基于BIM的裝配式建筑施工能耗可視化模型與系統(tǒng)開發(fā)

王乾坤， 申楚雄， 郭 曾， 段宏磊， 郭佩文

(1. 武漢理工大學(xué) a. 土木工程與建筑學(xué)院； b. 三亞科教創(chuàng)新園， 湖北 武漢 430070)

近些年來，建筑越來越注重綠色與環(huán)保，對建筑的節(jié)能減排要求越來越高，能耗成為一個重要研究對象。裝配式建筑具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、預(yù)制化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的特點，相比于濕法作業(yè)更加節(jié)能環(huán)保，其建筑規(guī)模越來越大。國內(nèi)外有關(guān)裝配式建筑能耗研究主要集中在全生命周期，對施工過程的能耗分析相對較少[1]。從全生命周期的角度看，裝配式建筑的運營階段最長，因此運營階段的能耗也是所有階段中最大的。但是在施工階段，短時間內(nèi)為了完成項目施工建設(shè)可能產(chǎn)生大量的能源消耗，其能源的消耗是爆發(fā)式的，施工階段的單位時間能耗更高[2]。對建筑的施工能耗進行可視化研究，在施工初期對整個施工階段的能耗情況進行模擬，便于進行施工能耗的削峰填谷，對提高能源利用率，進行節(jié)能減排具有重要作用。因此，對于裝配式建筑施工階段的能耗可視化研究有著較大的意義。

建筑信息模型(Builiding Information Modeling，BIM)是以三維建模為基礎(chǔ)，關(guān)聯(lián)各工程信息的數(shù)字化模型，是一個可以為建設(shè)項目各方共享信息的平臺，由產(chǎn)品模型、過程模型、決策模型三方面組成。BIM技術(shù)是建筑行業(yè)的一次革命，實現(xiàn)了由2D施工圖紙到3D虛擬模型的轉(zhuǎn)變[3,4]。在BIM3D的基礎(chǔ)上，進行功能的拓展，附加進度、成本等信息，構(gòu)建以BIM3D為基礎(chǔ)的BIM-nD信息模型，幫助決策者進行項目管理[5]。范冰輝等[6]以三維信息模型為基礎(chǔ)，附加進度信息和風(fēng)險信息，開發(fā)了基于BIM5D(BIM3D+Time+Risk)的橋梁工程動態(tài)風(fēng)險評估系統(tǒng)；劉佳靜等[7]從設(shè)計階段出發(fā)，通過BIM建模和用戶行為模擬，提出了BIM環(huán)境下集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測方法?，F(xiàn)有BIM應(yīng)用研究主要通過BIM附加進度、成本、風(fēng)險等信息，建立基于BIM的nD信息模型及管理平臺，沒有研究將施工能耗作為一個維度進行信息附加并進行管理；對于裝配式建筑施工能耗的研究方面，多采取理論預(yù)估，沒有進行可視化研究。

本文在充分考慮裝配式建筑特點的基礎(chǔ)上，以BIM三維模型為基礎(chǔ)，附加進度信息和能耗定額信息，建立基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化模型，在此基礎(chǔ)上基于BIM平臺進行裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)開發(fā)，以可視化的方法實現(xiàn)裝配式建筑施工能耗的動態(tài)展示，解決裝配式建筑施工能耗的可視化問題，為管理者進行施工階段的節(jié)能減排提供基礎(chǔ)。

1 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化模型構(gòu)建

1.1 模型構(gòu)建原理

基于BIM5D的施工能耗可視化模型是以三維模型為基礎(chǔ)，附加建筑構(gòu)件信息，通過WBS(Work Breakdown Structure)分解附加進度信息、預(yù)算信息的信息集成模型。首先通過建模軟件，建立裝配式建筑三維信息模型(3D模型)；然后，利用WBS方法，將裝配式建筑施工能耗項目逐層分解，生成施工能耗清單項目，并附加施工進度信息，建立4D模型；最后通過清單附加預(yù)算信息，包括人、材、機等的能源消耗，創(chuàng)建基于BIM技術(shù)的施工能耗可視化模型。按照各分部分項工程的資源計劃使用需求，通過能耗可視化模型轉(zhuǎn)化為施工能耗，就能夠?qū)崿F(xiàn)施工能耗的可視化展示。

