Revit建模過程中窗墻面積比的合規(guī)性檢查

閆秀英，王秀東，李大偉

Revit建模過程中窗墻面積比的合規(guī)性檢查

閆秀英1，王秀東1，李大偉2

(1. 西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院，陜西 西安 710055； 2.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西 西安 710055)

在建筑設計過程中，窗墻面積比(簡稱窗墻比)值的大小對室內的空調能耗和照明能耗有很大的影響，將其控制在合理范圍內對建筑節(jié)能意義重大。針對Revit建模過程中窗墻比選定的問題，研究了窗墻比的計算及合規(guī)性檢查方法，以《公共建筑節(jié)能設計規(guī)范》(GB50189-2015)中給出的窗墻比限值為依據，采用C#語言開發(fā)出基于枚舉的窗墻比合規(guī)性檢查軟件并將其集成到Revit中，實現對Revit模型窗墻比的合規(guī)性檢查。以上海某辦公樓為對象進行軟件測試，結果表明該軟件能夠自動獲取建筑所在地的窗墻比取值范圍，計算出當前模型各立面的窗墻比并與之比較，當某立面窗墻比不滿足規(guī)范時，能夠迅速將其調至規(guī)范值范圍內，并對調整后的各立面窗墻比是否滿足國家標準作出評價。

窗墻面積比；建筑信息模型；自動調整

目前，建筑能耗約占全球總能耗的1/3，且這一比例還在逐年上升，而窗墻面積比(簡稱窗墻比)是建筑能耗的一個重要影響因素[1-2]。相關研究表明，隨著窗墻比的增加，建筑內空調的供暖季耗熱量指標呈現先減小后增加的趨勢，當窗墻比約為0.3時，出現拐點，達到最小值；而空調季耗冷量指標隨著窗墻比的增大而增大，窗墻比每增加0.1耗冷量指標約增加9.5%。其直接影響到建筑能耗[3-4]；同時，窗墻比的變化對室內的天然采光質量也有影響，其影響的顯著性僅次于房間進深[5]。當窗墻比為43%時，室內天然采光質量較好，當高于43%時，室內會出現眩光現象[6]。因此，確定一個合理的窗墻比是建筑設計過程中的關鍵一步。目前，國內外學者對如何確定一個合理的窗墻比做了大量研究。文獻[7]提出了用于創(chuàng)建推薦窗墻比映射的方法，即在設計建模過程中分配窗墻比的適當默認值；文獻[8]通過綜合熱和光照模擬以及對建筑設備的效率、人工照明的有效性和建筑物的緊湊型的靈敏度分析，得出了一個窗墻比的理想值范圍0.30~0.45；2015年我國頒布的《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB50189-2015)對窗墻比進行了精細劃分，按不同氣候區(qū)、不同建筑類型、不同建筑層高給出窗墻比限值[9-10]。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)的出現為建筑業(yè)帶來了一場新的革命，受到國內外學者和業(yè)界的普遍關注[11]。其包含了建筑的全部信息，可以提供形象可視的二維和三維圖紙，為各個部門之間的相互溝通、協(xié)同工作提供了便利[12]。在建筑業(yè)中，應用最多的BIM設計軟件是Autodesk公司開發(fā)的Autodesk Revit，該軟件除了自身功能強大之外，還提供了豐富的API，用戶可以根據自身的需求，對Revit進行二次開發(fā)，增強其功能[13]。目前國內外學者已為Revit開發(fā)了許多新的功能，如建筑所需輔助材質計算、基于我國計價清單的工程量提取、綠色建筑評估等[14-16]，但仍未有一款軟件能夠提供自動評價及修改窗墻比的功能。因此只能在設計過程中采用查詢相關標準或利用能耗計算軟件進行模擬的方法提前確定窗墻比。在建筑設計逐漸向三維設計過渡的大趨勢下，本文以功能強大、可二次開發(fā)的Autodesk Revit為平臺，以《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB50189-2015)中給出的窗墻比限值為依據，以Visual Studio 2015軟件及C#語言為工具，結合窗墻面積比的計算及修改方法，對Revit進行二次開發(fā)，實現在Revit建模過程中直接對當前建筑模型各立面窗墻比進行評價及自動修改。從而讓設計者能夠省去大量重復性的模型修改工作，方便、快捷、合理的完成窗墻比選定這一關鍵步驟，確保所建模型的窗墻比在標準范圍內。

