从节能设计IFC数据生成IDF数据的机制及关键算法

1、第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海2011从节能设计IFC数据生成IDF数据的机制及关键算法马智亮 曾统华 魏振华 冯妍清华大学土木工程系，北京 100084【摘要】基于BIM技术的我国建筑节能设计软件为进行能耗模拟，需要实现IFC数据到能耗模拟软件所需数据的转换。目前国内外已经有一些相关研究，但其具体转换机制和算法并未公开，也没有实现商业化应用。本研究首先建立了建筑节能设计信息需求模型，然后通过分析IFC标准和主流能耗模拟内核EnergyPlus的IDF格式分别建立起了基于IFC标准和IDF格式的建筑节能设计信息模型，之后在该模型的基础上，通过解决一些关键算法建立并实现了由节能设计I

2、FC数据生成IDF数据的转换机制。实际工程的应用表明所建立的机制能大大提高建模效率。本研究为开发基于BIM技术的我国建筑节能设计软件奠定了基础。【关键词】IFC；IDF；信息模型；模型转化 引言随着可持续发展思想深入人心，建筑节能问题已经受到世界性的普遍关注。目前，我国每年新增建筑面积高达18-20亿平方米参考文献1 姜小明. 高层建筑节能设计J. 四川建材. 2008(5): 17-18.，特别是近年来建造了大量的大型公共建筑和商业建筑，节能问题尤其突出。建筑节能的关键在于节能设计，然而现有的建筑节能设计软件往往不能直接利用建筑设计结果，需要大量的人工进行重新建模，在实际使用时效率低下且容易

3、出错。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的出现为解决该问题提供了可能性。因为利用BIM技术设计后得到的结果采取三维模型数字表示，并且包含了属性数据，这样的数据可被计算机程序直接处理，生成建筑节能分析模型。目前IFC标准已经成为BIM数据的主流标准，可以用来实现包括节能设计在内的建筑全生命期多阶段及多专业之间的信息共享。进行大型公共建筑和商业建筑的节能设计时往往需要进行能耗模拟。目前的建筑节能设计软件多使用已有的建筑能耗模拟软件，例如主流能耗模拟软件EnergyPlus和DeST等作为模拟内核。这些模拟内核有自己的数据格式，例如EnergyPl

4、us的IDF格式，DeST的XML格式等，因此在开发基于BIM技术的建筑节能设计软件时，首先需要解决节能设计IFC数据向能耗模拟软件数据格式转化的问题。目前国内外已经开展了一些相关研究。劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）利用中间工具BSPro COM-Server开发的IFCtoIDF插件，实现了简单的IFC几何数据到IDF数据的转化2 A. Karola, H. Lahtela, R. Hanninen, etc. BSPro COM-Server - Interoperability between software tools using industrial foundation cl

5、asses J. Energy and Buildings. 2002, 34 (9): 901-907.；Bazjanac等人开发了GST/IDF Generator和IFC HVAC interface，分别实现IFC几何数据 Tobias Maile, Martin Fischer, Vladimir Bazjanac. Building energy performance simulation tools: a life-cycle and interoperable perspective R. Center for Integrated Facility Engineering

6、working paper, Stanford University. 2007.- V. Bazjanac. Implementation of semi-automated energy performance simulation: building geometry: Proceedings of Managing IT in Construction / Managing Construction for Tomorrow. United Kingdom C. CRC Press, United Kingdom, 2009.和IFC HVAC数据到IDF数据的转化 V. Bazjan

7、ac. IFC HVAC INTERFACE to EnergyPlus a case of expanded interoperability for energy simulation: Proceedings of Building Simulation 2004, USA C. USA, 2004.- Chris Wilkins, Arto Kiviniemi. Engineering centric BIM J. ASHRAE Journal. 2008, 12: 44-48.；Green Building Studio和DesignBuilder软件则将IFC文件转化为gbXML文

8、件，将其设置热工属性后再转化为IDF数据 Autodesk. Using Green Building Studio with Revit Architecture and Revit MEP OL. 2011-10-18 /Green_Building_Studio/enu/2012/Help/0002-Getting_2/0003-Using_Gr3.- Designbuilder Software. DesignbuilderOL. 2011-10-18 http:/www.designbuilder.co.uk/content/view/7/13.；Yun Kyu Yi等人先将IFC数

9、据转化成XML格式，再利用其开发的XML format file converter工具将设计数据转化成DeST的XML文件 Yun Kyu Yi, Jaime Lee, etc. Data-centric simulation interoperability using the DeST simulation platform: Proceedings of Building Simulation 2007, USAC. USA, 2007.。然而，这些研究成果中的机制和算法并未公开，也未实现商业化应用。本研究旨在研制基于BIM技术的建筑节能设计软件。为此，本文首先建立了建筑节能设计信息需

10、求模型，然后通过分析IFC标准和IDF格式对建筑节能信息的表达，分别建立起了基于IFC标准和IDF数据格式的建筑节能设计信息模型，之后在该模型的基础上，通过解决一些关键算法建立并实现了由节能设计IFC数据生成IDF数据的转化机制。该转化机制为开发基于BIM技术的我国建筑节能设计软件奠定了基础。 建筑节能设计信息模型 2.1建筑节能设计信息需求模型本研究通过对建筑节能设计的实际工作流程以及现有软件进行调研，首先对建筑节能设计的信息需求进行了分析，并建立了建筑节能设计信息需求模型，如图2-1所示。流制信息和几何信息。建筑构件的几何信息与热区的几何信息具有关联前PAGEXXXPAGEXXXPAGEX