(1)三維信息模型

三維信息模型是利用BIM建模軟件建立建設(shè)項目的三維模型，附加建筑構(gòu)件的基本信息，包括材料信息、尺寸信息、工程量信息等。三維信息模型是進行進度信息、能耗信息附加，實現(xiàn)施工能耗可視化的基礎(chǔ)。目前進行BIM3D建模的軟件眾多，包括Revit，Bentley，ArchiCAD，CATLA。在我國，BIM的核心建模軟件是Revit，其功能豐富，完全基于BIM建模的理念進行功能設(shè)計，本文建立的是施工之前的三維信息模型，專注于模型的建立，因此選取Revit作為BIM3D建模軟件。通過三維信息模型可以進行建筑物的虛擬展示，查詢建筑物每個構(gòu)件的基本信息，同時也能在三維信息模型的基礎(chǔ)上附加其他信息擴展為新的信息模型。

(2)BIM4D進度信息模型

BIM4D進度信息模型是在三維信息模型上附加進度信息形成的構(gòu)件-進度關(guān)聯(lián)信息模型，將三維信息模型和施工進度計劃數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)BIM4D的進度管理。BIM4D進度信息模型包括兩個方面，一是三維信息模型，二是施工進度計劃。三維信息模型通過BIM技術(shù)建立，進度計劃一般是由管理者通過一系列軟件，如Project，P6等在施工準(zhǔn)備階段就已經(jīng)建立好的。通過BIM4D進度信息模型，在三維信息模型上附加每個工作所包含的建筑構(gòu)件的施工開始時間和結(jié)束時間，建立進度與建筑構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使每一個建筑構(gòu)件包含了時間信息，就可以進行施工模擬，演練建筑的施工過程。

(3)能耗信息模型

能耗信息模型是在三維信息模型上附加能耗定額信息形成構(gòu)件-能耗的關(guān)聯(lián)信息模型，將能耗信息和三維信息模型關(guān)聯(lián)起來實現(xiàn)能耗管理。能耗信息模型包括兩個方面，一是三維信息模型，二是施工能耗信息。三維信息模型通過BIM技術(shù)建立，施工能耗信息參考裝配式建筑工程消耗量定額，每個定額項目包含了人、材、機的能源消耗。在能耗信息模型中，能耗定額信息一般以構(gòu)件為基礎(chǔ)，每個定額項目包含人、材、機的能源消耗。因此，我們能夠很好的將能耗定額信息與裝配式建筑構(gòu)件關(guān)聯(lián)起來，以構(gòu)件為單位，在三維信息模型上附加施工能耗定額，得到每個建筑構(gòu)件的施工能耗定額信息。

(4)基于BIM技術(shù)的施工能耗信息模型

基于BIM技術(shù)的施工能耗信息模型將三維信息模型、BIM4D進度信息模型、能耗信息模型進行了有效集成，以WBS為核心進行項目分解，以構(gòu)件為基本單元，通過三維信息模型中的建筑構(gòu)件附加進度信息和預(yù)算信息，能夠有機地演練建設(shè)項目施工過程的能源消耗?；贐IM的施工能耗信息模型實現(xiàn)了建筑構(gòu)件、WBS、進度信息、能耗信息的相互關(guān)聯(lián)，如圖1所示。要創(chuàng)建基于BIM技術(shù)的施工能耗信息模型，需要建立三維信息模型、BIM4D進度信息模型、能耗信息模型中的實體，并進行實體之間的關(guān)聯(lián)。

圖1 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化模型

1.2 施工能耗計算

施工過程分析法是結(jié)合建設(shè)項目的施工工藝，以施工過程中的能源消耗為計算目標(biāo)，計算施工能耗。每一個施工過程能耗的影響因素包括：設(shè)備種類、設(shè)備功率、工作時間。通過施工能耗可視化模型實體的構(gòu)建，我們在每一個建筑構(gòu)件上都能夠附加進度信息和能源消耗信息。

通過工程項目的施工過程進行分解，將項目分解為一個個施工工序，每一個施工工序包括不同構(gòu)件的直接和間接的能源消耗，通過綜合量化計算可以得到某一個施工工序包含的構(gòu)件安裝施工能耗。第i種構(gòu)件安裝能耗Ei的計算公式為：

(1)

式中：m為所需機械設(shè)備的種類；Pj為單位構(gòu)件產(chǎn)量第j種機械設(shè)備的功率；Tj為單位構(gòu)件產(chǎn)量第j種機械設(shè)備的工作時間；Qi為構(gòu)件的產(chǎn)量。

將單個清單項目的全部施工工序包含的構(gòu)件安裝能耗疊加，得到每個清單項目施工能耗，第k個清單項目能耗Ek的計算公式為：

(2)

式中：n為該清單項目構(gòu)件的數(shù)量。

將施工網(wǎng)絡(luò)計劃中某項工作的各清單項目的施工能耗統(tǒng)計起來，能得到該項工作的施工能耗。第w個網(wǎng)絡(luò)計劃的工作能耗Ew為：

