CN108959690A - 基于bim的建筑模型窗墙面积比自动优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，包括：第一步：提取BIM模型围护结构参数；第二步：BIM模型围护结构参数存储到数据库中；第三步：查询数据库计算得到建筑体型系数、窗户的传热系数、窗户的太阳得热系数，根据气候分区及气候子区类型表获取甲类公共建筑的建筑气候分区信息；第四步：根据建筑气候分区信息、建筑体型系数、窗户的传热系数和窗户的太阳得热系数通过窗墙面积比依据获取符合规范要求的窗户族的族类型；第五步：进行窗墙面积比自动优化。本发明针对甲类公共建筑能够自动优化建筑模型中窗户的开度，从而使建筑窗墙面积比符合公共建筑节能设计标准的规范，使建筑的设计更加合理，方便建筑设计人员对建筑模型的优化。

Description

基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法。

背景技术

BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达^[1]。

Autodesk Revit所有产品都提供API，高级用户和第三方开发者能够通过RevitAPI将他们的应用程序集成到Autodesk Revit系列产品中。通过Revit API接口、SDK开发包及Visual Studio2015，利用C#编写对Revit模型的相关操作指令，来实现对BIM模型的图形数据和参数数据访问、提取和修改。

目前，BIM技术逐渐在国内公共建筑领域得到普及和使用，随着对特定功能需求的增加，国内学者已经开始研究BIM二次开发技术，通过BIM二次开发技术方便设计人员对建筑模型的设计、优化和其它软件的配和。陆海燕等在基于BIM的框架结构参数化设计研究中，通过对AutoCad及BIM软件二次开发，并以Excel作为数据储存及补充输入工具，实现了二维图形中Satwe计算结果及结构施工图中结构构件信息的提取，完成了框架结构配筋的优化设计及BIM三维自动建模与交互式设计^[1]；韦智仪等在基于BIM的数据驱动建模方法研究中，以某医院项目市政管道构建项目为例，提出了用数据直接驱动构建BIM模型，即通过对Revit的二次开发，对构件进行参数化设计，将数据信息直接转换成BIM模型的方法^[2]；邱波等通过Autodesk公司的Revit平台，利用C#语言完成桥梁设计的二次开发插件，实现桥梁基本参数按命令提示输入后的完整桥梁模型自动化生成^[3]；刘济凡在基于BIM的管道支吊架辅助布置***中通过BIM软件REVIT为平台，通过二次开发，创建了各类支吊架模型库，在管道设计图模型上直接添加支吊架模型，将管道支吊架安全复核与三维实体布置结合，精准确定支吊架位置并直观显现，提高了施工的精细度，同时提供了物料统计功能，为设计方案的比选和优化提供了便利^[4]。

窗和墙作为建筑物的主要***护结构，对于采暖空调建筑的能耗有着重大影响；通过窗墙的耗热量，通常占采暖建筑总耗热量的80％以上^[5]，一般普通窗户(包括阳台门的透明部分)的保温隔热性能比外墙差很多，窗墙面积比越大，采暖和空调能耗也越大。因此，从降低建筑能耗的角度出发，合理选择窗户的面积比对建筑节能具体有很大意义^[6]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，包括以下步骤：

第一步：通过计算机获取甲类公共建筑BIM模型；通过围护结构参数提取方法，提取BIM模型围护结构参数；

第二步：将提取的BIM模型围护结构参数通过围护结构参数存储方法存储到数据库中；

第三步：查询数据库，获取数据库中窗户、房间的已提取参数，经计算得到建筑体型系数、窗户的传热系数、窗户的太阳得热系数，根据气候分区及气候子区类型表获取甲类公共建筑的建筑气候分区信息；

第四步：根据建筑气候分区信息、建筑体型系数、窗户的传热系数和窗户的太阳得热系数通过窗墙面积比依据获取符合规范要求的窗户族的族类型；

第五步：进行窗墙面积比自动优化。

进一步的，第一步中BIM模型围护结构参数，具体如下：

墙：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、高度、厚度、方向向量、传热系数、热质量、热阻、吸收率、材料的ID编码、注释；

楼板：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、宽度、厚度、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、材料ID编码；

