基于BIM的装配式建筑施工能耗可视化模型与系统开发

王乾坤， 申楚雄， 郭 曾， 段宏磊， 郭佩文

(1. 武汉理工大学 a. 土木工程与建筑学院； b. 三亚科教创新园， 湖北 武汉 430070)

近些年来，建筑越来越注重绿色与环保，对建筑的节能减排要求越来越高，能耗成为一个重要研究对象。装配式建筑具有标准化设计、预制化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理的特点，相比于湿法作业更加节能环保，其建筑规模越来越大。国内外有关装配式建筑能耗研究主要集中在全生命周期，对施工过程的能耗分析相对较少[1]。从全生命周期的角度看，装配式建筑的运营阶段最长，因此运营阶段的能耗也是所有阶段中最大的。但是在施工阶段，短时间内为了完成项目施工建设可能产生大量的能源消耗，其能源的消耗是爆发式的，施工阶段的单位时间能耗更高[2]。对建筑的施工能耗进行可视化研究，在施工初期对整个施工阶段的能耗情况进行模拟，便于进行施工能耗的削峰填谷，对提高能源利用率，进行节能减排具有重要作用。因此，对于装配式建筑施工阶段的能耗可视化研究有着较大的意义。

建筑信息模型(Builiding Information Modeling，BIM)是以三维建模为基础，关联各工程信息的数字化模型，是一个可以为建设项目各方共享信息的平台，由产品模型、过程模型、决策模型三方面组成。BIM技术是建筑行业的一次革命，实现了由2D施工图纸到3D虚拟模型的转变[3,4]。在BIM3D的基础上，进行功能的拓展，附加进度、成本等信息，构建以BIM3D为基础的BIM-nD信息模型，帮助决策者进行项目管理[5]。范冰辉等[6]以三维信息模型为基础，附加进度信息和风险信息，开发了基于BIM5D(BIM3D+Time+Risk)的桥梁工程动态风险评估系统；刘佳静等[7]从设计阶段出发，通过BIM建模和用户行为模拟，提出了BIM环境下集成用户行为的建筑能耗预测方法。现有BIM应用研究主要通过BIM附加进度、成本、风险等信息，建立基于BIM的nD信息模型及管理平台，没有研究将施工能耗作为一个维度进行信息附加并进行管理；对于装配式建筑施工能耗的研究方面，多采取理论预估，没有进行可视化研究。

本文在充分考虑装配式建筑特点的基础上，以BIM三维模型为基础，附加进度信息和能耗定额信息，建立基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化模型，在此基础上基于BIM平台进行装配式建筑施工能耗可视化系统开发，以可视化的方法实现装配式建筑施工能耗的动态展示，解决装配式建筑施工能耗的可视化问题，为管理者进行施工阶段的节能减排提供基础。

1 基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化模型构建

1.1 模型构建原理

基于BIM5D的施工能耗可视化模型是以三维模型为基础，附加建筑构件信息，通过WBS(Work Breakdown Structure)分解附加进度信息、预算信息的信息集成模型。首先通过建模软件，建立装配式建筑三维信息模型(3D模型)；然后，利用WBS方法，将装配式建筑施工能耗项目逐层分解，生成施工能耗清单项目，并附加施工进度信息，建立4D模型；最后通过清单附加预算信息，包括人、材、机等的能源消耗，创建基于BIM技术的施工能耗可视化模型。按照各分部分项工程的资源计划使用需求，通过能耗可视化模型转化为施工能耗，就能够实现施工能耗的可视化展示。

(1)三维信息模型

三维信息模型是利用BIM建模软件建立建设项目的三维模型，附加建筑构件的基本信息，包括材料信息、尺寸信息、工程量信息等。三维信息模型是进行进度信息、能耗信息附加，实现施工能耗可视化的基础。目前进行BIM3D建模的软件众多，包括Revit，Bentley，ArchiCAD，CATLA。在我国，BIM的核心建模软件是Revit，其功能丰富，完全基于BIM建模的理念进行功能设计，本文建立的是施工之前的三维信息模型，专注于模型的建立，因此选取Revit作为BIM3D建模软件。通过三维信息模型可以进行建筑物的虚拟展示，查询建筑物每个构件的基本信息，同时也能在三维信息模型的基础上附加其他信息扩展为新的信息模型。

(2)BIM4D进度信息模型

BIM4D进度信息模型是在三维信息模型上附加进度信息形成的构件-进度关联信息模型，将三维信息模型和施工进度计划数据关联起来实现BIM4D的进度管理。BIM4D进度信息模型包括两个方面，一是三维信息模型，二是施工进度计划。三维信息模型通过BIM技术建立，进度计划一般是由管理者通过一系列软件，如Project，P6等在施工准备阶段就已经建立好的。通过BIM4D进度信息模型，在三维信息模型上附加每个工作所包含的建筑构件的施工开始时间和结束时间，建立进度与建筑构件之间的关联关系，使每一个建筑构件包含了时间信息，就可以进行施工模拟，演练建筑的施工过程。

