việc điều chỉnh vận hành hệ thống điều Hình Cấu trúc mơ hình thơng tin cơng trình (BIM) hòa khơng khí nhằm đạt nhiệt độ phù hợp cơng trình, giúp cho mơi trường khơng khí bên cơng trình đạt u cầu điều kiện tiện nghi nhiệt mà đảm bảo mục tiêu tiết kiệm lượng bên cơng trình, qua giúp giảm chi phí sử dụng vận hành cơng trình Bên cạnh đó, việc ứng dụng BIM giúp xóa bỏ rào cản việc kết nối giai đoạn trình thiết kế, thi cơng vận hành cơng trình sau Ví dụ, kết mô giải pháp giảm thiểu tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên cơng trình giai đoạn thiết kế đóng vai trò sở để điều chỉnh vận hành thiết bị sử dụng lượng bên cơng trình nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng tiết kiệm lượng Một số nghiên cứu nước giới cho thấy lợi ích việc ứng dụng BIM việc đánh giá lượng cơng trình Ví dụ, BIM ứng dụng để đánh giá tác động nhiệt độ mơi trường khơng khí bên ngồi điều kiện mơi trường khơng khí bên tòa nhà Student Lounge (tòa nhà M3), thuộc đại học Osaka, Nhật Bản nhằm đưa giải pháp điều chỉnh vận hành hệ thống điều hòa khơng khí tòa nhà cho phù hợp [11] Trong nghiên cứu khác [12], BIM ứng dụng để xem xét đánh giá ảnh hưởng việc lựa chọn hướng xây dựng mức tiêu thụ lượng vận hành công trình Storey House nằm đường Warwick, vùng Hertfordshire, phía Nam nước Anh Kết nghiên cứu cho thấy mặt tiền cơng trình quay hướng Nam hướng Đơng Bắc lượng điện tiêu thụ năm tương ứng 10475 kWh 11043 kWh Bên cạnh đó, BIM ứng dụng để xây dựng phát triển thư viện mô lượng tòa nhà kết cấu bao che (tường, mái nhà, cửa sổ) [13] Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng BIM lĩnh vực sử dụng lượng hiệu bên cơng trình Việt Nam chủ đề Do đó, mục tiêu nghiên cứu ứng dụng BIM để sơ mô đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên kết cấu bao che cơng trình xây dựng cụ thể - Tòa nhà văn phòng Technosoft, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội Phương pháp nghiên cứu 2.1 Bộ công cụ sử dụng để mô Trong nghiên cứu này, BIM với cơng cụ tính tốn hãng Autodesk bao gồm Autodesk Revit, Autodesk Formit Autodesk Insight áp dụng để mô đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên kết cấu bao che cơng trình (Hình 2) Dựa mơ hình 3D có nạp sẵn thơng tin vật liệu kính, gạch, bê tông, với thông số màu sắc, độ dày, độ dẫn nhiệt, nhóm nghiên cứu sử dụng mơ hình Solar Engery tích hợp sẵn phần mềm Autodesk Formit (phiên mà hãng phần mềm Autodesk cung cấp cho máy tính chạy Offline) 84 TẬP 12 SỐ 01 - 2018 Hình Mô đánh giá tác động xạ mặt trời lên cơng trình dân dụng BIM KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG phần mềm Autodesk Insight (phiên mà hãng phần mềm Autodesk cung cấp chạy Online Web Portal) để tiến hành mô lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên công trình Mơ hình Solar Engery sử dụng thơng số đầu vào nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí, tốc độ gió, thời gian mặt trời mọc lặn với thông số kết cấu bao che tòa nhà để tính tốn mơ lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên cơng trình dân dụng, sản lượng điện tạo thành từ lượng mặt trời Các kết đầu mơ hình cung cấp sở để đề xuất giải pháp sử dụng lượng mặt trời cho cơng trình điều chỉnh q trình vận hành hệ thống điều hòa khơng