11、XXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGE

12、XXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAG

13、EXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXXPAGEXXX图2-1建筑节能设计信息需求模型根据我国建筑节能设计规范，建筑节能设计流程中最重要的两部分内容是规范性指标检查和能耗模拟，涉及到建筑构件信息、热区信息、规范和气象信息等。其中，建筑构件信息包括材料信息和几何信息，热区信息则包括内热源信息、设备信息、控制信息和空间几何信息，同时建筑构件的几何信息又与热区的空间几何信息相关联。具体地，建筑构件的几何信息和材料信息用来计算窗墙面积比、热工性能参数等指标，进而依据规范进行规范性指标检查。如果检查结果不满足规范要求，则需进一步利用热区及气象等信息进行

14、能耗模拟。2.2基于IFC标准的建筑节能设计信息模型为了从建筑设计结果IFC数据中抽取用于建筑节能设计的信息，需要用IFC标准表达建筑节能设计信息，并形成基于IFC标准的建筑节能设计信息模型。经分析归纳，本研究建立了相关模型，如图2-2所示。图2-2基于IFC标准的建筑节能设计信息模型该模型包括了建筑节能设计信息需求模型所包含的6个方面信息，其中用IFC对象实体来表达信息，并用实体属性或者IFC关系实体将不同的IFC对象实体联系起来。例如，几何信息作为建筑构件的属性，直接与其相关联；建筑构件与空间之间通过表示空间边界的关系实体IfcRelSpaceBoundary建立关联以表达两者之间的空间位

15、置关系，而空间又通过关系实体IfcRelAssignstoGroup组织为热区。值得说明的是，当前IFC中没有专门表达内热源的实体，这里通过扩展属性集的方式定义空间（IfcSpace）的自定义属性集来实现。2.3基于IDF数据格式的建筑节能设计信息模型IDF格式是目前主流的能耗模拟软件EnergyPlus的数据格式。它采用面向对象的组织方式来表达能耗模拟所需要的各方面信息，共包括400多个实体。为了实现节能设计IFC数据到IDF数据的转化，也需要相应地分析IDF对节能设计信息的表达方法。本研究在信息需求模型的基础上，通过分析IDF相关实体，建立起了基于IDF数据的建筑节能设计模型，如图2-3所

16、示。图2-3基于IDF数据格式的建筑节能设计信息模型该模型也包括了建筑节能设计信息需求模型所包含的6个方面信息，其中用IDF实体来表达信息，信息之间的关联均是通过属性的方式来实现。例如，热区之间的相邻关系通过其OutsideBoundary和Outside Face Environment Object 属性表示，热区的空调系统之间的联接通过热区间的ZoneOutletNode及ZoneInletNode属性来表示。值得注意的是，由于IDF对热区空间几何信息的表达直接利用了其外围护建筑构件的几何信息，因此在模型中将两部分信息合并表达。 转换机制及关键算法 3.1IFC-IDF转换机制概述根据之

17、前建立的建筑节能设计信息需求模型和基于IFC和IDF的建筑节能设计信息模型，要实现节能设计IFC数据到IDF数据的转换，需要完成几何信息（包括建筑构件几何信息和热区空间几何信息）、建筑构件材料信息、热区内热源信息、热区设备信息、热区控制信息共5类信息的转换。其中，几何信息的转换是完成数据转换的重点，限于篇幅，本文仅阐述几何信息转换机制及其关键算法作为示例。3.2 几何信息转换机制及关键算法从前面基于IFC和IDF的建筑节能设计信息模型可知，IFC标准与IDF数据对热区和建筑构件的几何描述方法不同。首先，如前所述，IFC标准中热区和建筑构件的几何信息分开表达并通过关系实体实现关联，而IDF中两部

18、分信息是作为一类信息进行表达的。其次， IFC标准中建筑构件均是以三维实体的形式来表达，而IDF中建筑构件则是以三维平面的形式来表达。综上所述，几何信息转换的关键是提取建筑构件三维实体的特征平面。对于特征平面的选择，通常取为三维实体的中心平面。这种方式在概念上简单直观，转化后的IDF文件中两个相邻热区共享同一个平面。然而该方式主要存在三个问题。首先，实际相邻热区之间并非紧密邻接，而是相隔中间墙体的厚度，该方式实际上改变了热区的体积。其次，相邻热区并非共享同一个平面，而是建筑构件的不同表面。最后，几何转换算法和编程实现较为复杂，特别是转换后热区的封闭性处理较为复杂。图3-1 IFC标准空间和建筑

19、构件关联几何信息模型图3-2墙体几何转换的算法流程本研究通过建立一个快速简便的关键算法解决了上述问题。如图3-1所示，关系实体IfcRelSpaceBoundary不仅表达了空间和建筑构件之间的关联关系，还通过其ConnectionGeometry属性具体地表达了两者之间关联表面的几何信息。用于表达该属性的实体IfcConnectionSurfaceGeometry定义了多种平面几何信息表达方式，例如IfcBoundedSurface，这些表达方式均可以通过简单编程转换为三维平面点集。这里将关联表面作为特征平面，这样一来，很容易得到特征表面的表征数据。据此本研究建立了如图3-2所示的算法流程，其转换结果是