1 窗墻比優(yōu)化技術

窗墻比是建筑設計中一個極為重要的熱工參數。在建筑能耗中空調和照明能耗分別占整個建筑能耗的40%~60%和20%~35%。窗墻比值的選擇對空調負荷及室內采光效率均有很大影響，并對建筑節(jié)能意義重大。目前，在使用Revit進行三維設計過程中，每個窗戶均需要手動放置，在設計過程中一旦發(fā)現窗墻比不符合標準就需逐一的進行手動修改。如果項目較大、發(fā)現較晚，修改窗戶尺寸將會是一項極為繁瑣的工作，必定會造成工作效率的下降。為此，在Revit原有功能的基礎上擴展窗墻比評價及合規(guī)性檢查的功能，實現窗墻比合規(guī)性快速檢驗及自動調整。

1.1 計算依據

窗墻比計算依據我國2015年頒布的《公共建筑節(jié)能設計規(guī)范》(GB50189-2015)，該規(guī)范第3.3.1-3.3.2條對各地區(qū)甲類公共建筑窗墻比的取值范圍作出了明確規(guī)定，本文開發(fā)的基于BIM軟件的最終目的是保證建筑模型各立面的窗墻比都在此范圍內。首先需要獲取建筑所在地的氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型、建筑的體形系數以及外窗戶的傳熱系數，據此查表，即可獲得窗墻比的約束條件。表1為嚴寒A、B區(qū)甲類公共建筑窗墻比限值；表2為嚴寒C區(qū)甲類公共建筑窗墻比限值。

表1 嚴寒A、B區(qū)甲類公共建筑窗墻比值

表2 嚴寒C區(qū)甲類公共建筑窗墻比值

1.2 基礎數據獲取

(1) 建筑氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型。其類型參照《公共建筑節(jié)能設計規(guī)范》(GB50189-2015)，分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖及溫和5個區(qū)。其中嚴寒區(qū)分為A，B，C 3個子區(qū)；另4個區(qū)又分為A，B 2個子區(qū)。

(2) 建筑物體形系數。該系數是通過計算得到的。計算建筑物體形系數需要用到以下圍護結構參數：①東、西、南、北各立面的外墻總面積A，A，A，A；②東、西、南、北各立面的窗戶總面積A，A，A，A；③屋頂表面積A；④各房間體積V(為房間號)。

建筑物體形系數計算如下

(4) 窗墻面積比。對于優(yōu)化前后的建筑模型各立面窗墻比均需進行計算，即

1.3 計算方法

對窗墻比計算優(yōu)化的目標函數為

其中，A, j為立面的窗戶總面積(m2)；S,j為立面第個窗戶族中某一族類型的面積(m2)；n為第個窗戶族的族實例個數。

另當n為定值，A,j和S,j的約束條件為

其中，(,]為窗戶總面積的取值范圍。

根據式(4)中S,i的限制條件，可以得到有限個不同枚舉元素可能解的集合，采用枚舉算法找出一個枚舉元素[1,2,3,···,S]，將其代入式(2)使得計算結果滿足<A, j≤。分別將立面的第個窗戶的窗戶族類型替換為1,2,3,···,S對應的窗戶族類型1,2,3,···,L，即可實現窗墻比的優(yōu)化。

1.4 優(yōu)化流程

圖1 窗墻比優(yōu)化流程圖

2 軟件整體框架

窗墻比自動優(yōu)化軟件主要由圍護結構屬性參數提取與數據庫存儲管理模塊和窗墻比優(yōu)化模塊2部分組成。其中，圍護結構屬性參數提取與數據庫存儲管理模塊負責從模型中提取圍護結構的ID、宿主ID、面積、體積、方位、傳熱系數、日光得熱系數等參數并將其存儲到數據庫中，其是后續(xù)進行窗墻比計算的前提。圍護結構屬性參數提取的原理如圖2所示，模塊通過API提供的方法獲取相應參數；窗墻比優(yōu)化模塊則是在判定某立面的窗墻比不符合標準規(guī)定時采用枚舉算法計算窗墻比，并對模型進行修改。軟件在運行過程中首先通過查詢圍護結構屬性參數數據庫中的外墻、外墻窗戶等相關參數計算出當前模型各立面窗墻比的值，然后查詢該地區(qū)窗墻比限值，進而對窗墻比的值超出此范圍的立面進行優(yōu)化。二次開發(fā)采用Visual Studio 2015軟件，編程中首先要實現IExternalCommand接口，用戶在通過外部命令擴展Revit時，必須在外部命令中實現該接口。圖3為軟件的整體框架圖。軟件的核心部分是窗墻比優(yōu)化模塊，該模塊中集成第1節(jié)中所述的窗墻比自動優(yōu)化技術，通過調用MySQL數據庫中的圍護結構屬性參數數據，對現有模型各立面窗墻比進行計算并進行合規(guī)性檢查。