(3)

式中：l為該工作的清單數(shù)量。

基于BIM技術(shù)的施工能耗信息模型將三維信息、進度信息、能耗信息進行了有效集成，對于每項工作每天對能源的消耗水平視作同一水平，以總能耗與工作持續(xù)時間的比值作為日平均能耗；同時，考慮到非關(guān)鍵工作存在可調(diào)整時間的情況，將關(guān)鍵工作和非關(guān)鍵工作分開計量，從而得到日平均能耗Eday公式為：

(4)

式中：E關(guān)為當(dāng)日所在關(guān)鍵工作的施工總能耗；N關(guān)為該關(guān)鍵工作的持續(xù)時間；E非關(guān)z為當(dāng)日所在z非關(guān)鍵工作的施工總能耗；N非關(guān)z為z非關(guān)鍵工作的持續(xù)時間；Z為當(dāng)日非關(guān)鍵工作的數(shù)量。

得到日平均能耗后，即可解決施工能耗的可視化問題，在施工初期實現(xiàn)建筑施工階段的施工能耗隨工期的動態(tài)展示，為管理者進行施工計劃的調(diào)整、節(jié)能減排提供依據(jù)。

2 基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)開發(fā)

本文擬通過BIM建模軟件Revit進行二次開發(fā)，將施工階段的幾何信息、進度信息、能耗信息集成到一個可視化的5D(BIM3D+Time+CE)模型中，建立基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)需求分析

(1)信息的可視化

信息的可視化是指通過BIM軟件建立三維信息模型，并且將各類信息附加到模型里面進行展示，讓管理者能夠清晰地觀察到各個時間段的能耗情況，便于對能源使用的“波峰”和“波谷”期采取優(yōu)化措施，保證項目管理的進度、成本、質(zhì)量，為節(jié)能減排提供基礎(chǔ)。

(2)施工過程模擬

施工模擬是指通過施工進度計劃，模擬建設(shè)項目的建設(shè)過程。在BIM三維模型的基礎(chǔ)上通過加入施工進度計劃，就能夠?qū)⒔ㄔO(shè)項目的建造過程動態(tài)演練出來。通過對項目的施工模擬，與信息進行關(guān)聯(lián)，能夠進行進度-信息一體化展示，選擇施工過程的能耗信息進行關(guān)聯(lián)，對能源的消耗信息進行匯總，就可以生成能耗-進度信息曲線，幫助管理者選擇優(yōu)化，輔助決策。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)的功能需求，將不同的模塊功能進行封裝，通過命名空間將不同的方法和類組織在一起。系統(tǒng)按功能可以劃分為可視化和界面交互兩個部分，基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)的功能函數(shù)庫架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

Revit與傳統(tǒng)CAD建模不同，實現(xiàn)了二維向三維的轉(zhuǎn)變。Revit包括建筑、結(jié)構(gòu)、機電三個專業(yè)模塊，為建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備管理提供了方案。除了自身功能強大以外，Revit本身基礎(chǔ)功能強大，留給用戶開發(fā)的空間大。Revit提供了應(yīng)用程序的編程接口Revit API，通過該接口，我們可以根據(jù)自身的功能需求，對Revit進行二次開發(fā)，包括翻模、功能優(yōu)化、BIM平臺建設(shè)、工程量提取等，從而豐富Revit的使用內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)界面設(shè)計

系統(tǒng)界面主要包括可視化和交互兩個部分，可視化部分即能耗信息顯示界面，包括兩個方面：一個是獨立構(gòu)件的總能耗，包括構(gòu)件種類和能耗量兩欄；第二個是隨著時間進度變化的每日施工能耗，包括時間進度和能耗量兩欄。能耗信息顯示界面的功能是實現(xiàn)能耗隨工期變化的動態(tài)展示。交互部分即構(gòu)件信息附加界面，進行構(gòu)件的進度信息和能耗定額信息的附加操作。能耗定額信息包括用能機械設(shè)備種類及其定額消耗；進度信息包括構(gòu)件安裝的開始時間、結(jié)束時間以及總用時，與施工網(wǎng)絡(luò)進度計劃關(guān)聯(lián)。進度信息和能耗定額信息的附加都可以通過手動輸入方式來實現(xiàn)。

