基于BIM技术的建筑节能设计软件开发

第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海·2011基于BIM技术的建筑节能设计软件开发研究邱相武赵志安邱勇云（建研科技股份有限公司，北京，100013）【摘要】根据我国目前建筑节能设计的现状和存在的问题，本文介绍了在现有建筑数据电子文档的基础上生成建筑节能设计用建筑模型方法，基于建筑信息模型(BIM)的建筑节能设计软件的功能模块，探讨了相关功能的实现技术。【关键词】建筑节能设计建筑信息模型建筑能耗计算【中图分类号】TU111.19+5【文献标志码】A1.建筑节能设计现状和面临问题随着经济快速发展，能源消耗量与日剧增，全球能源短缺的状况日益突显，能源问题已经成为关乎国家发展战略的关键问题。与此同时，建筑耗能占总能耗的比例在不断增加，建筑节能已经成为国家节约能源战略的重要环节。建筑节能设计涉及到建筑和设备两个专业，建筑朝向、围护结构性能、自然通风状况、建筑体形系数、窗墙面积比、功能分区都是影响建筑能耗的重要因素。围护结构的保温性能决定围护结构传热系数，体形系数决定了围护结构和室外环境的传热面积，建筑朝向、窗墙面积比影响着通过太阳辐射传热进入建筑的热量。上述因素决定着通过围护结构的采暖空调负荷的大小。因此不同的建筑的建筑设计方案在能耗方面会有巨大的差别。这就需要在建筑方案阶段就进行建筑的能耗模拟，判断建筑是否满足节能要求。然而使用传统的能耗分析软件对建筑进行节能分析并不是容易的事情。传统能耗分析软件需要大量的专业数据、繁琐的输入工作，建筑师很难花大量精力研究能耗模拟软件，完成每一种方案的能耗分析工作。而传统的设计方法，建筑专业和设备专业是脱节的，设备工程师需要输入建筑数据，使用能耗分析软件进行能耗分析，分析结果也不能直接反映到建筑模型中，导致能耗分析通常安排在设计的最终阶段，不能及时起到为建筑师提供方案设计依据的作用。综上所述，当前建筑设计和建筑节能设计之间的矛盾主要表现在以下两个方面：1）建筑能耗分析所需要的建筑数据量大，需要暖通工程师交互输入，工作量大、准确率低、工作效率低；2）专业之间缺乏协同机制，设备工程师在建筑方案阶段难于对建筑进行能耗分析，分析修改的结果很难对建筑师的方案设计提供帮助。2.基于BIM建筑节能设计软件的意义随着数字化、信息化和智能化技术的发展，以建筑信息模型BIM(buildinginformationmodel)为核心的建筑3DCAD将成为未来建筑CAD的发展趋势。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，BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。BIM的核心是一个包含了建筑工程项目各专业和各阶段的数据库。这一数据可被工程项目各方共享和使用，各参与方可以根据权限修改和扩充数据库中的相关内容。BIM具有模型信息完备性、模型信息关联性和模型信息一致性的特征。基于BIM模型的建筑节能设计软件，通过共享建筑师的建筑信息模型，获取建筑朝向、建筑构件几何尺寸、建筑材料、功能分区等建筑信息，进行建筑节能分析计算，判断建筑是否满足节能标准规定性指标的要求，当不满足要求时，软件根据节能标准要求自动修改保温层厚度或选取保温性能更好的窗来使建筑满足节能标准要求，当需要进行动态计算时，能够根据节能标准规定的计算规则计算建筑能耗，从而确定建筑能耗是否满足节能标准要求。作为计算结果对建筑模型的修改建议或建筑不满足节能标准的项目可以反馈给建筑师，建筑师可以根据反馈意见修改建筑模型。如此反复，直到建筑满足节能标准要求为止。