窗：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

门：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

屋顶：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、屋顶坡度、材料ID编码；

材质参数：材料ID、材料名称、热传导率、行为、渗透性、多孔性、反射率、电阻率、是否具有透光性、汽化热、发射率、密度、比热；

房间：房间ID、房间名称、所在楼层、房间体积、房间边界的ID编码。

进一步的，第一步中提取BIM模型围护结构参数的步骤为：

BIM的RevitAPI接口提供了元素收集器FilteredElementCollector类、类过滤器ElementClassFilter类、类别过滤器ElementCategoryFilter类和逻辑过滤器LogicalAndFilter类；通过ElementClassFilter类的构造函数设置指定的围护结构元素的过滤器，并将设置后的过滤器放入逻辑过滤器LogicalAndFilter类中，通过收集器FilteredElementCollector类的WherePasses(LogicalAndFilter la)方法获得指定的围护结构元素实例集合；然后遍历所获得围护结构元素实例集合，并运用RevitAPI提供的元素get_Parameter(Built_in param)方法，改变元素的param获得围护结构元素实例集合中每个元素指定的param参数。

进一步的，第二步具体包括：

A)：判断数据库中是否存在数据库parameters，如果不存在则进行第二步；否则删除数据库parameters，然后进行第二步；

B)：创建数据库parameters，并分别创建墙、楼板、屋顶、材质、窗户、门、房间参数表；

C)：存储所提取的围护结构元素实例的参数。

进一步的，步骤三至步骤四包括：

1)、建筑体型系数的求取：

1.1、查询墙体参数表，获取东、西、南、北立面外墙的面积分别为A_e、A_w、A_s、A_n；

1.2、查询屋顶参数表获取屋顶表面积Ar；

1.3、查询房间参数表获取各房间体积和其中i代表第i个房间；

则计算得建筑体形系数：

2)、传热系数、太阳得热系数求取：

查询数据库parameters获取窗户的传热系数K、太阳得热系数SHGC；

3)、由建筑类型、所在分区、建筑体型系数C_t、传热系数K、太阳得热系数SHGC确定某朝向外墙立面窗墙比限值为(a，b]；

4)、各朝向外墙立面窗户总面积求取：

查询墙体参数表获取东、西、南、北立面外墙的窗户总面积A_ew、A_ww、A_sw、A_nw。

进一步的，第五步具体包括：

当aA_s<外墙的窗户总面积≦bA_s时，符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，对该墙的窗户不做改变，输出“窗墙面积比设计合理，无需优化”；

当外墙的窗户总面积≦aA_s或外墙的窗户总面积>bA_s时，不符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，读取相同窗族下的不同窗族类型的面积A_f，并假设读取的窗族类型为替换需要优化的窗，直到满足窗墙面积比限值，则将该立面墙的实例窗类型换成符合窗墙面积比限值的窗类型；若BIM窗户族的族类型中没有符合规范要求的窗户族的族类型，则输出“窗墙面积比设计不合理，优化时未找到合理的窗户族类型”。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过BIM二次开发技术，针对甲类公共建筑能够自动优化建筑模型中窗户的开度，从而使建筑窗墙面积比达到公共建筑节能设计标准的规范要求，使建筑的设计更加合理，从而方便建筑设计人员对建筑模型的优化。

附图说明

图1为本发明一种基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法流程图；

图2为基本元素的参数提取流程；

图3为BIM模型围护结构参数存储流程；

图4为窗墙面积比自动优化实现流程图；

图5为建筑信息模型。

具体实施方式

2.1建筑模型窗墙面积比自动优化流程

请参阅图1所示，甲类公共建筑BIM模型的窗墙面积比自动优化方法，包括以下步骤：

第一步：通过2.2.1节中的围护结构参数提取方法，提取BIM模型围护结构参数；

第二步：将提取的BIM模型围护结构参数通过2.2.2节中的围护结构参数存储方法存储到数据库中；

第三步：查询数据库，获取数据库中窗户、房间的已提取参数，经计算得到建筑体型系数、窗户的传热系数、窗户的太阳得热系数，根据气候分区及气候子区类型表获取甲类公共建筑的建筑气候分区信息；

第四步：根据建筑气候分区信息、建筑体型系数、窗户的传热系数和窗户的太阳得热系数通过2.3.1的窗墙面积比依据获取符合规范要求的窗户族的族类型；

第五步：如果设计中窗墙面积比合适，则人机界面显示“窗墙面积比设计合理，无需优化”；如果设计中窗墙面积比不合适，则运用Revit API接口中ChangeTypeId()函数将对应外立面墙的窗模型实例的族类型替换为符合规范要求的窗户族的族类型，若BIM窗户族的族类型中没有符合规范要求的窗户族的族类型，则人机界面显示“窗墙面积比设计不合理，优化时未找到合理的窗户族类型”。

