Projekt budynku w standardzie NF40 z wykorzystaniem IFC jako formatu wymiany danych – studium przypadku

Trwający obecnie krajowy program dopłat do kredytów na budowę domów energooszczędnych realizowany przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej zakłada poprawę efektywności wykorzystania energii w nowobudowanych budynkach mieszkalnych. Przedsięwzięciem realizowanym przez projektantów Klastra Technologii Informacyjnych w Budownictwie w pierwszym kwartale 2015 roku była adaptacja gotowego projektu budynku jednorodzinnego w sposób pozwalający na spełnienie założeń standardu NF40 w warunkach III strefy klimatycznej Polski. Warunkiem uzyskania dofinansowania w tym przypadku było uzyskanie wskaźnika EUco określającego roczne jednostkowe zapotrzebowanie na energię użytkową do celów ogrzewania i wentylacji na poziomie EUco ≤ 40 kWh/m2rok oraz spełnienie innych warunków Programu Priorytetowego podanych w Załączniku nr 3 pt.: „Wytyczne określające podstawowe wymogi niezbędne do osiągnięcia oczekiwanych standardów energetycznych dla budynków mieszkalnych oraz sposób weryfikacji projektów i sprawdzenia wykonanych domów energooszczędnych”.
          W procesie projektowym wykorzystano m.in. oprogramowanie SketchUp Pro 2015, w którym sporządzono model architektoniczny 3D budynku wraz z elementami konstrukcji na podstawie dokumentacji 2D dostępnej w formacie JPG.  Model ten eksportowano do formatu IFC 2×3 (z ang. Industry Foundation Classes) i wykorzystano w systemie DDS-CAD do projektowania instalacji sanitarnych. Format IFC określa międzynarodowe standardy modelowania informacji o budynku (BIM), importowania i eksportowania obiektów budowlanych oraz ich właściwości. Specyfikacja dotycząca IFC została opracowana i wprowadzona przez „BuildingSMART International” oraz opublikowana w 2013 r. przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną ISO jako ISO16739: „Industry Foundation Classes (IFC) for data sharing in the construction and facility management industries”.

          Wykonanie modelu w programie Sketchup Pro było swego rodzaju eksperymentem, ponieważ DDS-CAD posiada moduł odpowiedzialny za modelowanie architektury.

Fot. 1 Okno dialogowe (DDS-CAD) – import pliku IFC utworzonego w SketchUp Pro 2015

Plik IFC zawiera informacje na temat: hierarchii budynku (np. lokalizacja, kondygnacje), typu elementu (m.in. ściany, słupy), geometrii elementów (m.in. współrzędne, wymiary), zależności pomiędzy poszczególnymi elementami, właściwości standardowe i niestandardowe przypisane elementom (m.in. materiał, kolor, przekrój, ciężar).
        W celu efektywnego wykorzystania modelu budynku importowanego do programu instalacyjnego należy zwrócić uwagę m.in. na prawidłowość tworzonych przestrzeni architektonicznych w obiekcie („ifcSpace”), a także na obecność początku układu współrzędnych na pierwszej kondygnacji. Przeprowadzone testy wykluczyły możliwość prawidłowego importu do systemu DDS-CAD elementów geometrii utworzonych metodą „boundary  representation” zamiast „extrusion” (Sketchup exportuje elementy tylko jako BREP czyli „boundary  representation”) . Ma to wpływ na możliwość automatycznych obliczeń projektowego obciążenia cieplnego budynku oraz strumienia objętości powietrza wentylacyjnego dla każdego pomieszczenia.

Fot. 2 Model budynku po adaptacji importowany do DDS-CAD

Import pliku z niewłaściwie zdefiniowanymi przestrzeniami (jako BREP) spowoduje konieczność samodzielnego przyporządkowania wymaganych strumieni powietrza do poszczególnych elementów nawiewnych i wywiewnych projektowanego systemu wentylacji. Model omawianego budynku utworzony w programie SketchUp Pro 2015 jest użyteczny do modelowania instalacji sanitarnych oraz wykonania obliczeń hydraulicznych instalacji wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i gruntowym wymiennikiem ciepła. Projektowanie instalacji sanitarnych w trójwymiarze pozwoliło wykryć miejsca kolizji z elementami konstrukcyjnymi i instalacjami oraz za pomocą formatu współpracy BIM (BCF – BIM Collaboration Format) dostępnym w DDS-CAD wysłać informację wraz ze zdjęciem i opisem kolizji do poszczególnych projektantów.  

