Hiện nay, trong quá trình thiết kế các công trình kiến trúc bền vững, mô phỏng hiệu năng công trình – Building Performance Simulation – (BPS) là công việc quan trọng nhằm đạt được mục tiêu cuối cùng. Kiểm soát năng lượng và mô hình hóa năng lượng sẽ giúp KTS, KS có nhiều giải pháp khả thi hơn về năng lượng, tối ưu cho công trình. Công cụ BPS đang góp phần thúc đẩy sự đổi mới trong việc thiết kế các công trình có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, và chúng ngày càng phát triển và đa dạng, hỗ trợ dễ dàng cho việc mô phỏng hiệu năng công trình [1].
Tổng quan các phần mềm mô phỏng năng lượng có trên nền tảng thiết kế
Việc tạo lập và xây dựng mô hình mô phỏng hiệu năng công trình – Building Energy Performance (BEP) thường bắt nguồn từ các phần mềm CAD (Computer Aided Design). Chúng được định nghĩa bằng CAD ở dạng 2D, 2.5D hoặc 3D và được phân phối dưới dạng bảng vẽ điện tử (tập tin) hoặc bảng vẽ trên giấy.
Thông tin hình học trên giấy (bản vẽ) do các công cụ 2D tạo ra, chẳng hạn như Autocad, (được tạo lập và xây dựng mô hình lại bằng máy tính một cách thủ công để đưa vào các chương trình và các công cụ mô phỏng khác nhau). Đây là một quá trình mất nhiều thời gian, dễ bị lỗi, phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và độ phức tạp của công trình, chưa kể đến việc đánh rơi hoặc bỏ sót thông tin khi tạo lập và thay đổi mô hình, tốn thêm khá nhiều chi phí cho dự án cần mô phỏng.
Nếu hình dạng công trình dạng 2D là bản vẽ điện tử (DWG hay DXF) chứa thông tin về kích thước, có khả năng thay đổi, được sao chép lại thành các mô hình có thể đọc bằng các chương trình và công cụ mô phỏng BEP, quá trình này có thể nhanh hơn (vì sử dụng sao chép và dán). Tuy nhiên, việc sao chép lại đòi hỏi sự tham gia của những người có kinh nghiệm và chuyên gia.
Phần mềm CAD tiên tiến nhất, chẳng hạn như Autocad, có thể chuyển thông tin mặt bằng theo chiều đứng, hình học – như vậy gọi là 2.5D (vì nó không phải là hình học 3D đúng nghĩa). Hình học 2.5D giúp đẩy nhanh tiến trình tạo lập mô hình để sử dụng cho việc mô phỏng BEP. Tuy nhiên, mô hình năng lượng trên nền tảng 2.5D sẽ không chính xác nếu các công trình mô phỏng có chiều cao khác nhau.
Các công cụ CAD như Revit, Archicad, Allplan và Bentley đưa ra cách tiếp cận xây dựng mô hình hình học công trình theo dạng 3D thực – Định hướng đối tượng. Các công cụ này sử dụng tập tin theo định dạng riêng của nhà sản xuất, nhưng chúng đều có thể hỗ trợ đề xuất mô hình hình học định dạng IFC và gbXML. Ngoài ra, Sketchup dù không phải là công cụ CAD trên nền tảng mô hình, nhưng cũng có thể xuất mô hình hình học theo dạng gbXML bằng cách tích hợp với Open Studio, được phát triển riêng để phục vụ cho việc mô phỏng năng lượng [2].
Như vậy, mô hình năng lượng có thể sử dụng dữ liệu hình học theo định dạng IFC và gbXML từ các phần mềm CAD, giúp việc tạo lập và xây dựng mô hình sử dụng cho việc mô phỏng BEP nhanh hơn, độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí và thời gian.
Mô phỏng năng lượng trên Revit – Những tiềm năng và giải pháp cho KTS
Trong quá trình thiết kế, xây dựng mô hình trên Revit, việc trao đổi thông tin giữa các bước, ngay từ giai đoạn lên ý tưởng đến thiết kế chi tiết, các bộ môn đều có thể tham gia trực tiếp trên cùng một file dữ liệu. Việc này giúp cho các bên liên quan, các ngành có thể tương tác trực tiếp và đồng bộ, công trình đạt hiệu quả cao, làm giảm đáng kể thời gian thiết kế (hình 2).