(3)能耗信息模型

能耗信息模型是在三维信息模型上附加能耗定额信息形成构件-能耗的关联信息模型，将能耗信息和三维信息模型关联起来实现能耗管理。能耗信息模型包括两个方面，一是三维信息模型，二是施工能耗信息。三维信息模型通过BIM技术建立，施工能耗信息参考装配式建筑工程消耗量定额，每个定额项目包含了人、材、机的能源消耗。在能耗信息模型中，能耗定额信息一般以构件为基础，每个定额项目包含人、材、机的能源消耗。因此，我们能够很好的将能耗定额信息与装配式建筑构件关联起来，以构件为单位，在三维信息模型上附加施工能耗定额，得到每个建筑构件的施工能耗定额信息。

(4)基于BIM技术的施工能耗信息模型

基于BIM技术的施工能耗信息模型将三维信息模型、BIM4D进度信息模型、能耗信息模型进行了有效集成，以WBS为核心进行项目分解，以构件为基本单元，通过三维信息模型中的建筑构件附加进度信息和预算信息，能够有机地演练建设项目施工过程的能源消耗。基于BIM的施工能耗信息模型实现了建筑构件、WBS、进度信息、能耗信息的相互关联，如图1所示。要创建基于BIM技术的施工能耗信息模型，需要建立三维信息模型、BIM4D进度信息模型、能耗信息模型中的实体，并进行实体之间的关联。

图1 基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化模型

1.2 施工能耗计算

施工过程分析法是结合建设项目的施工工艺，以施工过程中的能源消耗为计算目标，计算施工能耗。每一个施工过程能耗的影响因素包括：设备种类、设备功率、工作时间。通过施工能耗可视化模型实体的构建，我们在每一个建筑构件上都能够附加进度信息和能源消耗信息。

通过工程项目的施工过程进行分解，将项目分解为一个个施工工序，每一个施工工序包括不同构件的直接和间接的能源消耗，通过综合量化计算可以得到某一个施工工序包含的构件安装施工能耗。第i种构件安装能耗Ei的计算公式为：

(1)

式中：m为所需机械设备的种类；Pj为单位构件产量第j种机械设备的功率；Tj为单位构件产量第j种机械设备的工作时间；Qi为构件的产量。

将单个清单项目的全部施工工序包含的构件安装能耗叠加，得到每个清单项目施工能耗，第k个清单项目能耗Ek的计算公式为：

(2)

式中：n为该清单项目构件的数量。

将施工网络计划中某项工作的各清单项目的施工能耗统计起来，能得到该项工作的施工能耗。第w个网络计划的工作能耗Ew为：

(3)

式中：l为该工作的清单数量。

基于BIM技术的施工能耗信息模型将三维信息、进度信息、能耗信息进行了有效集成，对于每项工作每天对能源的消耗水平视作同一水平，以总能耗与工作持续时间的比值作为日平均能耗；同时，考虑到非关键工作存在可调整时间的情况，将关键工作和非关键工作分开计量，从而得到日平均能耗Eday公式为：

(4)

式中：E关为当日所在关键工作的施工总能耗；N关为该关键工作的持续时间；E非关z为当日所在z非关键工作的施工总能耗；N非关z为z非关键工作的持续时间；Z为当日非关键工作的数量。

得到日平均能耗后，即可解决施工能耗的可视化问题，在施工初期实现建筑施工阶段的施工能耗随工期的动态展示，为管理者进行施工计划的调整、节能减排提供依据。

2 基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化系统开发

本文拟通过BIM建模软件Revit进行二次开发，将施工阶段的几何信息、进度信息、能耗信息集成到一个可视化的5D(BIM3D+Time+CE)模型中，建立基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化系统。

2.1 系统需求分析

(1)信息的可视化

信息的可视化是指通过BIM软件建立三维信息模型，并且将各类信息附加到模型里面进行展示，让管理者能够清晰地观察到各个时间段的能耗情况，便于对能源使用的“波峰”和“波谷”期采取优化措施，保证项目管理的进度、成本、质量，为节能减排提供基础。

(2)施工过程模拟

施工模拟是指通过施工进度计划，模拟建设项目的建设过程。在BIM三维模型的基础上通过加入施工进度计划，就能够将建设项目的建造过程动态演练出来。通过对项目的施工模拟，与信息进行关联，能够进行进度-信息一体化展示，选择施工过程的能耗信息进行关联，对能源的消耗信息进行汇总，就可以生成能耗-进度信息曲线，帮助管理者选择优化，辅助决策。

2.2 系统架构设计

为实现设计系统的功能需求，将不同的模块功能进行封装，通过命名空间将不同的方法和类组织在一起。系统按功能可以划分为可视化和界面交互两个部分，基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化系统的功能函数库架构如图2所示。

