Revit建模过程中窗墙面积比的合规性检查

闫秀英，王秀东，李大伟

Revit建模过程中窗墙面积比的合规性检查

闫秀英1，王秀东1，李大伟2

(1. 西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院，陕西 西安 710055； 2.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055)

在建筑设计过程中，窗墙面积比(简称窗墙比)值的大小对室内的空调能耗和照明能耗有很大的影响，将其控制在合理范围内对建筑节能意义重大。针对Revit建模过程中窗墙比选定的问题，研究了窗墙比的计算及合规性检查方法，以《公共建筑节能设计规范》(GB50189-2015)中给出的窗墙比限值为依据，采用C#语言开发出基于枚举的窗墙比合规性检查软件并将其集成到Revit中，实现对Revit模型窗墙比的合规性检查。以上海某办公楼为对象进行软件测试，结果表明该软件能够自动获取建筑所在地的窗墙比取值范围，计算出当前模型各立面的窗墙比并与之比较，当某立面窗墙比不满足规范时，能够迅速将其调至规范值范围内，并对调整后的各立面窗墙比是否满足国家标准作出评价。

窗墙面积比；建筑信息模型；自动调整

目前，建筑能耗约占全球总能耗的1/3，且这一比例还在逐年上升，而窗墙面积比(简称窗墙比)是建筑能耗的一个重要影响因素[1-2]。相关研究表明，随着窗墙比的增加，建筑内空调的供暖季耗热量指标呈现先减小后增加的趋势，当窗墙比约为0.3时，出现拐点，达到最小值；而空调季耗冷量指标随着窗墙比的增大而增大，窗墙比每增加0.1耗冷量指标约增加9.5%。其直接影响到建筑能耗[3-4]；同时，窗墙比的变化对室内的天然采光质量也有影响，其影响的显著性仅次于房间进深[5]。当窗墙比为43%时，室内天然采光质量较好，当高于43%时，室内会出现眩光现象[6]。因此，确定一个合理的窗墙比是建筑设计过程中的关键一步。目前，国内外学者对如何确定一个合理的窗墙比做了大量研究。文献[7]提出了用于创建推荐窗墙比映射的方法，即在设计建模过程中分配窗墙比的适当默认值；文献[8]通过综合热和光照模拟以及对建筑设备的效率、人工照明的有效性和建筑物的紧凑型的灵敏度分析，得出了一个窗墙比的理想值范围0.30~0.45；2015年我国颁布的《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)对窗墙比进行了精细划分，按不同气候区、不同建筑类型、不同建筑层高给出窗墙比限值[9-10]。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)的出现为建筑业带来了一场新的革命，受到国内外学者和业界的普遍关注[11]。其包含了建筑的全部信息，可以提供形象可视的二维和三维图纸，为各个部门之间的相互沟通、协同工作提供了便利[12]。在建筑业中，应用最多的BIM设计软件是Autodesk公司开发的Autodesk Revit，该软件除了自身功能强大之外，还提供了丰富的API，用户可以根据自身的需求，对Revit进行二次开发，增强其功能[13]。目前国内外学者已为Revit开发了许多新的功能，如建筑所需辅助材质计算、基于我国计价清单的工程量提取、绿色建筑评估等[14-16]，但仍未有一款软件能够提供自动评价及修改窗墙比的功能。因此只能在设计过程中采用查询相关标准或利用能耗计算软件进行模拟的方法提前确定窗墙比。在建筑设计逐渐向三维设计过渡的大趋势下，本文以功能强大、可二次开发的Autodesk Revit为平台，以《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)中给出的窗墙比限值为依据，以Visual Studio 2015软件及C#语言为工具，结合窗墙面积比的计算及修改方法，对Revit进行二次开发，实现在Revit建模过程中直接对当前建筑模型各立面窗墙比进行评价及自动修改。从而让设计者能够省去大量重复性的模型修改工作，方便、快捷、合理的完成窗墙比选定这一关键步骤，确保所建模型的窗墙比在标准范围内。

1 窗墙比优化技术

窗墙比是建筑设计中一个极为重要的热工参数。在建筑能耗中空调和照明能耗分别占整个建筑能耗的40%~60%和20%~35%。窗墙比值的选择对空调负荷及室内采光效率均有很大影响，并对建筑节能意义重大。目前，在使用Revit进行三维设计过程中，每个窗户均需要手动放置，在设计过程中一旦发现窗墙比不符合标准就需逐一的进行手动修改。如果项目较大、发现较晚，修改窗户尺寸将会是一项极为繁琐的工作，必定会造成工作效率的下降。为此，在Revit原有功能的基础上扩展窗墙比评价及合规性检查的功能，实现窗墙比合规性快速检验及自动调整。

1.1 计算依据

窗墙比计算依据我国2015年颁布的《公共建筑节能设计规范》(GB50189-2015)，该规范第3.3.1-3.3.2条对各地区甲类公共建筑窗墙比的取值范围作出了明确规定，本文开发的基于BIM软件的最终目的是保证建筑模型各立面的窗墙比都在此范围内。首先需要获取建筑所在地的气候分区及气候子区类型、建筑的体形系数以及外窗户的传热系数，据此查表，即可获得窗墙比的约束条件。表1为严寒A、B区甲类公共建筑窗墙比限值；表2为严寒C区甲类公共建筑窗墙比限值。

表1 严寒A、B区甲类公共建筑窗墙比值

表2 严寒C区甲类公共建筑窗墙比值

1.2 基础数据获取

(1) 建筑气候分区及气候子区类型。其类型参照《公共建筑节能设计规范》(GB50189-2015)，分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖及温和5个区。其中严寒区分为A，B，C 3个子区；另4个区又分为A，B 2个子区。

