閆秀英，王秀東，李大偉

Revit建模過程中窗墻面積比的合規(guī)性檢查

閆秀英1，王秀東1，李大偉2

(1. 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

在建筑設(shè)計(jì)過程中，窗墻面積比(簡(jiǎn)稱窗墻比)值的大小對(duì)室內(nèi)的空調(diào)能耗和照明能耗有很大的影響，將其控制在合理范圍內(nèi)對(duì)建筑節(jié)能意義重大。針對(duì)Revit建模過程中窗墻比選定的問題，研究了窗墻比的計(jì)算及合規(guī)性檢查方法，以《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50189-2015)中給出的窗墻比限值為依據(jù)，采用C#語言開發(fā)出基于枚舉的窗墻比合規(guī)性檢查軟件并將其集成到Revit中，實(shí)現(xiàn)對(duì)Revit模型窗墻比的合規(guī)性檢查。以上海某辦公樓為對(duì)象進(jìn)行軟件測(cè)試，結(jié)果表明該軟件能夠自動(dòng)獲取建筑所在地的窗墻比取值范圍，計(jì)算出當(dāng)前模型各立面的窗墻比并與之比較，當(dāng)某立面窗墻比不滿足規(guī)范時(shí)，能夠迅速將其調(diào)至規(guī)范值范圍內(nèi)，并對(duì)調(diào)整后的各立面窗墻比是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)作出評(píng)價(jià)。

窗墻面積比；建筑信息模型；自動(dòng)調(diào)整

目前，建筑能耗約占全球總能耗的1/3，且這一比例還在逐年上升，而窗墻面積比(簡(jiǎn)稱窗墻比)是建筑能耗的一個(gè)重要影響因素[1-2]。相關(guān)研究表明，隨著窗墻比的增加，建筑內(nèi)空調(diào)的供暖季耗熱量指標(biāo)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)窗墻比約為0.3時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到最小值；而空調(diào)季耗冷量指標(biāo)隨著窗墻比的增大而增大，窗墻比每增加0.1耗冷量指標(biāo)約增加9.5%。其直接影響到建筑能耗[3-4]；同時(shí)，窗墻比的變化對(duì)室內(nèi)的天然采光質(zhì)量也有影響，其影響的顯著性僅次于房間進(jìn)深[5]。當(dāng)窗墻比為43%時(shí)，室內(nèi)天然采光質(zhì)量較好，當(dāng)高于43%時(shí)，室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)眩光現(xiàn)象[6]。因此，確定一個(gè)合理的窗墻比是建筑設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵一步。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何確定一個(gè)合理的窗墻比做了大量研究。文獻(xiàn)[7]提出了用于創(chuàng)建推薦窗墻比映射的方法，即在設(shè)計(jì)建模過程中分配窗墻比的適當(dāng)默認(rèn)值；文獻(xiàn)[8]通過綜合熱和光照模擬以及對(duì)建筑設(shè)備的效率、人工照明的有效性和建筑物的緊湊型的靈敏度分析，得出了一個(gè)窗墻比的理想值范圍0.30~0.45；2015年我國頒布的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)對(duì)窗墻比進(jìn)行了精細(xì)劃分，按不同氣候區(qū)、不同建筑類型、不同建筑層高給出窗墻比限值[9-10]。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)的出現(xiàn)為建筑業(yè)帶來了一場(chǎng)新的革命，受到國內(nèi)外學(xué)者和業(yè)界的普遍關(guān)注[11]。其包含了建筑的全部信息，可以提供形象可視的二維和三維圖紙，為各個(gè)部門之間的相互溝通、協(xié)同工作提供了便利[12]。在建筑業(yè)中，應(yīng)用最多的BIM設(shè)計(jì)軟件是Autodesk公司開發(fā)的Autodesk Revit，該軟件除了自身功能強(qiáng)大之外，還提供了豐富的API，用戶可以根據(jù)自身的需求，對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，增強(qiáng)其功能[13]。目前國內(nèi)外學(xué)者已為Revit開發(fā)了許多新的功能，如建筑所需輔助材質(zhì)計(jì)算、基于我國計(jì)價(jià)清單的工程量提取、綠色建筑評(píng)估等[14-16]，但仍未有一款軟件能夠提供自動(dòng)評(píng)價(jià)及修改窗墻比的功能。因此只能在設(shè)計(jì)過程中采用查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或利用能耗計(jì)算軟件進(jìn)行模擬的方法提前確定窗墻比。在建筑設(shè)計(jì)逐漸向三維設(shè)計(jì)過渡的大趨勢(shì)下，本文以功能強(qiáng)大、可二次開發(fā)的Autodesk Revit為平臺(tái)，以《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)中給出的窗墻比限值為依據(jù)，以Visual Studio 2015軟件及C#語言為工具，結(jié)合窗墻面積比的計(jì)算及修改方法，對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在Revit建模過程中直接對(duì)當(dāng)前建筑模型各立面窗墻比進(jìn)行評(píng)價(jià)及自動(dòng)修改。從而讓設(shè)計(jì)者能夠省去大量重復(fù)性的模型修改工作，方便、快捷、合理的完成窗墻比選定這一關(guān)鍵步驟，確保所建模型的窗墻比在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1 窗墻比優(yōu)化技術(shù)

