融合BIM和EnergyPlus技術(shù)的裝配式建筑節(jié)能潛力研究

過(guò)梓琪 霍海娥 陽(yáng)倩 薛麗 錢書文 李晉吉

【摘 ?要】“十四五”以來(lái)，成都市作為夏熱冬冷地區(qū)的代表城市，其裝配式建筑得到了政府的大力推廣。由于目前該地區(qū)裝配式建筑的不同結(jié)構(gòu)體系節(jié)能潛力的研究較為匱乏，此外，在項(xiàng)目決策階段，各參與方專業(yè)領(lǐng)域不同，急需構(gòu)建一個(gè)可視化平臺(tái)為項(xiàng)目的正確決策提供依據(jù)。因此，論文以成都市一棟裝配式建筑為研究對(duì)象，選取成都地區(qū)最為常用的幾種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)用EnergyPlus進(jìn)行節(jié)能潛力計(jì)算，借助C#語(yǔ)言對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)基于BIM三維模型的能耗顯示系統(tǒng)，確定了最佳節(jié)能結(jié)構(gòu)體系，為裝配式建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。在應(yīng)用層面，該系統(tǒng)能夠直觀展現(xiàn)各工況的節(jié)能潛力，可為項(xiàng)目各參與方作出正確決策提供支持。

【關(guān)鍵詞】BIM；EnergyPlus；裝配式建筑；節(jié)能

【中圖分類號(hào)】TU17；TU741 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2023）03-0139-03

1 引言

在“十四五”規(guī)劃出臺(tái)和“雙碳”目標(biāo)提出的大背景下，節(jié)能環(huán)保成為重大命題，裝配式建筑在我國(guó)建筑行業(yè)得到了大力推廣并廣泛應(yīng)用。2016年9月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]，指出要多角度發(fā)展裝配式建筑。2021年，在中辦國(guó)辦印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見(jiàn)》[2]、國(guó)務(wù)院《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》[3]中，均強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展裝配式建筑。近年來(lái)，各個(gè)省市陸續(xù)出臺(tái)了關(guān)于推進(jìn)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的系列激勵(lì)措施。2021年4月，四川省出臺(tái)了《提升裝配式建筑發(fā)展質(zhì)量五年行動(dòng)方案》[4]，計(jì)劃建成一批A級(jí)及以上高裝配率的綠色建筑示范項(xiàng)目?；谝陨蠂?guó)家政策和行業(yè)背景，大量學(xué)者對(duì)裝配式建筑的節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行研究。關(guān)鍵[5]對(duì)裝配式建筑的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，使信息化、數(shù)字化技術(shù)在裝配成套技術(shù)中得到進(jìn)一步落實(shí)，為其綠色節(jié)能發(fā)展提供了方向。武琳和李忠秋[6]對(duì)多層裝配式建筑節(jié)能降耗路徑進(jìn)行了分析，解決了生產(chǎn)效率低、戶型缺少靈活性等問(wèn)題，為多層裝配式住宅標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了思路。但是，目前對(duì)裝配式建筑節(jié)能的研究，大多集中于單個(gè)構(gòu)件[7-10]或技術(shù)革新[11-13]，對(duì)于不同構(gòu)件組合下節(jié)能潛力的研究較少。近年來(lái)，BIM技術(shù)在裝配式建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。王乾坤等[14]為解決我國(guó)裝配式建筑施工能耗可視化的問(wèn)題，基于BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)出裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)，利于施工時(shí)各方?jīng)Q策管理，為綠色施工提供了新思路。彭彩虹等[15]驗(yàn)證了BIM技術(shù)有利于計(jì)算工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件的能耗水平并實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化。現(xiàn)階段，利用BIM技術(shù)對(duì)裝配式建筑進(jìn)行能耗分析這一方法僅用于生產(chǎn)及項(xiàng)目施工階段，并不能廣泛應(yīng)用于各個(gè)工況。對(duì)于能耗的計(jì)算普遍以公式為基礎(chǔ)，采用量化計(jì)算的方法，工作量大，且計(jì)算方法和測(cè)算軟件的專業(yè)性過(guò)高，非專業(yè)人員難以理解和操作。因此，在實(shí)際項(xiàng)目中，急需以BIM系統(tǒng)為平臺(tái)開(kāi)發(fā)構(gòu)建一個(gè)能耗顯示系統(tǒng)，既能廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目各個(gè)階段，也能簡(jiǎn)化能耗計(jì)算過(guò)程。