下面按照流程图分别介绍本发明核心内容：BIM模型围护结构参数提取与数据库存储***、窗墙面积比优化方法。

2.2BIM模型围护结构参数提取与存储***

据在建筑物中的位置，围护结构分为***护结构和内围护结构。***护结构包括外墙、屋顶、侧窗、外门等，用以抵御风雨、温度变化、太阳辐射等，应具有保温、隔热、隔声、防水、防潮、耐火、耐久等性能。内围护结构如隔墙、楼板和内门窗等，起分隔室内空间作用，应具有隔声、隔视线以及某些特殊要求的性能^[7]。

本发明提取和存储的围护结构元素实例主要参数项如下：

①墙：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、高度、厚度、方向向量、传热系数、热质量、热阻、吸收率、材料的ID编码(材料1ID_材料2ID_材料3ID_...)、注释；

②楼板：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、宽度、厚度、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、材料ID编码；

③窗：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

④门：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

⑤屋顶：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、屋顶坡度、材料ID编码；

⑥材质参数：材料ID、材料名称、热传导率、行为、渗透性、多孔性、反射率、电阻率、是否具有透光性、汽化热、发射率、密度、比热；

⑦房间：房间ID、房间名称、所在楼层、房间体积、房间边界的ID编码(边界1的ID_边界2的ID_边界3的ID_...)。

2.2.1BIM模型围护结构参数提取

BIM的RevitAPI接口提供了元素收集器FilteredElementCollector类、类过滤器ElementClassFilter类、类别过滤器ElementCategoryFilter类和逻辑过滤器LogicalAndFilter类。通过ElementClassFilter类的构造函数设置指定的围护结构元素(墙、窗户、楼板)的过滤器，并将设置后的过滤器放入逻辑过滤器LogicalAndFilter类中，通过收集器FilteredElementCollector类的WherePasses(LogicalAndFilter la)方法获得指定的的围护结构元素实例集合，例如模型中所有窗户实例元素组成的集合；然后遍历所获得围护结构元素实例集合，并运用RevitAPI提供的元素get_Parameter(Built_inparam)方法，改变元素的param可以获得围护结构元素实例集合中每个元素指定的param参数，常见元素参数的param如下表所示，基本参数提取流程如图2所示。

表1元素参数对应的param

2.2.2BIM模型围护结构参数存储

本发明运用数据库MySQL存储提取的参数，由于对于不同的建筑模型所提取的围护结构元素的参数不同，所以主要存储步骤依次如下：

第一步：判断数据库中是否存在数据库parameters，如果不存在则进行第二步；否则删除数据库parameters，然后进行第二步。

第二步：创建数据库parameters，并分别创建墙、楼板、屋顶、材质、窗户、门、房间参数表。

第三步：存储所提取的围护结构元素实例的参数。

BIM模型围护结构参数存储流程如图3所示。

2.3窗墙面积比优化方法

2.3.1窗墙面积比依据

《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015第3.3.1-3.3.2条，规定了甲类公共建筑各区公共建筑窗墙面积比限值，经整理甲类公共建筑部分分区的窗墙比限值如下表1、表2所示。

表1严寒A、B区甲类公共建筑窗墙面积比限值

表2严寒C区甲类公共建筑窗墙面积比限值

2.3.2窗墙面积比优化实现

本发明对窗墙面积比优化的实现是通过查询参数数据库，并经以下获取优化计算相关参数方法获得建筑体形系数C_t、窗户传热系数K、太阳的热系数SHGC，根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015第3.3.1-3.3.2条的规范查出某朝向外墙立面窗墙比限值为(a，b]，并判断模型中窗墙面积比是否符合该窗墙比限值要求，如果符合不做改变，如果不符合，通过BIM二次开发技术遍历同窗户族下的不同族类型，当有符合要求的窗户类型时，则替换模型中的需要优化的窗户族类型，使窗墙面积比符合规范要求。

在获得参数数据库parameters后，查询参数数据库parameters中墙参数表、屋顶参数表、房间参数表、窗户参数表获得优化计算相关参数如下：

(1)建筑气候分区及气候子区类型获取

气候分区及气候子区的类型表如下表3所示，根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015查该建筑所在气候分区。