窗墻比是建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要的熱工參數(shù)。在建筑能耗中空調(diào)和照明能耗分別占整個(gè)建筑能耗的40%~60%和20%~35%。窗墻比值的選擇對(duì)空調(diào)負(fù)荷及室內(nèi)采光效率均有很大影響，并對(duì)建筑節(jié)能意義重大。目前，在使用Revit進(jìn)行三維設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)窗戶均需要手動(dòng)放置，在設(shè)計(jì)過程中一旦發(fā)現(xiàn)窗墻比不符合標(biāo)準(zhǔn)就需逐一的進(jìn)行手動(dòng)修改。如果項(xiàng)目較大、發(fā)現(xiàn)較晚，修改窗戶尺寸將會(huì)是一項(xiàng)極為繁瑣的工作，必定會(huì)造成工作效率的下降。為此，在Revit原有功能的基礎(chǔ)上擴(kuò)展窗墻比評(píng)價(jià)及合規(guī)性檢查的功能，實(shí)現(xiàn)窗墻比合規(guī)性快速檢驗(yàn)及自動(dòng)調(diào)整。

1.1 計(jì)算依據(jù)

窗墻比計(jì)算依據(jù)我國2015年頒布的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50189-2015)，該規(guī)范第3.3.1-3.3.2條對(duì)各地區(qū)甲類公共建筑窗墻比的取值范圍作出了明確規(guī)定，本文開發(fā)的基于BIM軟件的最終目的是保證建筑模型各立面的窗墻比都在此范圍內(nèi)。首先需要獲取建筑所在地的氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型、建筑的體形系數(shù)以及外窗戶的傳熱系數(shù)，據(jù)此查表，即可獲得窗墻比的約束條件。表1為嚴(yán)寒A、B區(qū)甲類公共建筑窗墻比限值；表2為嚴(yán)寒C區(qū)甲類公共建筑窗墻比限值。

表1 嚴(yán)寒A、B區(qū)甲類公共建筑窗墻比值

表2 嚴(yán)寒C區(qū)甲類公共建筑窗墻比值

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

(1) 建筑氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型。其類型參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50189-2015)，分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖及溫和5個(gè)區(qū)。其中嚴(yán)寒區(qū)分為A，B，C 3個(gè)子區(qū)；另4個(gè)區(qū)又分為A，B 2個(gè)子區(qū)。

(2) 建筑物體形系數(shù)。該系數(shù)是通過計(jì)算得到的。計(jì)算建筑物體形系數(shù)需要用到以下圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)：①東、西、南、北各立面的外墻總面積A，A，A，A；②東、西、南、北各立面的窗戶總面積A，A，A，A；③屋頂表面積A；④各房間體積V(為房間號(hào))。

建筑物體形系數(shù)計(jì)算如下

(4) 窗墻面積比。對(duì)于優(yōu)化前后的建筑模型各立面窗墻比均需進(jìn)行計(jì)算，即

1.3 計(jì)算方法

對(duì)窗墻比計(jì)算優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為

其中，A, j為立面的窗戶總面積(m2)；S,j為立面第個(gè)窗戶族中某一族類型的面積(m2)；n為第個(gè)窗戶族的族實(shí)例個(gè)數(shù)。

另當(dāng)n為定值，A,j和S,j的約束條件為

其中，(,]為窗戶總面積的取值范圍。

根據(jù)式(4)中S,i的限制條件，可以得到有限個(gè)不同枚舉元素可能解的集合，采用枚舉算法找出一個(gè)枚舉元素[1,2,3,···,S]，將其代入式(2)使得計(jì)算結(jié)果滿足<A, j≤。分別將立面的第個(gè)窗戶的窗戶族類型替換為1,2,3,···,S對(duì)應(yīng)的窗戶族類型1,2,3,···,L，即可實(shí)現(xiàn)窗墻比的優(yōu)化。