本文根據(jù)上述研究背景和當(dāng)前研究存在的不足，結(jié)合EnergyPlus能耗軟件，選用現(xiàn)有市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的5種裝配式外墻、4種裝配式屋面、3種節(jié)能外窗類型，進(jìn)行不同的圍護(hù)構(gòu)造組合，對(duì)建筑氣候分區(qū)中經(jīng)緯跨度最大的夏熱冬冷地區(qū)進(jìn)行裝配式建筑能耗分析，得到最節(jié)能的組合方式，為設(shè)計(jì)人員提供參考，也為裝配式建筑節(jié)能提供一個(gè)新的方向。同時(shí)，借助C#語(yǔ)言，基于BIM體系進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將建筑信息與模擬結(jié)果體現(xiàn)在Revit軟件中，實(shí)現(xiàn)能耗和建筑模型的動(dòng)態(tài)交互，對(duì)能耗信息進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

2 模型建立

2.1 建筑模型

本文選擇成都市作為夏熱冬冷地區(qū)的代表城市，研究對(duì)象為層高3 300 mm、建筑面積683.28 m2的3層裝配式建筑。對(duì)每個(gè)房間編號(hào)命名，命名采用前一位為樓層號(hào)、后兩位為房間號(hào)的形式，如101、102、201等，建筑CAD平面圖如圖1所示。通過(guò)前期的實(shí)地調(diào)研得出成都市最具代表性的5種裝配式外墻、4種裝配式屋面、3種節(jié)能外窗類型，見(jiàn)表1。

2.2 Revit模型

Revit作為BIM主流的建模軟件，具有參數(shù)化、開(kāi)發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且Revit所建立的每一個(gè)圖元對(duì)應(yīng)獨(dú)一無(wú)二的ID號(hào)。為達(dá)到本次研究的目的，本文利用房間標(biāo)記先準(zhǔn)確定位到建筑物的某個(gè)房間，繼續(xù)通過(guò)組成該房間的組成圖元所對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，鎖定對(duì)應(yīng)圖元。將對(duì)應(yīng)圖元與后期附加模塊連接，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通過(guò)點(diǎn)擊附加模塊中的選項(xiàng)即可查看不同類型的構(gòu)件組合的房間所對(duì)應(yīng)的能耗信息、材質(zhì)信息。

建模步驟：將3層建筑進(jìn)行拆分，單獨(dú)創(chuàng)建每個(gè)小房間，通過(guò)“房建標(biāo)記”對(duì)房間進(jìn)行區(qū)分，例如，房間1、房間2，方便后期進(jìn)行準(zhǔn)確定位。將每個(gè)小房間組成圖元的ID號(hào)，組成單個(gè)小集合，以TXT文檔形式保存。對(duì)于兩個(gè)房間的公共墻，其對(duì)應(yīng)ID號(hào)分別存在于房間1和房間2的ID集合中，重復(fù)以上步驟，最終完成對(duì)BIM模型的建立，見(jiàn)圖2。

2.3 能耗模型

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)SketchUp建模并使用OpenStudio插件對(duì)各獨(dú)立房間進(jìn)行熱工分區(qū)，導(dǎo)出idf模型信息文件并導(dǎo)入EnergyPlus，模擬得到各房間室溫及能耗，所需的室內(nèi)參數(shù)可參照規(guī)范設(shè)置，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3.2 模擬結(jié)果

本文選取304號(hào)房間作為典型房間，對(duì)其進(jìn)行熱工性能的比較，通過(guò)模擬得到不同組合的全年能耗數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。由此可知，能耗最小的組合為外墻四+屋面一+外窗三（即外墻為20 mm水泥砂漿+300 mmALC外墻板+30 mm水泥基泡沫保溫板+20 mm水泥砂漿，屋面為20 mm水泥砂漿+80 mmXPS+120 mm預(yù)制混凝土疊合板+20 mm水泥砂漿，外窗為3層Low-E雙鍍膜玻璃的組合）；能耗最大的組合為外墻五+屋面四+外窗二組合（即外墻為20 mm水泥砂漿+20 mm預(yù)制混凝土墻+50 mm巖棉板+20 mm水泥砂漿，屋面為40 mm細(xì)石混凝土+30 mm水泥砂漿+40 mmXPS+80 mm輕集料混凝土+190 mm鋼筋混凝土板，外窗為中透低輻射玻璃）。

3 融合BIM和EnergyPlus技術(shù)的裝配式建筑能耗測(cè)算系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

該系統(tǒng)需滿足建筑在不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合下，向客戶端展示相應(yīng)的參數(shù)信息的需求，并且為了使系統(tǒng)流程具備普遍性、實(shí)用性與適用性，本研究結(jié)合C#語(yǔ)言與Autodesk Revit軟件提供的SDK，進(jìn)行Autodesk Revit軟件的二次開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如下。

3.1.1 附加模塊處理

在附加模塊中添加“外部工具”。首先安裝Revit以及Visual Studio開(kāi)發(fā)工具，其次找到SDK的安裝目錄，打開(kāi)Add-In-Manager文件夾，將其中的文件復(fù)制到C：＼Users＼AAD＼