圖2 圍護結構屬性參數提取原理圖

圖3 窗墻比自動軟件框架

3 軟件測試

3.1 建筑概況

以上海市某辦公樓為對象進行軟件測試。該辦公樓地上2層，第一層有辦公室、會議室、娛樂室、衛(wèi)生室，第二層為辦公室、儲物室、衛(wèi)生間。建筑結構形式為混凝土框架結構，建筑高度6 m，總面積900 m2。優(yōu)化前，Revit模型中所有窗戶均使用“組合窗-雙層3列(三散平開)-上部單扇”族，窗戶族類型尺寸為1500 mm×1800 mm。圖4所示為優(yōu)化前的建筑模型。

圖4 優(yōu)化前建筑模型

3.2 運行結果與分析

運行插件，首先在圖5所示的人機界面中輸入氣候分區(qū)及氣候子區(qū)信息，點擊“獲取優(yōu)化前建筑模型信息”按鈕即可獲取優(yōu)化前建筑模型的各項參數，如圖6所示；點擊“開始優(yōu)化”按鈕，即對窗墻比進行優(yōu)化，圖7為優(yōu)化后的建筑模型信息。由圖6可知，優(yōu)化前東、西、南、北4個立面的窗墻比分別為0.241 1，0.245 5，0.219 6，0.218 6，均不滿足規(guī)范要求；由圖7可知，優(yōu)化后4個立面的窗墻比分別為0.174 8，0.178 0，0.157 9和0.187 2，均滿足規(guī)范要求。圖8為優(yōu)化后的建筑模型，經自動優(yōu)化后的建筑模型中窗戶族類型為1200 mm×1500 mm。試驗表明，軟件可以按照預期過程及方法，通過替換窗戶族類型的方式對窗墻比進行修改，且結果可靠。

圖5 用戶輸入界面

圖6 優(yōu)化前建筑模型信息

圖7 優(yōu)化后建筑模型信息

圖8 優(yōu)化后建筑模型

4 結束語

本文采用BIM二次開發(fā)技術，依靠Autodesk Revit提供的豐富的API，成功的將模型參數提取和窗墻比自動優(yōu)化2個過程進行模塊化，研發(fā)出一款基于Revit的窗墻比合規(guī)性檢查軟件，并對軟件的可行性進行了測試。結果顯示本軟件能夠獲得優(yōu)化前后建筑模型的窗墻比等信息，可對窗墻比是否符合標準進行評價；對不符合標準的立面，通過枚舉算法自動優(yōu)化窗墻比，使各立面的窗墻比滿足規(guī)范要求并對Revit模型自動修改。該軟件實現了一鍵式完成窗墻比選定的功能。設計人員在建模時無需考慮窗墻比是否符合標準，只需在一定階段運行該軟件即可保證所建模型窗墻比的合規(guī)性。該軟件為建筑設計者帶來極大的便利，可提高其設計的合理性及有效性。

當然，本軟件也存在一定的不足，建筑氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型的獲取還需要從人機界面手動輸入，后續(xù)還需要做進一步的研發(fā)，提高軟件的便捷性。

[1] 劉立, 劉叢紅, 吳迪, 等.天津辦公建筑空間設計因素節(jié)能分析與優(yōu)化[J].哈爾濱工業(yè)大學學報, 2018, 50(4): 181-187.

[2] MARINO C, NUCARA A, PIETRAFESA M. Does window-to-wall ratio have a significant effect on the energy consumption of buildings? A parametric analysis in Italian climate conditions [J]. Journal of Building Engineering, 2017, 13: 169-183.

