劉芳周鵬

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán))有限公司

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目的劇院主要由一個(gè)1 229座觀眾大廳、主舞臺(tái)與側(cè)臺(tái)及后臺(tái)排演廳、公共服務(wù)空間、交通輔助用房等組成，總建筑面積6 422.59m2，地上2層，局部三層（2-3軸觀眾公共衛(wèi)生間及上方區(qū)域），地上建筑面積5 741.61m2，地下1層，地下建筑面積680.98 m2。劇院的功能需求為兼顧白天主題樂園的輪場(chǎng)演出和夜晚的正式的綜合演出。

本項(xiàng)目的空調(diào)冷凍水集中能源站連接管網(wǎng)供應(yīng)。冷凍水供水來自冷源中心6.7℃；冷凍水回水來自空氣處理機(jī)組的冷盤管17.8℃；風(fēng)機(jī)盤管的冷盤管15.0℃；全新風(fēng)處理機(jī)組的冷盤管21.1℃；廚房補(bǔ)風(fēng)處理機(jī)組26.7℃；

從集中能源換熱站供應(yīng)到各個(gè)單體建筑冷凍水管熱力入口處安裝BTU能量計(jì)或具有比例積分流量計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)EMS能源監(jiān)控。

本項(xiàng)目空調(diào)熱水由集中能源站連接管網(wǎng)供應(yīng)，由循環(huán)水泵將熱水輸送至各單體的空調(diào)箱及風(fēng)機(jī)盤管等空調(diào)末端。集中能源站的一次熱水供/回水溫度87.8℃/65.6℃，空調(diào)末端二次側(cè)的熱水供/回水溫度為60℃/50℃。

劇院所有區(qū)域均采用全空氣系統(tǒng)，所有風(fēng)機(jī)均配置變頻控制裝置。其中劇院觀眾廳為座椅下送風(fēng)型式，室內(nèi)氣流組織形式為下送上回方式，采用多區(qū)域送風(fēng)空調(diào)機(jī)組，池座和樓座設(shè)置不同的送風(fēng)溫度；劇院舞臺(tái)為上送下回方式，門廳為上送下回方式。除BOH區(qū)域及控制室外其余區(qū)域全空氣空調(diào)系統(tǒng)均采用雙風(fēng)機(jī)和板式顯熱交換器空調(diào)機(jī)組。冬、夏季利用排風(fēng)中的冷（熱）量預(yù)冷（或預(yù)熱）引入的新風(fēng)，過渡季可采用全新風(fēng)運(yùn)行，板式顯熱回收段設(shè)置過渡季旁通，利用自然的免費(fèi)能源。BOH區(qū)域24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的電氣設(shè)備用房獨(dú)立設(shè)置全空氣系統(tǒng)，獨(dú)立處理電氣設(shè)備用房的余熱。全空氣空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)機(jī)組安裝初效過濾裝置（G4）及中效除塵凈化裝置(F7)，人員密集場(chǎng)所設(shè)置殺菌、空氣凈化裝置，以保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求。空調(diào)末端水系統(tǒng)均為四管制，異程式；各區(qū)域回水主干管上均設(shè)置水力平衡閥和溫控電動(dòng)兩通閥（風(fēng)機(jī)盤管為開關(guān)型）。

本工程設(shè)有能源管理系統(tǒng)（EMS），空調(diào)系統(tǒng)末端空氣處理機(jī)組和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況、故障報(bào)警及啟停控制均可在該系統(tǒng)中顯示和操作，另可根據(jù)室內(nèi)設(shè)定的空氣參數(shù)值控制相關(guān)機(jī)組的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度控制、濕度控制及一氧化碳/二氧化碳含量控制的要求。

2 CFD模擬技術(shù)在劇場(chǎng)中的運(yùn)用

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一。通過該軟件的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)以下模擬目標(biāo)值：

（1）原設(shè)計(jì)系統(tǒng)的評(píng)估：利用CFD軟件模擬，研究原設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織情況下的空間內(nèi)的溫、濕度場(chǎng)及速度場(chǎng)的分布特性。