(2) 建筑物体形系数。该系数是通过计算得到的。计算建筑物体形系数需要用到以下围护结构参数：①东、西、南、北各立面的外墙总面积A，A，A，A；②东、西、南、北各立面的窗户总面积A，A，A，A；③屋顶表面积A；④各房间体积V(为房间号)。

建筑物体形系数计算如下

(4) 窗墙面积比。对于优化前后的建筑模型各立面窗墙比均需进行计算，即

1.3 计算方法

对窗墙比计算优化的目标函数为

其中，A, j为立面的窗户总面积(m2)；S,j为立面第个窗户族中某一族类型的面积(m2)；n为第个窗户族的族实例个数。

另当n为定值，A,j和S,j的约束条件为

其中，(,]为窗户总面积的取值范围。

根据式(4)中S,i的限制条件，可以得到有限个不同枚举元素可能解的集合，采用枚举算法找出一个枚举元素[1,2,3,···,S]，将其代入式(2)使得计算结果满足<A, j≤。分别将立面的第个窗户的窗户族类型替换为1,2,3,···,S对应的窗户族类型1,2,3,···,L，即可实现窗墙比的优化。

1.4 优化流程

图1 窗墙比优化流程图

2 软件整体框架

窗墙比自动优化软件主要由围护结构属性参数提取与数据库存储管理模块和窗墙比优化模块2部分组成。其中，围护结构属性参数提取与数据库存储管理模块负责从模型中提取围护结构的ID、宿主ID、面积、体积、方位、传热系数、日光得热系数等参数并将其存储到数据库中，其是后续进行窗墙比计算的前提。围护结构属性参数提取的原理如图2所示，模块通过API提供的方法获取相应参数；窗墙比优化模块则是在判定某立面的窗墙比不符合标准规定时采用枚举算法计算窗墙比，并对模型进行修改。软件在运行过程中首先通过查询围护结构属性参数数据库中的外墙、外墙窗户等相关参数计算出当前模型各立面窗墙比的值，然后查询该地区窗墙比限值，进而对窗墙比的值超出此范围的立面进行优化。二次开发采用Visual Studio 2015软件，编程中首先要实现IExternalCommand接口，用户在通过外部命令扩展Revit时，必须在外部命令中实现该接口。图3为软件的整体框架图。软件的核心部分是窗墙比优化模块，该模块中集成第1节中所述的窗墙比自动优化技术，通过调用MySQL数据库中的围护结构属性参数数据，对现有模型各立面窗墙比进行计算并进行合规性检查。

图2 围护结构属性参数提取原理图

图3 窗墙比自动软件框架

3 软件测试

3.1 建筑概况

以上海市某办公楼为对象进行软件测试。该办公楼地上2层，第一层有办公室、会议室、娱乐室、卫生室，第二层为办公室、储物室、卫生间。建筑结构形式为混凝土框架结构，建筑高度6 m，总面积900 m2。优化前，Revit模型中所有窗户均使用“组合窗-双层3列(三散平开)-上部单扇”族，窗户族类型尺寸为1500 mm×1800 mm。图4所示为优化前的建筑模型。

图4 优化前建筑模型

3.2 运行结果与分析

运行插件，首先在图5所示的人机界面中输入气候分区及气候子区信息，点击“获取优化前建筑模型信息”按钮即可获取优化前建筑模型的各项参数，如图6所示；点击“开始优化”按钮，即对窗墙比进行优化，图7为优化后的建筑模型信息。由图6可知，优化前东、西、南、北4个立面的窗墙比分别为0.241 1，0.245 5，0.219 6，0.218 6，均不满足规范要求；由图7可知，优化后4个立面的窗墙比分别为0.174 8，0.178 0，0.157 9和0.187 2，均满足规范要求。图8为优化后的建筑模型，经自动优化后的建筑模型中窗户族类型为1200 mm×1500 mm。试验表明，软件可以按照预期过程及方法，通过替换窗户族类型的方式对窗墙比进行修改，且结果可靠。

图5 用户输入界面

图6 优化前建筑模型信息

图7 优化后建筑模型信息

图8 优化后建筑模型

4 结束语

本文采用BIM二次开发技术，依靠Autodesk Revit提供的丰富的API，成功的将模型参数提取和窗墙比自动优化2个过程进行模块化，研发出一款基于Revit的窗墙比合规性检查软件，并对软件的可行性进行了测试。结果显示本软件能够获得优化前后建筑模型的窗墙比等信息，可对窗墙比是否符合标准进行评价；对不符合标准的立面，通过枚举算法自动优化窗墙比，使各立面的窗墙比满足规范要求并对Revit模型自动修改。该软件实现了一键式完成窗墙比选定的功能。设计人员在建模时无需考虑窗墙比是否符合标准，只需在一定阶段运行该软件即可保证所建模型窗墙比的合规性。该软件为建筑设计者带来极大的便利，可提高其设计的合理性及有效性。

当然，本软件也存在一定的不足，建筑气候分区及气候子区类型的获取还需要从人机界面手动输入，后续还需要做进一步的研发，提高软件的便捷性。

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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

国家十三五科技支撑项目(2016YFC0700208)；国家自然科学基金项目(51508446)；陕西省重点研发计划项目(2017ZDXM-GY-025)

闫秀英(1980-)，女，河北新乐人，副教授，博士。主要研究方向为建筑智能化与节能。E-mail：xjdyxy1219@163.com