表3气候分区及气候子区类型表

通过人机界面选择被优化建筑的气候分区及气候子分区及所优化的立面墙。

(2)建筑体型系数的求取

①查询墙体参数表，获取东、西、南、北立面外墙的面积分别为A_e、A_w、A_s、A_n；

②查询屋顶参数表获取屋顶表面积Ar；

③查询房间参数表获取各房间体积和其中i代表第i个房间；

则计算得建筑体形系数：

(3)传热系数、太阳得热系数求取

查询数据库parameters获取窗户的传热系数K、太阳得热系数SHGC；

(4)由建筑类型、所在分区、建筑体型系数C_t、传热系数K、太阳得热系数SHGC确定某朝向外墙立面窗墙比限值为(a，b]。

(5)各朝向外墙立面窗户总面积求取

查询墙体参数表获取东、西、南、北立面外墙的窗户总面积A_ew、A_ww、A_sw、A_nw。

(6)判断和修改窗户的窗类型

以南墙为例：

①当aA_s<A_sw≦bA_s时，符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，对该南立面墙的窗户不做改变，且人机界面显示“窗墙面积比设计合理，无需优化”；

②当A_sw≦aA_s或A_sw>bA_s时，不符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，读取相同窗族下的不同窗族类型的面积A_f，并假设读取的窗族类型为替换需要优化的窗，直到满足窗墙面积比限值，则将该立面墙的实例窗类型换成符合窗墙面积比限值的窗类型；若BIM窗户族的族类型中没有符合规范要求的窗户族的族类型，则人机界面提示显示“窗墙面积比设计不合理，优化时未找到合理的窗户族类型”。

(7)人机交互界面显示如下参数

①建筑信息：外表面积、总体积、体形系数；

②优化前后信息：窗户的传热系数、太阳的热系数、外墙体总面积、规范要求窗墙面积比限值要求、优化前窗户总面积、优化前窗墙面积比、优化后窗户总面积、优化后窗墙面积比。

2.4验证及运行结果分析

以图5所示建筑模型为例，该建筑为甲类公共建筑，地处严寒A区。该建筑物的长度：16m，宽度：16m，高度：8m，体积：2164m³，屋顶表面积：292m²；

屋顶建筑模型中南立面外墙窗户族：推拉窗2-带贴面，窗户族类型：1.2m×0.9m、窗户传热系数：2.1886W/(m².K)，窗户太阳得热系数：0.78。

2.4.1理论计算结果

(1)计算求取体形系数C_t

建筑外墙表面积：S_b＝16×8×4+292＝804m²

则体形系数：C_t＝804/2164＝0.37

(2)计算求取南立面窗墙面积比C_w

窗户总面积：S_d＝1.2×0.9×8＝8.64m²

南立面外墙面积：S_l＝16×8＝128m²

南立面外墙窗墙面积比：C_w＝8.64/128＝0.0675

(3)根据严寒A区甲类公共建筑，体形系数C_t：0.37，窗户传热系数：2.1886W/(m².K)，窗户太阳得热系数：0.78，查找表1可知窗墙比限值为(0.2，0.3]，与实际计算所得南立面窗墙面积比C_w；0.0675差距较大，需要对建筑中窗户模型进行优化。

(4)建筑模型中窗户的可载入窗户族的推拉窗2-带贴面族的族类型有：900mm×1200mm、1200mm×900mm、1200mm×1200mm、1500mm×1200mm、1800mm×1500mm、2100mm×1800mm。

由该建筑南立面窗墙比限值为(0.2，0.3]，可得该建筑南立面窗总面积比限值为(26，38.4]，则符合要求的窗类型面积限值为(3.2，4.8]，上述窗户族的推拉窗2-带贴面族的族类型中符合要求的有：2100mm×1800mm。

所以，本发明方法将建筑模型中窗户实例的族类型更换为2100mm×1800mm，方法合理准确。

本发明利用BIM二次开发技术，搭建了围护结构参数提取和数据库存储***，并在此基础上，通过数据库查询和获取方法得到窗墙面积比优化算法所需要的参数，经窗墙面积比优化算法计算得到符合要求的窗户族类型，并将该窗户族类型通过BIM二次开发技术返回到BIM建筑模型，对建筑模型自动修改，从而是窗墙面积比满足规范要求，达到节能目的，方便了建筑设计对建筑的优化。