1.4 優(yōu)化流程

圖1 窗墻比優(yōu)化流程圖

2 軟件整體框架

窗墻比自動(dòng)優(yōu)化軟件主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)提取與數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理模塊和窗墻比優(yōu)化模塊2部分組成。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)提取與數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)管理模塊負(fù)責(zé)從模型中提取圍護(hù)結(jié)構(gòu)的ID、宿主ID、面積、體積、方位、傳熱系數(shù)、日光得熱系數(shù)等參數(shù)并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，其是后續(xù)進(jìn)行窗墻比計(jì)算的前提。圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)提取的原理如圖2所示，模塊通過API提供的方法獲取相應(yīng)參數(shù)；窗墻比優(yōu)化模塊則是在判定某立面的窗墻比不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)采用枚舉算法計(jì)算窗墻比，并對(duì)模型進(jìn)行修改。軟件在運(yùn)行過程中首先通過查詢圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)數(shù)據(jù)庫中的外墻、外墻窗戶等相關(guān)參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前模型各立面窗墻比的值，然后查詢?cè)摰貐^(qū)窗墻比限值，進(jìn)而對(duì)窗墻比的值超出此范圍的立面進(jìn)行優(yōu)化。二次開發(fā)采用Visual Studio 2015軟件，編程中首先要實(shí)現(xiàn)IExternalCommand接口，用戶在通過外部命令擴(kuò)展Revit時(shí)，必須在外部命令中實(shí)現(xiàn)該接口。圖3為軟件的整體框架圖。軟件的核心部分是窗墻比優(yōu)化模塊，該模塊中集成第1節(jié)中所述的窗墻比自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)用MySQL數(shù)據(jù)庫中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有模型各立面窗墻比進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行合規(guī)性檢查。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)提取原理圖

圖3 窗墻比自動(dòng)軟件框架

3 軟件測(cè)試

3.1 建筑概況

以上海市某辦公樓為對(duì)象進(jìn)行軟件測(cè)試。該辦公樓地上2層，第一層有辦公室、會(huì)議室、娛樂室、衛(wèi)生室，第二層為辦公室、儲(chǔ)物室、衛(wèi)生間。建筑結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度6 m，總面積900 m2。優(yōu)化前，Revit模型中所有窗戶均使用“組合窗-雙層3列(三散平開)-上部單扇”族，窗戶族類型尺寸為1500 mm×1800 mm。圖4所示為優(yōu)化前的建筑模型。

圖4 優(yōu)化前建筑模型

3.2 運(yùn)行結(jié)果與分析

運(yùn)行插件，首先在圖5所示的人機(jī)界面中輸入氣候分區(qū)及氣候子區(qū)信息，點(diǎn)擊“獲取優(yōu)化前建筑模型信息”按鈕即可獲取優(yōu)化前建筑模型的各項(xiàng)參數(shù)，如圖6所示；點(diǎn)擊“開始優(yōu)化”按鈕，即對(duì)窗墻比進(jìn)行優(yōu)化，圖7為優(yōu)化后的建筑模型信息。由圖6可知，優(yōu)化前東、西、南、北4個(gè)立面的窗墻比分別為0.241 1，0.245 5，0.219 6，0.218 6，均不滿足規(guī)范要求；由圖7可知，優(yōu)化后4個(gè)立面的窗墻比分別為0.174 8，0.178 0，0.157 9和0.187 2，均滿足規(guī)范要求。圖8為優(yōu)化后的建筑模型，經(jīng)自動(dòng)優(yōu)化后的建筑模型中窗戶族類型為1200 mm×1500 mm。試驗(yàn)表明，軟件可以按照預(yù)期過程及方法，通過替換窗戶族類型的方式對(duì)窗墻比進(jìn)行修改，且結(jié)果可靠。

圖5 用戶輸入界面

圖6 優(yōu)化前建筑模型信息

圖7 優(yōu)化后建筑模型信息

圖8 優(yōu)化后建筑模型

4 結(jié)束語

本文采用BIM二次開發(fā)技術(shù)，依靠Autodesk Revit提供的豐富的API，成功的將模型參數(shù)提取和窗墻比自動(dòng)優(yōu)化2個(gè)過程進(jìn)行模塊化，研發(fā)出一款基于Revit的窗墻比合規(guī)性檢查軟件，并對(duì)軟件的可行性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示本軟件能夠獲得優(yōu)化前后建筑模型的窗墻比等信息，可對(duì)窗墻比是否符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的立面，通過枚舉算法自動(dòng)優(yōu)化窗墻比，使各立面的窗墻比滿足規(guī)范要求并對(duì)Revit模型自動(dòng)修改。該軟件實(shí)現(xiàn)了一鍵式完成窗墻比選定的功能。設(shè)計(jì)人員在建模時(shí)無需考慮窗墻比是否符合標(biāo)準(zhǔn)，只需在一定階段運(yùn)行該軟件即可保證所建模型窗墻比的合規(guī)性。該軟件為建筑設(shè)計(jì)者帶來極大的便利，可提高其設(shè)計(jì)的合理性及有效性。

當(dāng)然，本軟件也存在一定的不足，建筑氣候分區(qū)及氣候子區(qū)類型的獲取還需要從人機(jī)界面手動(dòng)輸入，后續(xù)還需要做進(jìn)一步的研發(fā)，提高軟件的便捷性。

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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

國家十三五科技支撐項(xiàng)目(2016YFC0700208)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508446)；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017ZDXM-GY-025)

閆秀英(1980-)，女，河北新樂人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑c節(jié)能。E-mail：xjdyxy1219@163.com