（2）空調(diào)方案效果的預(yù)測(cè)：利用CFD軟件，對(duì)劇場(chǎng)內(nèi)的空氣速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)不同空調(diào)方案的氣流組織的效果，以確保提供合適的室內(nèi)環(huán)境。

（3）空調(diào)氣流組織優(yōu)化：利用CFD軟件模擬，對(duì)空調(diào)氣流組織方式進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整氣流組織方式、改變風(fēng)量及其他有關(guān)措施及時(shí)解決所發(fā)現(xiàn)的問題，以達(dá)到符合要求的空調(diào)效果。

（4）末端設(shè)備優(yōu)化：結(jié)合空調(diào)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)形式和送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的送、回風(fēng)的風(fēng)口氣流分布特性進(jìn)行研究。

（5）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能：對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式進(jìn)行研究，探討空調(diào)滿負(fù)荷率和部分負(fù)荷率情況下的變風(fēng)量運(yùn)行方式，確定影響空調(diào)效果以及能耗的主要因素，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，提出最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。

在最初的設(shè)計(jì)中采用的是普通的矩形風(fēng)口。舞臺(tái)的排風(fēng)口設(shè)置在舞臺(tái)的兩側(cè)（空間位置位于送風(fēng)口的外側(cè)），舞臺(tái)的排風(fēng)補(bǔ)風(fēng)口設(shè)于舞臺(tái)的前方靠近觀眾區(qū)的一側(cè)。具體模型建圖2.1：

根據(jù)排煙要求，采用觀察兩分鐘以后整個(gè)空間的風(fēng)速分布來確定舞臺(tái)排煙效果的好壞。本模擬采用動(dòng)態(tài)模擬的方式，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為5s，因?yàn)橹豢紤]舞臺(tái)的排煙效果，模擬計(jì)算過程中并未考慮能量方程。

圖2 .1舞臺(tái)排煙模型1

計(jì)算結(jié)果如下：

我們選取Y方向（舞臺(tái)縱向）上的不同截面來對(duì)比兩個(gè)工況的分布情況，在這里只列出最為典型且最具代表性的距離幕布1500mm處的風(fēng)速分布情況如圖2.2和圖2.3：

圖2 .2工況1 Y=1500處的風(fēng)速分布

圖2 .3工況2 Y=1500處的風(fēng)速分布

從模擬結(jié)果我們可以得到以下結(jié)論：

（1）兩個(gè)工況下，舞臺(tái)表演區(qū)域的風(fēng)速普遍都比較低，一般都不超過0.4m/s;

（2）由于工況1換次的次數(shù)是工況2的兩倍，工況1的風(fēng)速分布要明顯好于工況2，與模擬結(jié)果吻合。

（3）在模擬結(jié)束后，通過繼續(xù)的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將時(shí)間推至4分鐘，結(jié)果與之前2分鐘的結(jié)果并無明顯差異。

可以看出，模擬結(jié)果完全達(dá)不到實(shí)際的排風(fēng)要求，這是由以下原因造成。首先，送風(fēng)口、排風(fēng)口、補(bǔ)風(fēng)口都在舞臺(tái)的兩側(cè)，氣流從送風(fēng)口吹出后，氣流運(yùn)行不遠(yuǎn)，就被排風(fēng)口吸回，形成了氣流短路。另外，送風(fēng)口采用的是普通矩形散流器，由于風(fēng)口較高，不可能將氣流輸送到舞臺(tái)的表演區(qū)域，達(dá)不到擾亂氣流的目的。在空調(diào)工況下時(shí)，也不可能產(chǎn)生良好的結(jié)果。

因此，我們將原來位于舞臺(tái)兩側(cè)的排風(fēng)口移至舞臺(tái)后方上空，避免形成氣流的短路。

新模型如下：

圖2 .4舞臺(tái)排煙模型2

此次排風(fēng)模擬采用3個(gè)工況，換氣次數(shù)分別定為4次/h、6次/h和8次/h。

具體風(fēng)量分配見表1：

表1 風(fēng)量分配表

計(jì)算結(jié)果如下：

圖2 .5工況1距地面1m風(fēng)速分布

圖2 .6工況1地面風(fēng)速分布

由于風(fēng)量較小，補(bǔ)風(fēng)口吹入室內(nèi)的風(fēng)量很小，不難看出，補(bǔ)風(fēng)口周圍流速較低，整個(gè)空間的速度分布也并不理想。

圖2 .7工況2距地面1m風(fēng)速分布

圖2 .8工況2地面風(fēng)速分布

由于風(fēng)量的加大，可以明顯的看到補(bǔ)風(fēng)口處風(fēng)的吹出，并且，整個(gè)空間的氣流分布也要好于工況1.

