Automation of thermal energy performance analysis of residential building envelopes from BIM-VPL integration

Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, 2022.Sendo o crescimento do consumo de energia uma realidade mundial e considerando que os maiores custos com energia nas edificações ocorrem durante o seu uso e operação, é importante que as questões de eficiência e sustentabilidade dos edifícios sejam pensadas desde a fase de projeto. É nesta etapa que a maioria das decisões sobre a edificação são tomadas, tendo esta fase um grande impacto nas funcionalidades, custos e desempenho do empreendimento. Na prática, no entanto, o que acaba ocorrendo é a falta de integração entre o processo de projeto e a análise de desempenho, sendo as simulações energéticas realizadas apenas quando decisões arquitetônicas e decisões fundamentais de projeto já foram definidas. Apesar da tecnologia do Building Information Modeling (BIM) ter surgido como uma importante ferramenta de apoio a tomada de decisão, principalmente nas fases iniciais de projeto, além de ter possibilitado avanços no desenvolvimento e análise de edifícios verdes, o processo de projeto destes edifícios ainda carece de ferramentas e fluxos de trabalho bem estruturados que permitam obter, paralelamente ao desenvolvimento do projeto, um feedback instantâneo do desempenho dos edifícios. Baseado nisto, este trabalho buscou desenvolver uma estrutura integrada responsável por estabelecer, através do uso da linguagem de programação visual (VPL), um relacionamento direto entre o modelo BIM e as normativas brasileiras de desempenho térmico e eficiência energética, NBR 15575 (2021) e INI-R (2018), respectivamente. A metodologia foi baseada no Design Science Research e a aplicabilidade do sistema proposto foi validada a partir de um estudo de caso baseado em duas tipologias representativas brasileiras. Os resultados obtidos foram consistentes e demostram a viabilidade e o potencial de integração do BIM ao VPL para a análise do desempenho termo energético das edificações. Como contribuição científica, este estudo apresenta uma rotina de automatização para avaliação termo energética integrada ao BIM. O fluxo de trabalho desenvolvido serve como base aos estudos que buscam desenvolver um método mais automatizado para a aplicação de normas de desempenho e eficiência de edifícios. Além disso, através da metodologia adotada, metamodelos de predição da carga térmica puderam ser integrados aos modelos BIM utilizando o VPL. Deste modo, todo o processo de avaliação das edificações pode ser realizado diretamente no software de modelagem BIM, não sendo necessário o uso de softwares externos de simulação energética. Por fim, esta integração BIM-VPL permitiu o desenvolvimento de uma ferramenta de suporte ao projeto que pode ser facilmente implementada e utilizada pelos projetistas. Essa ferramenta possibilita uma verificação mais rápida e eficaz do desempenho dos edifícios, auxiliando para que nos estágios iniciais de projeto diferentes configurações da edificação possam ser analisadas em um menor espaço de tempo e com menor esforço despendido para a tomada de decisão.As the growth in energy consumption is a worldwide reality and considering that the highest energy costs in buildings occur during their use and operation, the issues of efficiency and sustainability of buildings must be considered from the design stage. At this stage, most building decisions are made, and this stage has a major impact on the features, costs, and performance of the enterprise. In practice, however, what ends up happening is the lack of integration between the design process and performance analysis, with energy simulations being carried out only when architectural decisions and fundamental design decisions have already been defined. Building Information Modeling (BIM) technology has emerged as an important tool to support decision-making, especially in the early stages of design. In addition to enabling advances in the development and analysis of green buildings, the design process of these buildings is still lacking well-structured tools and workflows that allow for instantaneous feedback on building performance in parallel with the development of the project. Based on this, this work sought to develop an integrated structure responsible for establishing, through the use of visual programming language (VPL), a direct relationship between the BIM model and the Brazilian regulations on thermal performance and energy efficiency, NBR 15575 (2021) and INI-R (2018), respectively. The methodology was based on Design Science Research and the applicability of the proposed system was validated from a case study based on two representative Brazilian typologies. The results obtained were consistent and demonstrated the feasibility and potential of integrating BIM with VPL to analyze the thermo-energy performance of buildings. As a scientific contribution, this study presents an automation routine for thermo-energy evaluation integrated to BIM. The developed workflow serves as a basis for studies that seek to develop a more automated method for applying building performance and efficiency standards. Furthermore, through the adopted methodology, thermal load prediction metamodels could be integrated into BIM models using VPL. In this way, the entire building evaluation process can be performed directly in the BIM modeling software, without the need to use external software for energy simulation. Finally, this BIM-VPL integration allowed the development of a project support tool that designers can easily implement and use. It allows for faster and more effective verification of the performance of buildings, helping to analyze different building configurations in a shorter period of time and with less effort spent on decision-making in the early stages of design