khí cho phù hợp với điều kiện thực tế góp phần nâng cao hiệu sử dụng lượng tiết kiệm lượng bên cơng trình 2.2 Mơ tả đặc điểm cơng trình sử dụng nghiên cứu TechnoSoft Building tòa nhà văn phòng tọa lạc Cụm Tiểu thủ Công nghiệp Công nghiệp Nhỏ - khu vực tập trung nhiều văn phòng cho thuê phố Duy Tân, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội Mặt tiền tòa nhà hướng phía Nam Xung quanh tòa nhà TechnoSoft hướng Đơng, Tây, Bắc có số cơng trình nhà cao tầng (>10 tầng) nằm kế bên (Hình 3) Tòa nhà TechnoSoft gồm có tầng & tầng hầm, diện tích sàn 760 m2 Diện tích kết cấu bao che theo hướng tầng tòa nhà TechnoSoft thống kê Bảng Hình Tòa nhà Technosoft Tương tự phần lớn tòa nhà văn phòng cao tầng khác Hà Nội, tòa nhà TechnoSoft sử dụng vật liệu kết cấu bao che chủ yếu kính, bên cạnh số loại vật liệu khác Flexalum Composite gạch ốp tường Thông số kỹ thuật loại vật liệu bao che sử dụng tòa nhà TechnoSoft thể Bảng Bảng Diện tích kết cấu bao che theo hướng tầng tòa nhà TechnoSoft STT Tầng Diện tích (m2) Hướng Đơng Hướng Tây Hướng Nam Hướng Bắc Tầng 103 95 129 129 Tầng 103 95 129 129 Tầng 103 95 129 129 Tầng 103 95 129 129 Tầng 103 95 129 129 Tầng 103 99 129 129 Tầng 103 99 129 129 Tầng 103 99 129 129 Tầng 107 81 134 124 Bảng Một số vật liệu sử dụng làm kết cấu bao che tòa nhà Technosoft STT Độ dày (mm) Màu sắc Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) Kính an tồn Tên vật liệu 10,38 suốt 0,78 Kính chịu lực 10,00 suốt 0,78 Kính chớp lật 4,00 suốt 0,78 Tấm Flexalum Composite 4,00 vàng/ghi/đen 0,33 Tấm thạch cao ốp tường 12,00 ghi trắng 0,23 Gạch Tuynel 55,00 đỏ nung 0,76 Gạch AAC 200,00 ghi trắng 0,22 Vữa trát 15,00 ghi 0,93 Bê tông cốt thép (mái) 120,00 ghi 1,55 TẬP 12 SỐ 01 - 2018 85 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 2.3 Số liệu khí tượng Nghiên cứu lựa chọn sử dụng thơng số khí tượng quan trắc năm 2010 trường hợp tính tốn cụ thể để mơ lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên kết cấu tòa nhà TechnoSoft năm 2010 Số liệu khí tượng sử dụng để mô bao gồm nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí, vận tốc gió, thời gian mặt trời mọc mặt trời lặn Các số liệu cung cấp trạm khí tượng gần (trạm khí tượng Láng) đặt phố Pháo Đài Láng, phường Láng Thượng, quận Đống Đa, Hà Nội, cách tòa nhà TechnoSoft khoảng 2,76 km phía Đơng Nam (Hình 4) Bên cạnh đó, nghiên cứu tham khảo Hình Khoảng cách từ tòa nhà TechnoSoft đến sử dụng số liệu xạ mặt trời đo trạm khí trạm khí tượng đặt phố Pháo Đài Láng tượng Láng, Hà Nội QCVN 02:2009/BXD-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số liệu, điều kiện tự nhiên dùng xây dựng [14] để so sánh với kết mô diễn biến lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tòa nhà TechnoSoft Kết thảo luận Kết sử dụng BIM để mô lượng nhiệt xạ đơn vị tác động lên kết cấu bao che tòa nhà TechnoSoft tầng tòa nhà TechnoSoft năm 2010 thể tương ứng Hình Hình Có thể nhận thấy rõ tồn phần mái tòa nhà chịu tác động lớn lượng nhiệt xạ mặt trời, gấp 1,42 lần so với tổng lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tầng Kết mô cho thấy tầng gần mặt đất ảnh hưởng lượng nhiệt xạ mặt trời giảm Tầng thấp (tầng 1) chịu tác động lượng nhiệt xạ mặt trời Một nguyên nhân nhờ che chắn cơng