融合BIM和EnergyPlus技术的装配式建筑节能潜力研究——以夏热冬冷地区为例

过梓琪，霍海娥，阳倩，薛丽，钱书文，李晋吉

（1.西华大学建筑与土木工程学院，成都 610039；2.西华大学计算机与软件工程学院，成都 610039）

1 引言

在“十四五”规划出台和“双碳”目标提出的大背景下，节能环保成为重大命题，装配式建筑在我国建筑行业得到了大力推广并广泛应用。2016年9月，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]，指出要多角度发展装配式建筑。2021年，在中办国办印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》[2]、国务院《关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》[3]中，均强调要大力发展装配式建筑。近年来，各个省市陆续出台了关于推进装配式建筑产业发展的系列激励措施。2021年4月，四川省出台了《提升装配式建筑发展质量五年行动方案》[4]，计划建成一批A 级及以上高装配率的绿色建筑示范项目。基于以上国家政策和行业背景，大量学者对装配式建筑的节能问题进行研究。关键[5]对装配式建筑的施工工艺进行优化，使信息化、数字化技术在装配成套技术中得到进一步落实，为其绿色节能发展提供了方向。武琳和李忠秋[6]对多层装配式建筑节能降耗路径进行了分析，解决了生产效率低、户型缺少灵活性等问题，为多层装配式住宅标准化设计提供了思路。但是，目前对装配式建筑节能的研究，大多集中于单个构件[7-10]或技术革新[11-13]，对于不同构件组合下节能潜力的研究较少。近年来，BIM 技术在装配式建筑领域得到广泛应用。王乾坤等[14]为解决我国装配式建筑施工能耗可视化的问题，基于BIM 技术开发出装配式建筑施工能耗可视化系统，利于施工时各方决策管理，为绿色施工提供了新思路。彭彩虹等[15]验证了BIM 技术有利于计算工厂生产预制构件的能耗水平并实现能耗优化。现阶段，利用BIM 技术对装配式建筑进行能耗分析这一方法仅用于生产及项目施工阶段，并不能广泛应用于各个工况。对于能耗的计算普遍以公式为基础，采用量化计算的方法，工作量大，且计算方法和测算软件的专业性过高，非专业人员难以理解和操作。因此，在实际项目中，急需以BIM 系统为平台开发构建一个能耗显示系统，既能广泛应用于项目各个阶段，也能简化能耗计算过程。

本文根据上述研究背景和当前研究存在的不足，结合EnergyPlus 能耗软件，选用现有市场应用最广泛的5 种装配式外墙、4 种装配式屋面、3 种节能外窗类型，进行不同的围护构造组合，对建筑气候分区中经纬跨度最大的夏热冬冷地区进行装配式建筑能耗分析，得到最节能的组合方式，为设计人员提供参考，也为装配式建筑节能提供一个新的方向。同时，借助C#语言，基于BIM 体系进行二次开发，将建筑信息与模拟结果体现在Revit 软件中，实现能耗和建筑模型的动态交互，对能耗信息进行可视化展现。

2 模型建立

2.1 建筑模型

本文选择成都市作为夏热冬冷地区的代表城市，研究对象为层高3 300 mm、建筑面积683.28 m2的3 层装配式建筑。对每个房间编号命名，命名采用前一位为楼层号、后两位为房间号的形式，如101、102、201 等，建筑CAD 平面图如图1所示。通过前期的实地调研得出成都市最具代表性的5 种装配式外墙、4 种装配式屋面、3 种节能外窗类型，见表1。

图1 建筑平面图

表1 建筑围护结构构造

2.2 Revit 模型

Revit 作为BIM主流的建模软件，具有参数化、开发性强等特点，并且Revit 所建立的每一个图元对应独一无二的ID 号。为达到本次研究的目的，本文利用房间标记先准确定位到建筑物的某个房间，继续通过组成该房间的组成图元所对应的ID 号，锁定对应图元。将对应图元与后期附加模块连接，进一步实现通过点击附加模块中的选项即可查看不同类型的构件组合的房间所对应的能耗信息、材质信息。

建模步骤：将3 层建筑进行拆分，单独创建每个小房间，通过“房建标记”对房间进行区分，例如，房间1、房间2，方便后期进行准确定位。将每个小房间组成图元的ID 号，组成单个小集合，以TXT 文档形式保存。对于两个房间的公共墙，其对应ID 号分别存在于房间1 和房间2 的ID 集合中，重复以上步骤，最终完成对BIM 模型的建立，见图2。

图2 Revit 模型展示

2.3 能耗模型

2.3.1 参数设置

通过SketchUp 建模并使用OpenStudio 插件对各独立房间进行热工分区，导出idf 模型信息文件并导入EnergyPlus，模拟得到各房间室温及能耗，所需的室内参数可参照规范设置，具体参数见表2。