AppData＼Roaming＼Autodesk＼Revit＼Addins＼2018。復(fù)制完成后，打開(kāi)Autodesk.AddInManager.addin文件，將該文件中的路徑C：＼ProgramData＼Autodesk＼Revit＼Addins＼2018＼AddInManager.

dll改為安裝路徑即可。

3.1.2 用戶界面設(shè)計(jì)

在本軟件中，用戶點(diǎn)擊Revit主界面-附加模塊-系統(tǒng)圖標(biāo)，觸發(fā)OnStartup事件，系統(tǒng)將彈出窗口，該窗口提供了5種外墻類型、4種屋面類型以及3種外窗類型，在后臺(tái)分別用string型變量wallName、roofName、windowName表示。用戶自行在3種類別中各自選擇一種類型。在Button_Click（object sender， RoutedEventArgse）方法中，程序通過(guò)檢測(cè)每個(gè)組件是否被用戶選擇，即相應(yīng)的IsChecked屬性，以此判斷用戶所選的類型。為實(shí)現(xiàn)用戶在每個(gè)類型下只能選擇一項(xiàng)，需要通過(guò)組件間的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。例如，如果選擇了外墻一，則需要將外墻二、外墻三、外墻四、外墻五分別設(shè)置為不選中，并將其IsChecked屬性設(shè)置為false。編程代碼如下：

private void wall1_Checked（object sender， RoutedEventArgs e）

{

wall2.IsChecked = false;

wall3.IsChecked = false;

wall4.IsChecked = false;

wall5.IsChecked = false;

}

通過(guò)塊間約束使得用戶在同一類別中只能選擇一種類型。用戶選擇完成后，點(diǎn)擊提交按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)用戶選擇的類型生成相應(yīng)的參數(shù)信息，并通過(guò)新窗口來(lái)顯示。

3.1.3 參數(shù)信息生成

參數(shù)信息類InfoUI實(shí)現(xiàn)了信息的交互、參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。用戶選擇完成之后，系統(tǒng)使用wallName、roofName以及windowName這3個(gè)臨時(shí)變量來(lái)記錄用戶的選擇，然后去后臺(tái)搜索與之匹配的數(shù)據(jù)，最終將這些數(shù)據(jù)以表格形式展現(xiàn)給用戶。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

打開(kāi)Revit 2018，點(diǎn)擊附加模塊-外部-外部工具-Add in Manager（Manual Mode），在彈出窗口中點(diǎn)擊Load，將dll的生成目錄復(fù)制到Revit中，點(diǎn)擊保存。創(chuàng)建完成后將生成的.addin文件存入默認(rèn)路徑，Revit軟件將自動(dòng)讀取文件內(nèi)容，并識(shí)別和執(zhí)行外部命令和外部應(yīng)用程序。

3.2.1 建筑構(gòu)件參數(shù)顯示

在BIM中導(dǎo)入建筑模型，加載該軟件，在附加模塊下點(diǎn)擊軟件圖標(biāo)，系統(tǒng)將彈出用戶選擇界面。在外墻、屋面與外窗3種選擇列表中勾選一種，點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)將根據(jù)所選類型顯示相應(yīng)的信息參數(shù)，并以列表呈現(xiàn)。

3.2.2 全年室溫與能耗展示

能耗模擬應(yīng)用：點(diǎn)擊一個(gè)房間，程序通過(guò)獲取該房間的ID號(hào)，由此定位到該構(gòu)件（房間）在模型中的確切位置，后臺(tái)根據(jù)其參數(shù)信息計(jì)算得出相關(guān)能耗信息，同時(shí)，以柱狀圖的形式在窗口展示，如圖3所示，室內(nèi)溫度等其他信息均以圖3形式表示。

4 結(jié)論

本文基于BIM與EnergyPlus技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑熱工性能與三維模型的實(shí)時(shí)交互，得到如下結(jié)論：第一，本文以夏熱冬冷地區(qū)的一棟裝配式建筑為研究對(duì)象，分析了不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的節(jié)能潛力，確定了適合該地區(qū)的最佳結(jié)構(gòu)體系（即外墻為20 mm水泥砂漿+300 mmALC外墻板+30 mm水泥基泡沫保溫板+20 mm水泥砂漿，屋面為20 mm水泥砂漿+80 mmXPS+120 mm預(yù)制混凝土疊合板+20 mm水泥砂漿，外窗為3層Low-E雙鍍膜玻璃的組合），為該地區(qū)裝配式建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。第二，借助C#語(yǔ)言，對(duì)Revit軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)基于BIM三維模型的能耗顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)⒏鞴r下的建筑熱工性能參數(shù)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示功能。第三，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在改變建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的情況下，將裝配式建筑節(jié)能潛力實(shí)時(shí)反饋與動(dòng)態(tài)更新，方便建設(shè)工程中各參與方的溝通，具有實(shí)用性與可靠性。

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