Integralną częścią projektu budynku niskoenergetycznego jest jego precyzyjna charakterystyka energetyczna. Zakładając, iż współpracę międzybranżową realizujemy w ramach Open BIM – otwartego przepływu pracy, użyteczny dla projektanta odpowiedzialnego za np. analizę energetyczną obiektu jest model architektoniczno-konstrukcyjny budynku zawierający prawidłową informację o parametrach technicznych warstw przegród budowlanych. Zakres eksportowanych informacji z oprogramowania Sketchup Pro 2015 można określić za pomocą ustawień schematu w pliku ifc2x3.skc

W wyniku importu danych z pliku IFC do oprogramowania służącego do przeprowadzania analizy energetycznej budynku powinno być możliwe automatyczne obliczenie współczynników przenikania ciepła dla wskazanych przegród budowlanych zgodnie z obowiązującymi w Polsce normami i przepisami budowlanymi. Powyższe usprawniło by proces obliczeń projektowego obciążenia cieplnego budynku. Niestety nie było to możliwe w przypadku użycia modelu IFC z oprogramowania Sketchup Pro 2015 z uwagi na dwa aspekty: brak możliwości exportu obiektów jako „extrusion” oraz możliwość exportu tylko trzech parametrów (tag, name,destription) bez względu na ustawienia schematu w pliku SKC. Modele IFC z oprogramowania Revit, Archicad, VectorWorks nie mają takich ograniczeń.

Fot. 4 Właściwości ściany – parametry IFC ściany zewnętrznej budynku

Precyzyjny model energetyczny pozwala uniknąć przewymiarowania mocy źródła ciepła dla obiektu. Istotnym jest, aby żądana charakterystyka energetyczna budynku była tworzona już w fazie koncepcji jego bryły. W przypadku adaptacji projektu gotowego projektant ma niewielki wpływ na ewentualną minimalizację współczynnika kształtu A/V (zmniejszenie powierzchni zewnętrznych przegród budowlanych w stosunku do kubatury w celu obniżenia zapotrzebowania na energię).

Z uwagi na konieczność wyznaczenia współczynników liniowej straty ciepła przez przenikanie ψe dla mostków cieplnych  (wg normy PN-EN ISO 10211:2008 „Mostki cieplne w budynkach – Strumienie ciepła i temperatury powierzchni – Obliczenia szczegółowe”) do obliczeń numerycznych wykorzystano program Therm 6.3.

Fot. 5 Rozkład izoterm dla połączenia połaci dachu ze ścianą zewnętrzną (wariant dla izolacji o współczynniku przewodzenia ciepła λ=0,035 W/mK)

Tabela 1. Liniowy współczynnik przenikania ciepła dla węzła połączenia połaci dachu ze ścianą zewnętrzną  (wariant dla izolacji o współczynniku przewodzenia ciepła λ=0,035 W/mK)

Należy zauważyć, że realizacja koncepcji budynku niskoenergetycznego sprzyja zastosowaniu rozwiązań technicznych takich jak np. systemów rekuperacji, instalacji fotowoltaicznej, układów magazynujących ciepło (np. z wykorzystaniem materiałów zmienno-fazowych), aktywnych i pasywnych systemów słonecznych. W omawianym domu jednorodzinnym zaprojektowano system wentylacji mechanicznej z rekuperacją i grzebieniowym gruntowym wymiennikiem ciepła. Na cele grzewcze przewidziano natomiast kondensacyjny kocioł gazowy współpracujący z systemem ogrzewania podłogowego. Do obliczeń projektowego obciążenia cieplnego oraz do sporządzenia projektowanej charakterysyki energetycznej posłużył program ArCADia-Termo 6.2.

Fot. 6 Wyniki obliczeń przeprowadzonych w ArCADia-Termo 6.2

Wymagany standard energetyczny budynku powinien być potwierdzony m.in. na podstawie branżowych projektów wykonawczych umożliwiających praktyczną realizację zaprojektowanego budynku oraz przedstawienie stosownych obliczeń  (wg Załącznika nr 3 do Programu Priorytetowego).  Oznacza to konieczność zapewnienia wymaganej jakości dokumentacji w celu dostarczenia wykonawcy pełnej informacji dotyczącej rozwiązań projektowych, które mają być zrealizowane.

Autor uważa, że warto wdrożyć założenia metodologii BIM w celu zapewnienia wysokiej jakości dokumentacji projektowej, nie tylko w odniesieniu do obiektów wielokubaturowych. Należy przy tym pamiętać, iż IFC ułatwia współpracę międzybranżową umożliwiając uczestnikom procesu projektowego szybki dostęp do interesujących ich danych.

mgr inż. Katarzyna Knap-Miśniakiewicz
Pracownia Projektowa Inżynierii Cieplnej
www.bimklaster.org.pl