圖2 .9工況3距地面1m的風(fēng)速分布

圖2 .10工況3地面的風(fēng)速分布

隨著風(fēng)量的繼續(xù)加大，補(bǔ)風(fēng)口處吹出的風(fēng)對(duì)整個(gè)舞臺(tái)區(qū)域的氣流產(chǎn)生了巨大的影響，整個(gè)空間的氣流由于補(bǔ)風(fēng)口風(fēng)量的加大而加大。

不難看出，工況3的風(fēng)速分布最利于舞臺(tái)煙霧的排出，而工況2雖然比工況3的風(fēng)速稍微低了一點(diǎn)，但是仍然有較好的風(fēng)速分布。工況1由于補(bǔ)風(fēng)口風(fēng)速過小，整個(gè)空間的氣流并未活躍起來。所以，相對(duì)于工況2、工況3來說，工況1氣流組織較差，不利于空間煙氣的排出。綜合考慮到能耗，空調(diào)、風(fēng)機(jī)容量等因素，最后確定工況2，即6次/h的換氣次數(shù)作為最終的設(shè)計(jì)參數(shù)。

觀眾區(qū)域夏季送風(fēng)溫度19℃，冬季送風(fēng)溫度28℃，室內(nèi)負(fù)荷嚴(yán)格參照所提供的負(fù)荷計(jì)算書，建立模型如下：

圖2 .11觀眾區(qū)模型

圖2 .12夏季溫度分布中區(qū)

經(jīng)過模擬計(jì)算，得到如下結(jié)果：

夏季的溫度分布基本都處于比較合理的范圍之內(nèi)，樓座的溫度要比一層觀眾區(qū)溫度稍高些。一層的溫度一般為23℃左右，樓座的溫度則為25℃左右，這與送風(fēng)口的設(shè)置，以及冷空氣下沉等因素有關(guān)，從圖中可以看到溫度分層的趨勢(shì)。

本研究所做的工作和得到的結(jié)論有：

（1）通過建立舞臺(tái)的排風(fēng)模型對(duì)舞臺(tái)的排風(fēng)工況進(jìn)行模擬，并比較了不同工況下排風(fēng)效果的好壞程度，最后確定兩側(cè)上送下補(bǔ)，舞臺(tái)后部上方排風(fēng)的形式，換氣次數(shù)6次/h，補(bǔ)風(fēng)量和送風(fēng)量相等，均為3次/h；

（2）模擬舞臺(tái)的空調(diào)工況，對(duì)舞臺(tái)夏季和冬季的空調(diào)效果進(jìn)行分析，最后確定送風(fēng)量為40 000m3/h；

圖2 .13夏季溫度分布左區(qū)

圖2 .14夏季溫度分布右區(qū)

（3）建立局部模型驗(yàn)證座椅送風(fēng)的空調(diào)效果，并對(duì)兩種工況下的溫濕度分布情況進(jìn)行比較，得出兩種工況都能為人員提供舒適的環(huán)境，最后綜合考慮其他因素，確定選用送風(fēng)柱直徑為250mm的座椅送風(fēng)口；

（4）建立劇院觀眾區(qū)的整體模型，模擬舞臺(tái)整體的空調(diào)效果，得出座椅送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以滿足整個(gè)觀眾區(qū)人員的舒適度要求。

3 劇場(chǎng)送風(fēng)方式

考慮到劇場(chǎng)觀眾廳樓座與池座的溫度分層現(xiàn)象，本項(xiàng)目采用了雙風(fēng)道空調(diào)系統(tǒng)，通過調(diào)整出風(fēng)溫度和濕度，最大限度的實(shí)現(xiàn)觀眾的舒適度及降低空調(diào)能耗?？照{(diào)箱結(jié)構(gòu)功能段及控制原理圖如下：