2.4 可視化系統(tǒng)的應(yīng)用流程

首先我們打開Revit軟件，導(dǎo)入相應(yīng)的裝配式建筑工程模型，以外部應(yīng)用的方式自動加載插件；然后我們通過點擊單一建筑構(gòu)件，進入構(gòu)件信息附加界面，參考工程的施工網(wǎng)絡(luò)進度計劃以及裝配式建筑工程消耗量定額標(biāo)準(zhǔn)，對每一個構(gòu)件單元進行進度信息和能耗定額信息的附加；當(dāng)所有進度、能耗信息附加完畢之后，保存數(shù)據(jù)，點擊進度能耗或者構(gòu)件能耗，最終的結(jié)果就會在進度能耗顯示界面或者構(gòu)件能耗顯示界面進行展示，可視化系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖3所示。

圖3 施工能耗可視化系統(tǒng)應(yīng)用流程

3 案例分析

3.1 案例概況

以武漢某“裝配式鋼結(jié)構(gòu)示范工程”為例進行分析，該工程占地166 m2(不含道路、綠化等附屬設(shè)施)，由10個模塊化箱體式單元組合成2層樓，建筑面積約300 m2。施工網(wǎng)絡(luò)進度計劃如圖4所示。

圖4 武漢某“裝配式鋼結(jié)構(gòu)示范工程”施工網(wǎng)絡(luò)進度計劃

3.2 基于BIM技術(shù)的施工能耗可視化

(1)BIM3D模型建立

通過Revit建立武漢某“裝配式鋼結(jié)構(gòu)示范工程”的3D模型，創(chuàng)建模型的各個結(jié)構(gòu)部件，如圖5所示。

圖5 武漢某“裝配式鋼結(jié)構(gòu)示范工程”BIM模型

將原有的三維信息模型導(dǎo)入到基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗的可視化系統(tǒng)，通過施工網(wǎng)絡(luò)計劃和《湖北省裝配式建筑施工消耗量定額》進行進度信息和能耗定額信息的附加。以柱為例，我們在構(gòu)件信息附加界面的“其他”一欄添加預(yù)制柱的能耗定額信息和進度信息，里面的開始時間、結(jié)束時間、用能機械設(shè)備等參數(shù)均可以通過手動輸入方式進行更改，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)柱的信息附加

在三維信息模型的基礎(chǔ)上將所有的構(gòu)件通過WBS關(guān)聯(lián)進度信息和能耗定額信息之后，就可以在系統(tǒng)內(nèi)進行裝配式建筑施工能耗的可視化計算，演練該工程的施工過程，按照前文所介紹的可視化方法，將各數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，點擊插件窗口按鍵界面中的構(gòu)件能耗和進度能耗，就可以得到相應(yīng)的能耗信息。設(shè)置初始網(wǎng)絡(luò)進度計劃中所有的工作均按照最早開始時間進行施工，施工工期假定為2020年7月1日開始，7月26日結(jié)束。點擊系統(tǒng)內(nèi)部的進度能耗方案就能得到相應(yīng)的進度能耗，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，對于初始進度計劃，施工能耗的起伏較大，能耗的波峰期在月初以及12，13號，此時需要及時進行能源的供給，防止能源供給不足從而產(chǎn)生停工現(xiàn)象；而在18，19號，能源消耗量極少，容易產(chǎn)生能源的閑置和浪費現(xiàn)象。同時，可以從兩個角度對施工能耗進行管理：一方面，可以調(diào)節(jié)非關(guān)鍵工作的開始時間，對施工能耗進行均衡優(yōu)化，保持能耗的均衡水平有助于施工生產(chǎn)效率的提高，同時也對項目管理有益；另一方面，對施工能耗較高的施工工藝進行節(jié)能研究，采取新方法、新工藝進行施工，降低施工能耗水平。

圖7 進度-能耗曲線

4 結(jié) 論

本文通過對裝配式建筑的能耗分析，通過WBS分解，關(guān)聯(lián)進度計劃信息和預(yù)算能耗信息，實現(xiàn)模型構(gòu)件、進度信息、能耗信息三者的關(guān)聯(lián)，建立基于BIM技術(shù)的裝配式建筑施工能耗可視化模型；在可視化模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合信息的可視化、施工過程可模擬的現(xiàn)實需求，進行Revit二次開發(fā)，建立了基于BIM技術(shù)的施工能耗可視化系統(tǒng)，并通過武漢某“裝配式鋼結(jié)構(gòu)示范工程”進行了案例驗證，解決了裝配式建筑施工能耗的可視化問題?；贐IM技術(shù)的施工能耗可視化模型構(gòu)建和系統(tǒng)開發(fā)在施工準(zhǔn)備階段實現(xiàn)了施工能耗可視化展示，管理者可以在施工可視化的基礎(chǔ)上進行管理決策，為控制施工階段的能耗，實現(xiàn)科學(xué)合理的能源消耗，保證施工能耗的均衡水平，實現(xiàn)綠色施工提供了新思路。