融合BIM和EnergyPlus技術的裝配式建筑節能潛力研究
——以夏熱冬冷地區為例

過梓琪，霍海娥，陽倩，薛麗，錢書文，李晉吉

（1.西華大學建筑與土木工程學院，成都 610039；2.西華大學計算機與軟件工程學院，成都 610039）

1 引言

在“十四五”規劃出臺和“雙碳”目標提出的大背景下，節能環保成為重大命題，裝配式建筑在我國建筑行業得到了大力推廣并廣泛應用。2016年9月，國務院辦公廳印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]，指出要多角度發展裝配式建筑。2021年，在中辦國辦印發的《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》[2]、國務院《關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》[3]中，均強調要大力發展裝配式建筑。近年來，各個省市陸續出臺了關于推進裝配式建筑產業發展的系列激勵措施。2021年4月，四川省出臺了《提升裝配式建筑發展質量五年行動方案》[4]，計劃建成一批A 級及以上高裝配率的綠色建筑示范項目。基于以上國家政策和行業背景，大量學者對裝配式建筑的節能問題進行研究。關鍵[5]對裝配式建筑的施工工藝進行優化，使信息化、數字化技術在裝配成套技術中得到進一步落實，為其綠色節能發展提供了方向。武琳和李忠秋[6]對多層裝配式建筑節能降耗路徑進行了分析，解決了生產效率低、戶型缺少靈活性等問題，為多層裝配式住宅標準化設計提供了思路。但是，目前對裝配式建筑節能的研究，大多集中于單個構件[7-10]或技術革新[11-13]，對于不同構件組合下節能潛力的研究較少。近年來，BIM 技術在裝配式建筑領域得到廣泛應用。王乾坤等[14]為解決我國裝配式建筑施工能耗可視化的問題，基于BIM 技術開發出裝配式建筑施工能耗可視化系統，利于施工時各方決策管理，為綠色施工提供了新思路。彭彩虹等[15]驗證了BIM 技術有利于計算工廠生產預制構件的能耗水平并實現能耗優化。現階段，利用BIM 技術對裝配式建筑進行能耗分析這一方法僅用于生產及項目施工階段，并不能廣泛應用于各個工況。對于能耗的計算普遍以公式為基礎，采用量化計算的方法，工作量大，且計算方法和測算軟件的專業性過高，非專業人員難以理解和操作。因此，在實際項目中，急需以BIM 系統為平臺開發構建一個能耗顯示系統，既能廣泛應用于項目各個階段，也能簡化能耗計算過程。

本文根據上述研究背景和當前研究存在的不足，結合EnergyPlus 能耗軟件，選用現有市場應用最廣泛的5 種裝配式外墻、4 種裝配式屋面、3 種節能外窗類型，進行不同的圍護構造組合，對建筑氣候分區中經緯跨度最大的夏熱冬冷地區進行裝配式建筑能耗分析，得到最節能的組合方式，為設計人員提供參考，也為裝配式建筑節能提供一個新的方向。同時，借助C#語言，基于BIM 體系進行二次開發，將建筑信息與模擬結果體現在Revit 軟件中，實現能耗和建筑模型的動態交互，對能耗信息進行可視化展現。

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的代表城市，研究對象為層高3 300 mm、建筑面積683.28 m2的3 層裝配式建筑。對每個房間編號命名，命名采用前一位為樓層號、后兩位為房間號的形式，如101、102、201 等，建筑CAD 平面圖如圖1所示。通過前期的實地調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 種節能外窗類型，見表1。

圖1 建筑平面圖

表1 建筑圍護結構構造

2.2 Revit 模型

Revit 作為BIM主流的建模軟件，具有參數化、開發性強等特點，并且Revit 所建立的每一個圖元對應獨一無二的ID 號。為達到本次研究的目的，本文利用房間標記先準確定位到建筑物的某個房間，繼續通過組成該房間的組成圖元所對應的ID 號，鎖定對應圖元。將對應圖元與后期附加模塊連接，進一步實現通過點擊附加模塊中的選項即可查看不同類型的構件組合的房間所對應的能耗信息、材質信息。

建模步驟：將3 層建筑進行拆分，單獨創建每個小房間，通過“房建標記”對房間進行區分，例如，房間1、房間2，方便后期進行準確定位。將每個小房間組成圖元的ID 號，組成單個小集合，以TXT 文檔形式保存。對于兩個房間的公共墻，其對應ID 號分別存在于房間1 和房間2 的ID 集合中，重復以上步驟，最終完成對BIM 模型的建立，見圖2。