[3] 王戎, 王毅, 金曉公, 等. 某辦公樓空調系統(tǒng)能耗模擬[J]. 暖通空調, 2012, 42(9): 40-42.

[4] ALGHOUL S K, RIJABO H G, MASHENA M E. Energy consumption in buildings: A correlation for the influence of window to wall ratio and window orientation in Tripoli, Libya [J]. Journal of Building Engineering, 2017,11:82-86.

[5] 李志紅, 秦翠翠. 基于正交試驗對建筑采光影響因素的顯著性分析[J]. 建筑技術, 2015, 46(11): 1002-1005.

[6] 高敏, 陳思宇, 程遠達, 等. 寒冷地區(qū)半透明光伏窗天然采光質量與節(jié)能潛力的研究[J]. 可再生能源, 2018, 36(5): 682-689.

[7] WEN L W, HIYAMA K, KOGANEI M. A method for creating maps of recommended window-to-wall ratios to assign appropriate default values in design performance modeling: A case study of a typical office building in Japan [J]. Energy and Buildings, 2017, 145: 304-317.

[8] GOIA F. Search for the optimal window-to-wall ratio in office buildings in different European climates and the implications on total energy saving potential [J]. Solar Energy, 2016, 132: 467-492.

[9] 樊新穎, 陳濱. 我國建筑熱工設計參數確定方法依據追溯研究[J]. 建筑科學, 2017, 33(12): 159-164, 171.

[10] 中國建筑科學研究院. GB50189公共建筑節(jié)能設計[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[11] 李昌華, 田思敏, 周方曉. 自適應分塊的BIM墻體輪廓提取及三維重建研究[J]. 計算機科學與探索, 2018, 12(3): 452-461.

[12] FOUNTAIN J, LANGAR S. Building information modeling (BIM) outsourcing among general contractors [J]. Automation in Construction, 2018, 95: 107-117.

[13] LI J M, LI N P, PENG J Q, et al. A review of currently applied building information modeling tools of constructions in China [J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 201: 358-368.

[14] WEI H T, ZHENG S Y, ZHAO L K, et al. BIM-based method calculation of auxiliary materials required in housing construction [J]. Automation in Construction, 2017, 78: 62-82.

[15] 王茹, 方超, 王柳舒. 基于我國清單計價規(guī)范的Revit模型工程量提取[J]. 圖學學報, 2017, 38(3): 447-452.

[16] ILHAN B, YAMAN H K. Green building assessment tool (GBAT) for integrated BIM-based design decisions [J]. Automation in Construction, 2016, 70: 26-37.

Compliance Check of Window-to-Wall Ratio in Revit Modeling

YAN Xiu-ying1, WANG Xiu-dong1, LI Da-wei2

(1. School of Building Services Science and Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China; 2. School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China)

In the process of building design, the window-to-wall ratio has noticeable effect on the energy consumption of indoor air conditioning and lighting. It is significant to control the window-to-wall ratio in a reasonable range for building energy saving. Aiming at the problem of window-to-wall ratio selection in Revit modeling process, this paper studies the calculation method of window-to-wall ratio. Based on the limit value of window-wall ratio given inDesign Standard for Energy Efficiency of Public Buildings (GB50189-2015),Revit is redeveloped by C# language. The software of automatic enumeration algorithm of window-to-wall ratio is compiled and integrated into Revit to check the compliance of window-to-wall ratio in Revit model. The software is tested on an office building in Shanghai. The results show that the software can automatically obtain the ratio range of window-to-wall ratio in the building location, calculate the window-to-wall ratio of each facade of the current model and conduct the comparison. When it does not meet the specifications, the software can quickly adjust it to the norm range, and evaluate whether the optimized ratio of window area of each facade meets the requirements.

window-to-wall ratio; building information modeling; automatic calculation

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040761

A

2095-302X(2019)04-0761-05

2018-12-16；

定稿日期：2019-01-25

國家十三五科技支撐項目(2016YFC0700208)；國家自然科學基金項目(51508446)；陜西省重點研發(fā)計劃項目(2017ZDXM-GY-025)

閆秀英(1980-)，女，河北新樂人，副教授，博士。主要研究方向為建筑智能化與節(jié)能。E-mail：xjdyxy1219@163.com