Có thể tận dụng thông tin từ mô hình Revit để xây dựng mô hình năng lượng, ví dụ như thông tin cấu tạo tường, sàn, trần mái, cửa sổ, cửa đi,… Công việc này diễn ra ngay từ giai đoạn đầu của dự án, giảm thời gian cho việc phải tạo lập mô hình để phân tích năng lượng. Nhờ vậy, KTS, KS có thể đánh giá hiệu quả năng lượng các phương án thiết kế nhanh chóng, từ đó đưa ra các giải pháp để tối ưu hóa thiết kế (chi phí, năng lượng, ánh sáng,…) Trong quá trình cập nhật các kết quả từ việc phân tích tính toán năng lượng, với mô hình trên Revit KTS rất dễ dàng điều chỉnh thiết kế để tiến hành mô phỏng và phân tích lại.
Tùy vào các giai đoạn thiết kết, Revit có thể giúp tạo ra mô hình năng lượng tương ứng cho từng giai đoạn: Mô hình ý tưởng hình khối – Mô hình kiến trúc sơ bộ – Mô hình kiến trúc chi tiết (hình 3).
Thiết kế tòa nhà bền vững đang trở nên rất cần thiết trên phạm vi toàn thế giới bởi vì khách hàng yêu cầu các KTS, KS thực hiện tốt hơn việc thiết kế các tòa nhà, góp phần xây dựng mục tiêu xanh như những Thách thức của Kiến trúc 2030 (Architecture 2030 Challenge). Phần mềm Revit có thể giúp thiết kế của bạn hỗ trợ xây dựng công trình bền vững hơn [3]:
- Các quy trình phân tích năng lượng tích hợp trong Revit giúp cho KTS, KS có thể mô phỏng và cải tiến hiệu năng năng lượng cho công trình dễ dàng hơn từ ý tưởng ban đầu đến thiết kế chi tiết;
- Phản hồi theo thời gian thực về việc lựa chọn và thay thế các giải pháp thiết kế sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng công trình, luôn đảm bảo đưa ra quyết định thiết kế với đầy đủ thông tin;
- Mô phỏng Revit có thể tính toán và hiển thị số liệu ánh sáng tự nhiên;
- Phân tích tải nhiệt sưởi ấm và làm mát cho công trình;
- Cho phép tính toán lượng bức xạ mặt trời trên các bề mặt tòa nhà, đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời và thời gian hoàn vốn.
Tối ưu hóa năng lượng cho công trình dựa trên đám mây (Cloud 360) bằng công cụ Insight chạy trực tiếp trên phần mềm Revit (phiên bản Revit 2016 R2 trở lên) có rất nhiều lợi thế: Phân tích năng lượng, sưởi ấm và làm mát, phân tích ánh sáng, năng lượng mặt trời và phân tích tải nhiệt sưởi ấm và làm mát dựa trên đám mây EnergyPlus (EnergyPlus Cloud).
Ngoài ra, Revit hỗ trợ xuất hình học định dạng IFC, gbXML và Dwg/Dxf có thể sử dụng cho các công cụ mô phỏng khác hoặc phần mềm bên thứ ba (Ecotect Analysis, DesignBuilder, eQUEST, Green Building Studio…), mô phỏng gió bằng công cụ Flow Design (FBX), Simulation CFD (ACIS .sat). Chính nhờ vậy khi sử dụng Revit tạo lập mô hình kiến trúc sẻ giúp giảm tối đa thời gian tạo lập mô hình năng lượng (hình 4).
Thiết lập và mô phỏng năng lượng cho công trình bằng Revit để đạt kết quả tốt nhất
Trước khi tiến hành xây dựng mô hình, cần phải xác định được các yêu cầu chung cần thiết cho dự án sau đó lựa chọn mẫu mô hình sử dụng cho phân tích. Có thể chia làm 2 lựa chọn:
- Mô hình kiến trúc: Hình khối và các yếu tố bao quanh công trình (Tường, cửa đi, cửa sổ, mái, sàn, trần…)
- Mô hình MEP: Bao gồm cả phần diện tích, thể tích và không gian, thiết bị làm mát và sưởi ấm…(hình 5)
Quy trình thực hiện mô phỏng năng lượng và tối ưu hóa năng lượng cho công trình bằng công cụ Insight trong Revit
Sử dụng công cụ Insight trong Revit để mô phỏng cho công trình có thể gồm: Tối ưu hóa năng lượng cho công trình, mô phỏng ánh sáng ban ngày và bức xạ mặt trời tác đông lên công trình (hình 6).
Tối ưu hóa năng lượng công trình bằng công cụ Insight Revit
Tối ưu hóa năng lượng cho công trình bằng công cụ Insight làm việc nhanh,đáng tin cậy và có khả năng mở rộng để cải thiện hiệu suất năng lượng với việc tự tạo các mô hình năng lượng hay thế trên mô hình kiến trúc ban đầu trên Revit thông qua các bước phân tích (hình 7). Kết quả của việc tối ưu hiệu suất thể hiện trực quan và cho ta quyết định sớm cho các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho công trình (hình 8).