trình cao tầng xung quanh nên kết cấu bao che tầng gần mặt đất tòa nhà TechnoSoft chịu tác động trực tiếp xạ mặt trời Hình Mơ lượng nhiệt xạ tác động lên tòa nhà TechnoSoft năm 2010 Kết mô lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tòa nhà TechnoSoft theo tháng năm 2010 thể Hình Có thể nhận thấy tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che lớn so với tháng lại Kết mô tương đồng với xu hướng diễn biến giá trị trung bình tổng cường độ xạ tháng (trên mặt mặt đứng hướng Đông, Tây, Nam, Bắc) đo trạm khí tượng Láng, Hà Nội [14] thể Hình 86 TẬP 12 SỐ 01 - 2018 Hình Lượng nhiệt xạ tác động lên tầng mái tòa nhà TechnoSoft năm 2010 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Hình Tổng lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tòa nhà TechnoSoft theo tháng năm 2010 Hình Giá trị trung bình tổng cường độ xạ (trên mặt mặt đứng hướng Đông, Tây, Nam, Bắc) đo trạm khí tượng Láng, Hà Nội nhiều năm [14] Kết mô lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tòa nhà TechnoSoft theo hướng tháng năm 2010 thể Hình Nhìn chung kết mô xu hướng diễn biến lượng nhiệt xạ mặt trời tương đồng với xu hướng diễn biến giá trị trung bình cường độ trực xạ mặt đứng (4 hướng Đông, Tây, Nam, Bắc) đo trạm khí tượng Láng, Hà Nội [14] Kết cho thấy hướng Đông, Tây Bắc nhận lượng nhiệt xạ lớn tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, xu hướng diễn biến lượng nhiệt xạ hướng tòa nhà TechnoSoft tương đồng Một điểm đáng lưu ý kết mô lượng nhiệt xạ tác động lên hướng Bắc tòa nhà TechnoSoft lượng nhiệt có giá trị xấp xỉ với kết mơ cho hướng Đơng Tây tòa nhà (Hình 9) Trong đó, kết quan trắc trạm khí tượng Láng, Hà Nội [14] cho thấy hướng Bắc có giá trị cường độ trực xạ nhỏ nhiều so với hướng Đơng Tây (Hình 10) Ảnh hưởng cơng trình xung quanh tòa nhà TechnoSoft nguyên nhân gây khác kết mô số liệu quan trắc Vì vậy, nghiên cứu tương lai cần tiếp tục làm rõ vấn đề Khác với hướng Đông, Tây Bắc, lượng nhiệt xạ lớn tác động lên kết cấu bao che hướng Nam tòa nhà TechnoSoft vào tháng 9, 10, 11, 12 Kết mô tương đồng với xu hướng diễn biến giá trị trung bình cường độ trực xạ mặt đứng (hướng Nam) đo trạm khí tượng Láng, Hà Nội [14] Hình Lượng nhiệt xạ tác động lên tòa nhà TechnoSoft theo hướng tháng năm 2010 Hình 10 Giá trị trung bình cường độ trực xạ mặt đứng (4 hướng Đơng, Tây, Nam, Bắc) đo trạm khí tượng Láng, Hà Nội nhiều năm [14] TẬP 12 SỐ 01 - 2018 87 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG Kết luận Trong nghiên cứu này, mơ hình thơng tin cơng trình BIM ứng dụng để mô sơ đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời lên kết cấu bao che tòa nhà văn phòng Technosoft thành phố Hà Nội năm 2010 Nghiên cứu cho thấy kết mô xu hướng diễn biến lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên kết cấu bao che tòa nhà Technosoft theo tháng hướng năm 2010 tương đồng với số liệu quan trắc lượng nhiệt xạ mặt trời nhiều năm trạm khí tượng Láng, Hà Nội Kết nghiên cứu cho thấy tiềm ứng dụng BIM mô đánh giá tác động lượng nhiệt xạ mặt trời tới cơng trình xây dựng dân dụng Việt Nam, làm sở để xây dựng giải pháp thiết kế vận hành công trình cách phù hợp, góp phần nâng cao hiệu sử dụng tiết kiệm lượng cơng trình Tài liệu tham khảo María