4 REVIT 3D建筑信息技術(shù)在劇場(chǎng)中的運(yùn)用

BIM（building information modeling）的全稱是建筑信息模型，該技術(shù)已經(jīng)在世界范圍的工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并不斷發(fā)展，被中國(guó)政府列為“十二五”計(jì)劃重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。BIM的技術(shù)核心是一個(gè)由計(jì)算機(jī)三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫信息在建筑全過程中動(dòng)態(tài)變化調(diào)整，并可以及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含的相關(guān)數(shù)據(jù)，加快決策進(jìn)度、提高決策質(zhì)量，從而提高項(xiàng)目質(zhì)量，降低項(xiàng)目成本，增加項(xiàng)目利潤(rùn)。

傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)、水暖電等各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙匯總后，由總圖工程師人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題，這將耗費(fèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和安裝工程設(shè)計(jì)師大量時(shí)間和精力，影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。由于采用二維設(shè)計(jì)圖來進(jìn)行會(huì)審，人為的失誤在所難免，使施工出現(xiàn)返工現(xiàn)象，造成建設(shè)投資的極大浪費(fèi)，并且還會(huì)影響施工進(jìn)度。

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行三維管線的碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少在建筑施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性，而且優(yōu)化凈空，優(yōu)化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進(jìn)行施工交底、施工模擬，提高施工質(zhì)量、同時(shí)也提高了與業(yè)主溝通的能力。

在該劇院的施工圖繪制過程中，運(yùn)用REVIT軟件，由建筑專業(yè)首先建立土建三維信息模型，結(jié)構(gòu)進(jìn)行梁和柱的配合建模，室內(nèi)設(shè)計(jì)專業(yè)建立吊頂模型。在外殼模型完成之后，水暖電專業(yè)按照二維圖紙信息在REVIT軟件中建模。各工種完成建模后，進(jìn)行了綜合碰撞檢測(cè)，找到多處管線碰撞點(diǎn)。

以此為依據(jù)，各專業(yè)通過多次協(xié)商討論，進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整管線的走向和尺寸，完成了吊頂凈空內(nèi)的優(yōu)化布置。并對(duì)管線穿墻留洞預(yù)埋工作進(jìn)行了精確定位。

可在REVIT模型中對(duì)各層級(jí)各標(biāo)高進(jìn)行剪切，更為直觀地觀察到各空間內(nèi)的管線布置情況。下圖為上層大廳12米標(biāo)高處所看到的建筑內(nèi)部管線。

5 總結(jié)

在該劇院的暖通設(shè)計(jì)中，方案階段運(yùn)用到了能耗模擬軟件TRANE 7.0，得出下送風(fēng)方式比上送風(fēng)節(jié)能5%～10%。由于未參與方案設(shè)計(jì)，本文僅對(duì)初步及施工圖階段運(yùn)用的新技術(shù)做了詳細(xì)介紹。

CFD技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)于舞臺(tái)特效排煙及空調(diào)效果進(jìn)行了不同工況的模擬分析，最終確定出最佳的送排風(fēng)口位置及換氣次數(shù)。在保證排煙效果的前提下，最大限度減少了風(fēng)機(jī)能耗及空調(diào)補(bǔ)風(fēng)能耗。并得出了舞臺(tái)空調(diào)送風(fēng)參數(shù)及變風(fēng)量運(yùn)行的指導(dǎo)性建議。

“可視化”的三維數(shù)字建模技術(shù)（BIM）的運(yùn)用，為建筑師、結(jié)構(gòu)工程師及水電暖工程師、開發(fā)商乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”。使得各專業(yè)從管線綜合協(xié)調(diào)到室內(nèi)裝修配合，最大限度地利用了吊頂凈空，節(jié)約利用了空間。

隨著現(xiàn)代城市發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大及速度的加快，建筑結(jié)構(gòu)和空間越來越復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)也越來越大。因此有必要在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用各種新型先進(jìn)技術(shù)，完善設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過程。從開始的方案到最終圖紙的完成，再到施工配合，建立完整的施工指導(dǎo)信息。真正實(shí)現(xiàn)節(jié)材、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水以及環(huán)保需求。