王乾坤， 申楚雄， 郭 曾， 段宏磊， 郭佩文

(1. 武漢理工大學 a. 土木工程與建筑學院； b. 三亞科教創(chuàng)新園， 湖北 武漢 430070)

近些年來，建筑越來越注重綠色與環(huán)保，對建筑的節(jié)能減排要求越來越高，能耗成為一個重要研究對象。裝配式建筑具有標準化設計、預制化生產、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理的特點，相比于濕法作業(yè)更加節(jié)能環(huán)保，其建筑規(guī)模越來越大。國內外有關裝配式建筑能耗研究主要集中在全生命周期，對施工過程的能耗分析相對較少[1]。從全生命周期的角度看，裝配式建筑的運營階段最長，因此運營階段的能耗也是所有階段中最大的。但是在施工階段，短時間內為了完成項目施工建設可能產生大量的能源消耗，其能源的消耗是爆發(fā)式的，施工階段的單位時間能耗更高[2]。對建筑的施工能耗進行可視化研究，在施工初期對整個施工階段的能耗情況進行模擬，便于進行施工能耗的削峰填谷，對提高能源利用率，進行節(jié)能減排具有重要作用。因此，對于裝配式建筑施工階段的能耗可視化研究有著較大的意義。

建筑信息模型(Builiding Information Modeling，BIM)是以三維建模為基礎，關聯(lián)各工程信息的數(shù)字化模型，是一個可以為建設項目各方共享信息的平臺，由產品模型、過程模型、決策模型三方面組成。BIM技術是建筑行業(yè)的一次革命，實現(xiàn)了由2D施工圖紙到3D虛擬模型的轉變[3,4]。在BIM3D的基礎上，進行功能的拓展，附加進度、成本等信息，構建以BIM3D為基礎的BIM-nD信息模型，幫助決策者進行項目管理[5]。范冰輝等[6]以三維信息模型為基礎，附加進度信息和風險信息，開發(fā)了基于BIM5D(BIM3D+Time+Risk)的橋梁工程動態(tài)風險評估系統(tǒng)；劉佳靜等[7]從設計階段出發(fā)，通過BIM建模和用戶行為模擬，提出了BIM環(huán)境下集成用戶行為的建筑能耗預測方法?，F(xiàn)有BIM應用研究主要通過BIM附加進度、成本、風險等信息，建立基于BIM的nD信息模型及管理平臺，沒有研究將施工能耗作為一個維度進行信息附加并進行管理；對于裝配式建筑施工能耗的研究方面，多采取理論預估，沒有進行可視化研究。

本文在充分考慮裝配式建筑特點的基礎上，以BIM三維模型為基礎，附加進度信息和能耗定額信息，建立基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化模型，在此基礎上基于BIM平臺進行裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)開發(fā)，以可視化的方法實現(xiàn)裝配式建筑施工能耗的動態(tài)展示，解決裝配式建筑施工能耗的可視化問題，為管理者進行施工階段的節(jié)能減排提供基礎。

1 基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化模型構建

1.1 模型構建原理

基于BIM5D的施工能耗可視化模型是以三維模型為基礎，附加建筑構件信息，通過WBS(Work Breakdown Structure)分解附加進度信息、預算信息的信息集成模型。首先通過建模軟件，建立裝配式建筑三維信息模型(3D模型)；然后，利用WBS方法，將裝配式建筑施工能耗項目逐層分解，生成施工能耗清單項目，并附加施工進度信息，建立4D模型；最后通過清單附加預算信息，包括人、材、機等的能源消耗，創(chuàng)建基于BIM技術的施工能耗可視化模型。按照各分部分項工程的資源計劃使用需求，通過能耗可視化模型轉化為施工能耗，就能夠實現(xiàn)施工能耗的可視化展示。