Mô phỏng trực quan ánh sáng ban ngày và năng lượng mặt trời với công cụ Insight Revit
Công cụ Insight Revit cho phép mô phỏng dễ dàng với ánh sáng ban ngày với nhiều tuy chọn và các kết quả tin cậy, trực quan và đầy đủ số liệu tính toán (hình 9).
Kết quả mô phỏng năng lượng mặt trời bằng công cụ Insight Revit
Mô phỏng gió
Thông qua việc xuất dữ liệu Revit sang định dạng FBX file (.fbx) và ACIS file (.sat), sử dụng Autodesk Flow Design và Autodesk CFD tiến hành dễ dàng các mô phỏng gió (hình 11). Kết quả trực quan giúp dễ dàng cho việc đánh giá tác động của gió vào công trình (hình 12) và đưa ra quyết định thiết kế.
Kết quả mô phỏng gió bằng công cụ Flow Design được xuất mô hình từ Revit
Tiềm năng và ứng dụng phần mềm Revit cho việc mô phỏng năng lượng
Phần mềm Revit của hãng AutoDesk là phần mềm hỗ trợ quy trình BIM (Building Information Modeling), phần mềm này cho phép xây dựng dữ liệu đầu vào hiệu quả và khai thác sử dụng lại nhiều lần. Ngoài ra, mô hình gán thông tin của Revit vốn tuân thủ tiêu chuẩn IFC (Industry Foundation Classes) – cho phép dễ dàng chuyển đổi thành mô hình năng lượng thay vì phải xây dựng thêm một mô hình năng lượng theo cách truyền thống. Ngày nay, phần mềm Revit đã được nhà sản xuất tích hợp các công cụ để mô phỏng hiệu năng công trình, rất cần được khai thác sử dụng để nghiên cứu các giải pháp thiết kế kiến trúc.
Revit đang bắt đầu được quan tâm sử dụng ở Việt Nam những năm gần đây. Tuy nhiên, đa số các công ty tư vấn thiết kế ở Việt Nam chỉ mới được sử dụng Revit như một công cụ xây dựng mô hình thông tin để lập hồ sơ thiết kế thay cho các phần mềm hệ CAD, mà chưa khai thác tốt tính năng mô phỏng năng lượng công trình, chưa xem như đây là một giải pháp để thiết kế hướng đến mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Nếu khai thác tốt việc mô phỏng hiệu năng công trình các KTS có thể tìm kiếm các giải pháp và kiểm chứng ngay khi công trình ở các mức độ chi tiết từ đơn giản cho đến phức tạp nhất mà không phải sử dụng một phần mềm khác, hoặc xuất mô hình công trình qua một phần mềm trung gian để mô phỏng, tính toán, đồng thời việc thiết kế công trình hướng tới mục tiêu tiết kiệm năng lượng sẽ trở nên phổ biến rộng rãi hơn.
Kết luận
Ngày nay, việc mô phỏng năng lượng cho công trình đối với KTS là hết sức cần thiết. Công cụ và phần mềm mô phỏng năng lượng sử dụng cho việc mô phỏng phải thích hợp không những dễ dàng cho việc sử dụng mà còn phải nhanh, có độ chính xác cao và tiết kiệm chi phí, thời gian. Hiện nay phần mềm Revit ngày càng được nhà sản xuất phát triển mạnh cho việc mô phỏng năng lượng bằng việc tích hợp nhiều công cụ hỗ trợ phân tích. Chính vì vậy, việc sử dụng phần mềm Revit dễ cho việc mô phỏng ngay từ giai đoạn thiết kế sơ đến giai đoạn thiết kế chi tiết giúp kiểm soát năng lượng một cách tốt nhất.
KTS. Ngô Quang Tâm – TS.KTS Nguyễn Anh Tuấn
Khoa Kiến trúc – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
(Bài đăng trên số 07-2018)
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Tài liệu tham khảo
[1] T. H. H. Phạm và Đ. H. Vương, “Đồ án Kiến trúc xanh và tối ưu hoá thiết kế thông qua mô phỏng trong đào tạo Kiến trúc sư,” , tập 10, pp. 76-79, 2015.
[2] C. V. Treeck và M. Wetter, IEA EBC Annex 60: New Generation Computing Tools for Building and Community Energy Systems, Aachen: The Regents of the University of California and RWTH Aachen University, 09/2017, pp. 152-153.
[3] S. Sharifi, “5 Ways Revit Supports Green Building,” Autodesk, 8/ 10/ 2017. [Trực tuyến]. Available: http://blogs.autodesk.com/revit/2017/11/08/5-ways-revit-supports-green-building/?linkId=45236442#. [Đã truy cập 30 3 2018].