图2 系统架构

Revit与传统CAD建模不同，实现了二维向三维的转变。Revit包括建筑、结构、机电三个专业模块，为建筑、结构和设备管理提供了方案。除了自身功能强大以外，Revit本身基础功能强大，留给用户开发的空间大。Revit提供了应用程序的编程接口Revit API，通过该接口，我们可以根据自身的功能需求，对Revit进行二次开发，包括翻模、功能优化、BIM平台建设、工程量提取等，从而丰富Revit的使用内容。

2.3 系统界面设计

系统界面主要包括可视化和交互两个部分，可视化部分即能耗信息显示界面，包括两个方面：一个是独立构件的总能耗，包括构件种类和能耗量两栏；第二个是随着时间进度变化的每日施工能耗，包括时间进度和能耗量两栏。能耗信息显示界面的功能是实现能耗随工期变化的动态展示。交互部分即构件信息附加界面，进行构件的进度信息和能耗定额信息的附加操作。能耗定额信息包括用能机械设备种类及其定额消耗；进度信息包括构件安装的开始时间、结束时间以及总用时，与施工网络进度计划关联。进度信息和能耗定额信息的附加都可以通过手动输入方式来实现。

2.4 可视化系统的应用流程

首先我们打开Revit软件，导入相应的装配式建筑工程模型，以外部应用的方式自动加载插件；然后我们通过点击单一建筑构件，进入构件信息附加界面，参考工程的施工网络进度计划以及装配式建筑工程消耗量定额标准，对每一个构件单元进行进度信息和能耗定额信息的附加；当所有进度、能耗信息附加完毕之后，保存数据，点击进度能耗或者构件能耗，最终的结果就会在进度能耗显示界面或者构件能耗显示界面进行展示，可视化系统的应用流程如图3所示。

图3 施工能耗可视化系统应用流程

3 案例分析

3.1 案例概况

以武汉某“装配式钢结构示范工程”为例进行分析，该工程占地166 m2(不含道路、绿化等附属设施)，由10个模块化箱体式单元组合成2层楼，建筑面积约300 m2。施工网络进度计划如图4所示。

图4 武汉某“装配式钢结构示范工程”施工网络进度计划

3.2 基于BIM技术的施工能耗可视化

(1)BIM3D模型建立

通过Revit建立武汉某“装配式钢结构示范工程”的3D模型，创建模型的各个结构部件，如图5所示。

图5 武汉某“装配式钢结构示范工程”BIM模型

将原有的三维信息模型导入到基于BIM技术的装配式建筑施工能耗的可视化系统，通过施工网络计划和《湖北省装配式建筑施工消耗量定额》进行进度信息和能耗定额信息的附加。以柱为例，我们在构件信息附加界面的“其他”一栏添加预制柱的能耗定额信息和进度信息，里面的开始时间、结束时间、用能机械设备等参数均可以通过手动输入方式进行更改，如图6所示。

图6 结构柱的信息附加

在三维信息模型的基础上将所有的构件通过WBS关联进度信息和能耗定额信息之后，就可以在系统内进行装配式建筑施工能耗的可视化计算，演练该工程的施工过程，按照前文所介绍的可视化方法，将各数据进行关联，点击插件窗口按键界面中的构件能耗和进度能耗，就可以得到相应的能耗信息。设置初始网络进度计划中所有的工作均按照最早开始时间进行施工，施工工期假定为2020年7月1日开始，7月26日结束。点击系统内部的进度能耗方案就能得到相应的进度能耗，如图7所示。

由图7可以发现，对于初始进度计划，施工能耗的起伏较大，能耗的波峰期在月初以及12，13号，此时需要及时进行能源的供给，防止能源供给不足从而产生停工现象；而在18，19号，能源消耗量极少，容易产生能源的闲置和浪费现象。同时，可以从两个角度对施工能耗进行管理：一方面，可以调节非关键工作的开始时间，对施工能耗进行均衡优化，保持能耗的均衡水平有助于施工生产效率的提高，同时也对项目管理有益；另一方面，对施工能耗较高的施工工艺进行节能研究，采取新方法、新工艺进行施工，降低施工能耗水平。

图7 进度-能耗曲线

4 结 论

本文通过对装配式建筑的能耗分析，通过WBS分解，关联进度计划信息和预算能耗信息，实现模型构件、进度信息、能耗信息三者的关联，建立基于BIM技术的装配式建筑施工能耗可视化模型；在可视化模型的基础上，结合信息的可视化、施工过程可模拟的现实需求，进行Revit二次开发，建立了基于BIM技术的施工能耗可视化系统，并通过武汉某“装配式钢结构示范工程”进行了案例验证，解决了装配式建筑施工能耗的可视化问题。基于BIM技术的施工能耗可视化模型构建和系统开发在施工准备阶段实现了施工能耗可视化展示，管理者可以在施工可视化的基础上进行管理决策，为控制施工阶段的能耗，实现科学合理的能源消耗，保证施工能耗的均衡水平，实现绿色施工提供了新思路。