Claims (6)

1.基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：通过计算机获取甲类公共建筑BIM模型；通过围护结构参数提取方法，提取BIM模型围护结构参数；

第二步：将提取的BIM模型围护结构参数通过围护结构参数存储方法存储到数据库中；

第三步：查询数据库，获取数据库中窗户、房间的已提取参数，经计算得到建筑体型系数、窗户的传热系数、窗户的太阳得热系数，根据气候分区及气候子区类型表获取甲类公共建筑的建筑气候分区信息；

第四步：根据建筑气候分区信息、建筑体型系数、窗户的传热系数和窗户的太阳得热系数通过窗墙面积比依据获取符合规范要求的窗户族的族类型；

第五步：进行窗墙面积比自动优化。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，第一步中BIM模型围护结构参数，具体如下：

墙：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、高度、厚度、方向向量、传热系数、热质量、热阻、吸收率、材料的ID编码、注释；

楼板：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、长度、宽度、厚度、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、材料ID编码；

窗：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

门：元素ID、元素名称、所在楼层、宿主、面积、传热系数、热阻、日光得热系数、可见光透过率、材料ID编码；

屋顶：元素ID、元素名称、所在楼层、面积、传热系数、热质量、热阻、吸收率、厚度、屋顶坡度、材料ID编码；

材质参数：材料ID、材料名称、热传导率、行为、渗透性、多孔性、反射率、电阻率、是否具有透光性、汽化热、发射率、密度、比热；

房间：房间ID、房间名称、所在楼层、房间体积、房间边界的ID编码。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，第一步中提取BIM模型围护结构参数的步骤为：

BIM的RevitAPI接口提供了元素收集器FilteredElementCollector类、类过滤器ElementClassFilter类、类别过滤器ElementCategoryFilter类和逻辑过滤器LogicalAndFilter类；通过ElementClassFilter类的构造函数设置指定的围护结构元素的过滤器，并将设置后的过滤器放入逻辑过滤器LogicalAndFilter类中，通过收集器FilteredElementCollector类的WherePasses(LogicalAndFilter la)方法获得指定的围护结构元素实例集合；然后遍历所获得围护结构元素实例集合，并运用RevitAPI提供的元素get_Parameter(Built_in param)方法，改变元素的param获得围护结构元素实例集合中每个元素指定的param参数。

4.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，第二步具体包括：

A)：判断数据库中是否存在数据库parameters，如果不存在则进行第二步；否则删除数据库parameters，然后进行第二步；

B)：创建数据库parameters，并分别创建墙、楼板、屋顶、材质、窗户、门、房间参数表；

C)：存储所提取的围护结构元素实例的参数。

5.根据权利要求1所述的基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，步骤三至步骤四包括：

1)、建筑体型系数的求取：

1.1、查询墙体参数表，获取东、西、南、北立面外墙的面积分别为A_e、A_w、A_s、A_n；

1.2、查询屋顶参数表获取屋顶表面积Ar；

1.3、查询房间参数表获取各房间体积和其中i代表第i个房间；

则计算得建筑体形系数：

2)、传热系数、太阳得热系数求取：

查询数据库parameters获取窗户的传热系数K、太阳得热系数SHGC；

3)、由建筑类型、所在分区、建筑体型系数C_t、传热系数K、太阳得热系数SHGC确定某朝向外墙立面窗墙比限值为(a，b]；

4)、各朝向外墙立面窗户总面积求取：

查询墙体参数表获取东、西、南、北立面外墙的窗户总面积A_ew、A_ww、A_sw、A_nw。

6.根据权利要求5所述的基于BIM的建筑模型窗墙面积比自动优化方法，其特征在于，第五步具体包括：

当aA_s<外墙的窗户总面积≦bA_s时，符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，对该墙的窗户不做改变，输出“窗墙面积比设计合理，无需优化”；

当外墙的窗户总面积≦aA_s或外墙的窗户总面积>bA_s时，不符合《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中窗墙面积比限值要求，读取相同窗族下的不同窗族类型的面积A_f，并假设读取的窗族类型为替换需要优化的窗，直到满足窗墙面积比限值，则将该立面墙的实例窗类型换成符合窗墙面积比限值的窗类型；若BIM窗户族的族类型中没有符合规范要求的窗户族的族类型，则输出“窗墙面积比设计不合理，优化时未找到合理的窗户族类型”。