圖2 Revit 模型展示

2.3 能耗模型

2.3.1 參數設置

通過SketchUp 建模并使用OpenStudio 插件對各獨立房間進行熱工分區，導出idf 模型信息文件并導入EnergyPlus，模擬得到各房間室溫及能耗，所需的室內參數可參照規范設置，具體參數見表2。

表2 建筑室內模擬參數的設定

2.3.2 模擬結果

本文選取304 號房間作為典型房間，對其進行熱工性能的比較，通過模擬得到不同組合的全年能耗數據，見表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 預制混凝土墻+50 mm 巖棉板+20 mm 水泥砂漿，屋面為40 mm 細石混凝土+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）。

表3 能耗模擬結果

3 融合BIM和EnergyPlus技術的裝配式建筑能耗測算系統

3.1 系統設計流程

該系統需滿足建筑在不同外圍護結構組合下，向客戶端展示相應的參數信息的需求，并且為了使系統流程具備普遍性、實用性與適用性，本研究結合C#語言與Autodesk Revit軟件提供的SDK，進行Autodesk Revit 軟件的二次開發，該系統設計流程如下。

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 開發工具，其次找到SDK 的安裝目錄，打開Add-In-Manager 文件夾，將其中的文件復制到C:UsersAADAppDataRoamingAutodeskRevitAddins2018。復制完成后，打開Autodesk.AddInManager.addin 文件，將該文件中的路徑＜Assembly>C:ProgramDataAutodeskRevitAddins2018AddInManager.dll＜/Assembly>改為安裝路徑即可。

3.1.2 用戶界面設計

在本軟件中，用戶點擊Revit 主界面-附加模塊-系統圖標，觸發OnStartup 事件，系統將彈出窗口，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，程序通過檢測每個組件是否被用戶選擇，即相應的IsChecked 屬性，以此判斷用戶所選的類型。為實現用戶在每個類型下只能選擇一項，需要通過組件間的約束來實現這一功能。例如，如果選擇了外墻一，則需要將外墻二、外墻三、外墻四、外墻五分別設置為不選中，并將其IsChecked 屬性設置為false。編程代碼如下：

通過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，點擊提交按鈕，系統自動根據用戶選擇的類型生成相應的參數信息，并通過新窗口來顯示。

3.1.3 參數信息生成

參數信息類InfoUI 實現了信息的交互、參數的動態顯示。用戶選擇完成之后，系統使用wallName、roofName 以及windowName 這3 個臨時變量來記錄用戶的選擇，然后去后臺搜索與之匹配的數據，最終將這些數據以表格形式展現給用戶。

3.2 系統的應用

打開Revit 2018，點擊附加模塊-外部-外部工具-Add in Manager（Manual Mode），在彈出窗口中點擊Load，將dll 的生成目錄復制到Revit 中，點擊保存。創建完成后將生成的.addin 文件存入默認路徑，Revit 軟件將自動讀取文件內容，并識別和執行外部命令和外部應用程序。

3.2.1 建筑構件參數顯示

在BIM 中導入建筑模型，加載該軟件，在附加模塊下點擊軟件圖標，系統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，點擊確定，系統將根據所選類型顯示相應的信息參數，并以列表呈現。

3.2.2 全年室溫與能耗展示

能耗模擬應用：點擊一個房間，程序通過獲取該房間的ID 號，由此定位到該構件（房間）在模型中的確切位置，后臺根據其參數信息計算得出相關能耗信息，同時，以柱狀圖的形式在窗口展示，如圖3所示，室內溫度等其他信息均以圖3形式表示。

圖3 房間能耗顯示

4 結論

本文基于BIM 與EnergyPlus 技術，實現建筑熱工性能與三維模型的實時交互，得到如下結論：第一，本文以夏熱冬冷地區的一棟裝配式建筑為研究對象，分析了不同外圍護結構體系的節能潛力，確定了適合該地區的最佳結構體系（即外墻為20mm 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 mm XPS+120 mm 預制混凝土疊合板+20 mm 水泥砂漿，外窗為3層Low-E 雙鍍膜玻璃的組合），為該地區裝配式建筑的節能設計提供參考。第二，借助C#語言，對Revit 軟件進行二次開發，構建了一個基于BIM 三維模型的能耗顯示系統。該系統能夠將各工況下的建筑熱工性能參數與BIM 模型相關聯，實現動態演示功能。第三，該系統可實現在改變建筑物外圍護結構組成的情況下，將裝配式建筑節能潛力實時反饋與動態更新，方便建設工程中各參與方的溝通，具有實用性與可靠性。