(1)三維信息模型

三維信息模型是利用BIM建模軟件建立建設項目的三維模型，附加建筑構件的基本信息，包括材料信息、尺寸信息、工程量信息等。三維信息模型是進行進度信息、能耗信息附加，實現(xiàn)施工能耗可視化的基礎。目前進行BIM3D建模的軟件眾多，包括Revit，Bentley，ArchiCAD，CATLA。在我國，BIM的核心建模軟件是Revit，其功能豐富，完全基于BIM建模的理念進行功能設計，本文建立的是施工之前的三維信息模型，專注于模型的建立，因此選取Revit作為BIM3D建模軟件。通過三維信息模型可以進行建筑物的虛擬展示，查詢建筑物每個構件的基本信息，同時也能在三維信息模型的基礎上附加其他信息擴展為新的信息模型。

(2)BIM4D進度信息模型

BIM4D進度信息模型是在三維信息模型上附加進度信息形成的構件-進度關聯(lián)信息模型，將三維信息模型和施工進度計劃數(shù)據(jù)關聯(lián)起來實現(xiàn)BIM4D的進度管理。BIM4D進度信息模型包括兩個方面，一是三維信息模型，二是施工進度計劃。三維信息模型通過BIM技術建立，進度計劃一般是由管理者通過一系列軟件，如Project，P6等在施工準備階段就已經(jīng)建立好的。通過BIM4D進度信息模型，在三維信息模型上附加每個工作所包含的建筑構件的施工開始時間和結束時間，建立進度與建筑構件之間的關聯(lián)關系，使每一個建筑構件包含了時間信息，就可以進行施工模擬，演練建筑的施工過程。

(3)能耗信息模型

能耗信息模型是在三維信息模型上附加能耗定額信息形成構件-能耗的關聯(lián)信息模型，將能耗信息和三維信息模型關聯(lián)起來實現(xiàn)能耗管理。能耗信息模型包括兩個方面，一是三維信息模型，二是施工能耗信息。三維信息模型通過BIM技術建立，施工能耗信息參考裝配式建筑工程消耗量定額，每個定額項目包含了人、材、機的能源消耗。在能耗信息模型中，能耗定額信息一般以構件為基礎，每個定額項目包含人、材、機的能源消耗。因此，我們能夠很好的將能耗定額信息與裝配式建筑構件關聯(lián)起來，以構件為單位，在三維信息模型上附加施工能耗定額，得到每個建筑構件的施工能耗定額信息。

(4)基于BIM技術的施工能耗信息模型

基于BIM技術的施工能耗信息模型將三維信息模型、BIM4D進度信息模型、能耗信息模型進行了有效集成，以WBS為核心進行項目分解，以構件為基本單元，通過三維信息模型中的建筑構件附加進度信息和預算信息，能夠有機地演練建設項目施工過程的能源消耗?；贐IM的施工能耗信息模型實現(xiàn)了建筑構件、WBS、進度信息、能耗信息的相互關聯(lián)，如圖1所示。要創(chuàng)建基于BIM技術的施工能耗信息模型，需要建立三維信息模型、BIM4D進度信息模型、能耗信息模型中的實體，并進行實體之間的關聯(lián)。

圖1 基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化模型

1.2 施工能耗計算

施工過程分析法是結合建設項目的施工工藝，以施工過程中的能源消耗為計算目標，計算施工能耗。每一個施工過程能耗的影響因素包括：設備種類、設備功率、工作時間。通過施工能耗可視化模型實體的構建，我們在每一個建筑構件上都能夠附加進度信息和能源消耗信息。

通過工程項目的施工過程進行分解，將項目分解為一個個施工工序，每一個施工工序包括不同構件的直接和間接的能源消耗，通過綜合量化計算可以得到某一個施工工序包含的構件安裝施工能耗。第i種構件安裝能耗Ei的計算公式為：

(1)

式中：m為所需機械設備的種類；Pj為單位構件產量第j種機械設備的功率；Tj為單位構件產量第j種機械設備的工作時間；Qi為構件的產量。

將單個清單項目的全部施工工序包含的構件安裝能耗疊加，得到每個清單項目施工能耗，第k個清單項目能耗Ek的計算公式為：

(2)

式中：n為該清單項目構件的數(shù)量。

將施工網(wǎng)絡計劃中某項工作的各清單項目的施工能耗統(tǒng)計起來，能得到該項工作的施工能耗。第w個網(wǎng)絡計劃的工作能耗Ew為：

(3)