D.M.A., Mónica L.A., María M.R (2018), “Building information modeling and safety management: A systematic review”, Safety Science, 101:11-18 Dolly M., Debaditya C., Hazem E., Abhijeet D., Trevor G (2017), “Building Information Modeling Enabled Cascading Formwork Management Tool”, Automation in Construction, 83:259-272 Li X., Wu P., Shen G.Q., Wang X., Teng Y (2017), “Mapping the knowledge domains of Building Information Modeling (BIM): A bibliometric approach”, Automation in Construction, 84:195-206 Wang J., Wu H., Duan H., Zillante G., Zuoa J., Yuan H (2018), “Combining Life Cycle Assessment and Building Information Modelling to account for carbon emission of building demolition waste: a case study”, Journal of Cleaner Production, 172:3154-3166 Fadeyi M.O (2017), “The role of building information modeling (BIM) in delivering the sustainable building value”, International Journal of Sustainable Built Environment, in press Liu Z., Chen K., Peh L., Tan K.W (2017), “A feasibility study of Building Information Modeling for Green Mark New Non-Residential Building (NRB): 2015 analysis”, Energy Procedia, 143:80-87 Turk Ž (2016), “Ten questions concerning building information modelling”, Building and Environment, 107:274-284 Lu Y., Wu Z., Chang R., Li Y (2017), “Building Information Modeling (BIM) for green buildings: A critical review and future directions”, Automation in Construction, 83:134-148 Marzouk M., Othman A (2017), “Modeling the performance of sustainable sanitation systems using building information modeling”, Journal of Cleaner Production, 141:1400-1410 10 Samuel E.I, Joseph-Akwara E., Richard A (2017), “Assessment of energy utilization and leakages in buildings with building information model energy”, Frontiers of Architectural Research, 6:29-41 11 Worawan N., Ali M., Nobuyoshi Y., Tomohiro F (2017), “Integrating 4D thermal information with BIM for building envelope thermal performance analysis and thermal comfort evaluation in naturally ventilated environments”, Building and Environment, 124:194-208 12 Abanda F.H., Byers L (2016), “An investigation of the impact of building orientation on energy consumption in a domestic building using emerging BIM (Building Information Modelling)”, Energy, 97:517-527 13 Kim J.B., Woon S J., Mark J.C., Jeff S.H., Wei Y (2015), “Developing a physical BIM library for building thermal energy simulation”, Automation in Construction, 50:16-28 14 Bộ Xây dựng (2009), QCVN 02 : 2009/BXD-Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia Số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng 88 TẬP 12 SỐ 01 - 2018 ... xạ mặt trời lên kết cấu bao che tòa nhà văn phòng Technosoft thành phố Hà Nội năm 2010 Nghiên cứu cho thấy kết mô xu hướng diễn biến lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên kết cấu bao che tòa nhà. .. mái tòa nhà chịu tác động lớn lượng nhiệt xạ mặt trời, gấp 1,42 lần so với tổng lượng nhiệt xạ tác động lên kết cấu bao che tầng Kết mô cho thấy tầng gần mặt đất ảnh hưởng lượng nhiệt xạ mặt trời. .. che tòa nhà để tính tốn mơ lượng nhiệt xạ mặt trời tác động lên công trình dân dụng, sản lượng điện tạo thành từ lượng mặt trời Các kết đầu mơ hình cung cấp sở để đề xuất giải pháp sử dụng lượng