表2 建筑室内模拟参数的设定

2.3.2 模拟结果

本文选取304 号房间作为典型房间，对其进行热工性能的比较，通过模拟得到不同组合的全年能耗数据，见表3。由此可知，能耗最小的组合为外墙四+屋面一+外窗三（即外墙为20 mm 水泥砂浆+300 mmALC 外墙板+30 mm 水泥基泡沫保温板+20 mm 水泥砂浆，屋面为20 mm 水泥砂浆+80 mmXPS+120 mm 预制混凝土叠合板+20 mm 水泥砂浆，外窗为3 层Low-E 双镀膜玻璃的组合）；能耗最大的组合为外墙五+屋面四+外窗二组合（即外墙为20 mm 水泥砂浆+20 mm 预制混凝土墙+50 mm 岩棉板+20 mm 水泥砂浆，屋面为40 mm 细石混凝土+30 mm 水泥砂浆+40 mmXPS+80 mm 轻集料混凝土+190 mm 钢筋混凝土板，外窗为中透低辐射玻璃）。

表3 能耗模拟结果

3 融合BIM和EnergyPlus技术的装配式建筑能耗测算系统

3.1 系统设计流程

该系统需满足建筑在不同外围护结构组合下，向客户端展示相应的参数信息的需求，并且为了使系统流程具备普遍性、实用性与适用性，本研究结合C#语言与Autodesk Revit软件提供的SDK，进行Autodesk Revit 软件的二次开发，该系统设计流程如下。

3.1.1 附加模块处理

在附加模块中添加“外部工具”。首先安装Revit 以及Visual Studio 开发工具，其次找到SDK 的安装目录，打开Add-In-Manager 文件夹，将其中的文件复制到C:UsersAADAppDataRoamingAutodeskRevitAddins2018。复制完成后，打开Autodesk.AddInManager.addin 文件，将该文件中的路径＜Assembly>C:ProgramDataAutodeskRevitAddins2018AddInManager.dll＜/Assembly>改为安装路径即可。

3.1.2 用户界面设计

在本软件中，用户点击Revit 主界面-附加模块-系统图标，触发OnStartup 事件，系统将弹出窗口，该窗口提供了5种外墙类型、4 种屋面类型以及3 种外窗类型，在后台分别用string 型变量wallName、roofName、windowName 表示。用户自行在3 种类别中各自选择一种类型。在Button_Click（object sender, RoutedEventArgse）方法中，程序通过检测每个组件是否被用户选择，即相应的IsChecked 属性，以此判断用户所选的类型。为实现用户在每个类型下只能选择一项，需要通过组件间的约束来实现这一功能。例如，如果选择了外墙一，则需要将外墙二、外墙三、外墙四、外墙五分别设置为不选中，并将其IsChecked 属性设置为false。编程代码如下：

通过块间约束使得用户在同一类别中只能选择一种类型。用户选择完成后，点击提交按钮，系统自动根据用户选择的类型生成相应的参数信息，并通过新窗口来显示。

3.1.3 参数信息生成

参数信息类InfoUI 实现了信息的交互、参数的动态显示。用户选择完成之后，系统使用wallName、roofName 以及windowName 这3 个临时变量来记录用户的选择，然后去后台搜索与之匹配的数据，最终将这些数据以表格形式展现给用户。

3.2 系统的应用

打开Revit 2018，点击附加模块-外部-外部工具-Add in Manager（Manual Mode），在弹出窗口中点击Load，将dll 的生成目录复制到Revit 中，点击保存。创建完成后将生成的.addin 文件存入默认路径，Revit 软件将自动读取文件内容，并识别和执行外部命令和外部应用程序。

3.2.1 建筑构件参数显示

在BIM 中导入建筑模型，加载该软件，在附加模块下点击软件图标，系统将弹出用户选择界面。在外墙、屋面与外窗3 种选择列表中勾选一种，点击确定，系统将根据所选类型显示相应的信息参数，并以列表呈现。

3.2.2 全年室温与能耗展示

能耗模拟应用：点击一个房间，程序通过获取该房间的ID 号，由此定位到该构件（房间）在模型中的确切位置，后台根据其参数信息计算得出相关能耗信息，同时，以柱状图的形式在窗口展示，如图3所示，室内温度等其他信息均以图3形式表示。

图3 房间能耗显示

4 结论

本文基于BIM 与EnergyPlus 技术，实现建筑热工性能与三维模型的实时交互，得到如下结论：第一，本文以夏热冬冷地区的一栋装配式建筑为研究对象，分析了不同外围护结构体系的节能潜力，确定了适合该地区的最佳结构体系（即外墙为20mm 水泥砂浆+300 mmALC 外墙板+30 mm 水泥基泡沫保温板+20 mm 水泥砂浆，屋面为20 mm 水泥砂浆+80 mm XPS+120 mm 预制混凝土叠合板+20 mm 水泥砂浆，外窗为3层Low-E 双镀膜玻璃的组合），为该地区装配式建筑的节能设计提供参考。第二，借助C#语言，对Revit 软件进行二次开发，构建了一个基于BIM 三维模型的能耗显示系统。该系统能够将各工况下的建筑热工性能参数与BIM 模型相关联，实现动态演示功能。第三，该系统可实现在改变建筑物外围护结构组成的情况下，将装配式建筑节能潜力实时反馈与动态更新，方便建设工程中各参与方的沟通，具有实用性与可靠性。