式中：l為該工作的清單數(shù)量。

基于BIM技術的施工能耗信息模型將三維信息、進度信息、能耗信息進行了有效集成，對于每項工作每天對能源的消耗水平視作同一水平，以總能耗與工作持續(xù)時間的比值作為日平均能耗；同時，考慮到非關鍵工作存在可調整時間的情況，將關鍵工作和非關鍵工作分開計量，從而得到日平均能耗Eday公式為：

(4)

式中：E關為當日所在關鍵工作的施工總能耗；N關為該關鍵工作的持續(xù)時間；E非關z為當日所在z非關鍵工作的施工總能耗；N非關z為z非關鍵工作的持續(xù)時間；Z為當日非關鍵工作的數(shù)量。

得到日平均能耗后，即可解決施工能耗的可視化問題，在施工初期實現(xiàn)建筑施工階段的施工能耗隨工期的動態(tài)展示，為管理者進行施工計劃的調整、節(jié)能減排提供依據(jù)。

2 基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)開發(fā)

本文擬通過BIM建模軟件Revit進行二次開發(fā)，將施工階段的幾何信息、進度信息、能耗信息集成到一個可視化的5D(BIM3D+Time+CE)模型中，建立基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)需求分析

(1)信息的可視化

信息的可視化是指通過BIM軟件建立三維信息模型，并且將各類信息附加到模型里面進行展示，讓管理者能夠清晰地觀察到各個時間段的能耗情況，便于對能源使用的“波峰”和“波谷”期采取優(yōu)化措施，保證項目管理的進度、成本、質量，為節(jié)能減排提供基礎。

(2)施工過程模擬

施工模擬是指通過施工進度計劃，模擬建設項目的建設過程。在BIM三維模型的基礎上通過加入施工進度計劃，就能夠將建設項目的建造過程動態(tài)演練出來。通過對項目的施工模擬，與信息進行關聯(lián)，能夠進行進度-信息一體化展示，選擇施工過程的能耗信息進行關聯(lián)，對能源的消耗信息進行匯總，就可以生成能耗-進度信息曲線，幫助管理者選擇優(yōu)化，輔助決策。

2.2 系統(tǒng)架構設計

為實現(xiàn)設計系統(tǒng)的功能需求，將不同的模塊功能進行封裝，通過命名空間將不同的方法和類組織在一起。系統(tǒng)按功能可以劃分為可視化和界面交互兩個部分，基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化系統(tǒng)的功能函數(shù)庫架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構

Revit與傳統(tǒng)CAD建模不同，實現(xiàn)了二維向三維的轉變。Revit包括建筑、結構、機電三個專業(yè)模塊，為建筑、結構和設備管理提供了方案。除了自身功能強大以外，Revit本身基礎功能強大，留給用戶開發(fā)的空間大。Revit提供了應用程序的編程接口Revit API，通過該接口，我們可以根據(jù)自身的功能需求，對Revit進行二次開發(fā)，包括翻模、功能優(yōu)化、BIM平臺建設、工程量提取等，從而豐富Revit的使用內容。

2.3 系統(tǒng)界面設計

系統(tǒng)界面主要包括可視化和交互兩個部分，可視化部分即能耗信息顯示界面，包括兩個方面：一個是獨立構件的總能耗，包括構件種類和能耗量兩欄；第二個是隨著時間進度變化的每日施工能耗，包括時間進度和能耗量兩欄。能耗信息顯示界面的功能是實現(xiàn)能耗隨工期變化的動態(tài)展示。交互部分即構件信息附加界面，進行構件的進度信息和能耗定額信息的附加操作。能耗定額信息包括用能機械設備種類及其定額消耗；進度信息包括構件安裝的開始時間、結束時間以及總用時，與施工網(wǎng)絡進度計劃關聯(lián)。進度信息和能耗定額信息的附加都可以通過手動輸入方式來實現(xiàn)。

2.4 可視化系統(tǒng)的應用流程

首先我們打開Revit軟件，導入相應的裝配式建筑工程模型，以外部應用的方式自動加載插件；然后我們通過點擊單一建筑構件，進入構件信息附加界面，參考工程的施工網(wǎng)絡進度計劃以及裝配式建筑工程消耗量定額標準，對每一個構件單元進行進度信息和能耗定額信息的附加；當所有進度、能耗信息附加完畢之后，保存數(shù)據(jù)，點擊進度能耗或者構件能耗，最終的結果就會在進度能耗顯示界面或者構件能耗顯示界面進行展示，可視化系統(tǒng)的應用流程如圖3所示。

圖3 施工能耗可視化系統(tǒng)應用流程

3 案例分析

3.1 案例概況

以武漢某“裝配式鋼結構示范工程”為例進行分析，該工程占地166 m2(不含道路、綠化等附屬設施)，由10個模塊化箱體式單元組合成2層樓，建筑面積約300 m2。施工網(wǎng)絡進度計劃如圖4所示。

圖4 武漢某“裝配式鋼結構示范工程”施工網(wǎng)絡進度計劃

3.2 基于BIM技術的施工能耗可視化

(1)BIM3D模型建立

通過Revit建立武漢某“裝配式鋼結構示范工程”的3D模型，創(chuàng)建模型的各個結構部件，如圖5所示。

圖5 武漢某“裝配式鋼結構示范工程”BIM模型

將原有的三維信息模型導入到基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗的可視化系統(tǒng)，通過施工網(wǎng)絡計劃和《湖北省裝配式建筑施工消耗量定額》進行進度信息和能耗定額信息的附加。以柱為例，我們在構件信息附加界面的“其他”一欄添加預制柱的能耗定額信息和進度信息，里面的開始時間、結束時間、用能機械設備等參數(shù)均可以通過手動輸入方式進行更改，如圖6所示。

圖6 結構柱的信息附加

在三維信息模型的基礎上將所有的構件通過WBS關聯(lián)進度信息和能耗定額信息之后，就可以在系統(tǒng)內進行裝配式建筑施工能耗的可視化計算，演練該工程的施工過程，按照前文所介紹的可視化方法，將各數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，點擊插件窗口按鍵界面中的構件能耗和進度能耗，就可以得到相應的能耗信息。設置初始網(wǎng)絡進度計劃中所有的工作均按照最早開始時間進行施工，施工工期假定為2020年7月1日開始，7月26日結束。點擊系統(tǒng)內部的進度能耗方案就能得到相應的進度能耗，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，對于初始進度計劃，施工能耗的起伏較大，能耗的波峰期在月初以及12，13號，此時需要及時進行能源的供給，防止能源供給不足從而產生停工現(xiàn)象；而在18，19號，能源消耗量極少，容易產生能源的閑置和浪費現(xiàn)象。同時，可以從兩個角度對施工能耗進行管理：一方面，可以調節(jié)非關鍵工作的開始時間，對施工能耗進行均衡優(yōu)化，保持能耗的均衡水平有助于施工生產效率的提高，同時也對項目管理有益；另一方面，對施工能耗較高的施工工藝進行節(jié)能研究，采取新方法、新工藝進行施工，降低施工能耗水平。

圖7 進度-能耗曲線

4 結 論

本文通過對裝配式建筑的能耗分析，通過WBS分解，關聯(lián)進度計劃信息和預算能耗信息，實現(xiàn)模型構件、進度信息、能耗信息三者的關聯(lián)，建立基于BIM技術的裝配式建筑施工能耗可視化模型；在可視化模型的基礎上，結合信息的可視化、施工過程可模擬的現(xiàn)實需求，進行Revit二次開發(fā)，建立了基于BIM技術的施工能耗可視化系統(tǒng)，并通過武漢某“裝配式鋼結構示范工程”進行了案例驗證，解決了裝配式建筑施工能耗的可視化問題。基于BIM技術的施工能耗可視化模型構建和系統(tǒng)開發(fā)在施工準備階段實現(xiàn)了施工能耗可視化展示，管理者可以在施工可視化的基礎上進行管理決策，為控制施工階段的能耗，實現(xiàn)科學合理的能源消耗，保證施工能耗的均衡水平，實現(xiàn)綠色施工提供了新思路。