整个过程可以由建筑师完成，复杂的计算也可由建筑师和设备工程师合作完成，整个过程可以是协同工作方式，也可以是其他方式更新数据。 基于BIM的节能设计软件可以解决建筑设计和节能设计过程中数据流被割裂成两个独立过程，数据重复输入，导致数据流失、减少信息歧义和不一致，提高工作效率。3．基于BIM技术的建筑节能设计软件的关键技术及实现3.1建立建筑信息模型 建筑信息模型的本质是用数字技术描述实际的建筑，因此它非常精细，包含了很多建筑元素。建筑信息模型主要有两种：一种是超级复杂的综合模型，包含建筑工程项目各种相关信息，该模型为不同专业和建筑工程项目各个阶段提供数据，十分复杂，需要耗费大量资源进行维护，风险大、可行性不强。另外一种是分类模型，使用联合数数据库，在从设计咨询－>初步设计－>施工图设计……各阶段，各专业通过一个模型进行交流，各下游专业设计人员通过标准接口从模型获取所需要的建筑信息，用专业软件完成各自的设计工作，然后将各自的成果反馈到信息模型中，或将各自对建筑模型的意见反馈给建筑师。模型的不同使用者之间可以通过IFC(industryfoundationclass)标准实现数据共享或交换。 针对当前我国建筑设计中使用的软件不统一、数据不开放的现状，建筑节能设计软件必须考虑兼容处理不同数据来源的建筑数据电子文档，以达到适应不同用户的需求。笔者开发的建筑节能设计软件提供了以下三种不同的生成建筑模型的方法。(1)直接使用建筑师的建筑模型信息。对于建筑师使用三维建模软件生成的建筑数据，数据是全面的，只是其数据格式是多变的，但是具体某一软件的数据格式是固定的，只需要分别指定软件类别即可自动转换。(2)交互智能转换法。在当前建筑师多使用二维设计软件进行建筑设计的情况下，该方法具有普遍性，建筑设计师可以使用各种公用绘图工具软件（如AutoCad软件）设计。这类二维图形上的构件是没有物理属性的。因此要利用计算机图形识别技术及交互技术分析设计图纸，获取数据，建立整个工程的数据库。图形识别主要是根据图形符号、图层、线型、线宽、线颜色、标注符号及各种约束条件进行分析判断，获取数据。这种方法有很多问题（如多义性问题、数据不完备问题、重叠问题、重复问题等）需要解决。其中多义性是指多项属性相同，如尺寸线、墙线、柱线和洞口线的图层、线型、线宽和线颜色均相同；数据不全问题是指不能自动获取充足的数据：如门、窗、墙体在平面图中只有平面位置、形状和大小，而很难得到高度数据。对于某些多义性问题和数据不全问题要通过人机交互手段解决。下面简要介绍交互智能转换的实现方法和步骤：1）获取轴线信息。如果图纸上有轴线，则可以在图上拾取某个轴线，将与拾取轴线具有相同的图层、线型、线宽和颜色的直线或圆弧线全部看成轴线，并且两边延长到图纸边缘。如果图纸上没有轴线，用户无法指定轴线图层，可根据建筑施工图中轴线符号及图形范围自动生成各条轴线的两端点坐标。2）交互定义各类构件。在图上拾取某类构件，如墙（门、窗、梁、柱、洞口及楼梯），将与拾取构件具有相同的图层、线型、线宽及颜色属性和相同实体类型（直线、圆弧线、多义线、矩形，多边形，块）的实体全部视为同类构件。3）对电子文档数据进行过滤，去掉未定义成构件和轴线的图素。4）容错处理。对重叠、重复的墙（或门、窗、梁、柱、洞口等构件）线或块进行整理和归并，将首尾相接、重叠和重复的归并为一个。5）线配对。给墙（门、窗、梁）线配对。即将相邻且平行的两条直线配成一对。6）生成辅助轴线。如果配对墙线、梁线、窗线附近没有轴线，则根据配对墙线、梁线、窗线生成辅助轴线。7）生成墙体数据。根据配对墙线与轴线的相对位置关系生成墙体的厚度、偏心、两端点坐标。8）生成门窗数据。根据配对窗线与轴线的相对位置关系生成门窗的宽度、偏心、两端点坐标；同时根据窗体与墙体的相对位置关系对墙体数据进行调整,通过人机交互或提取门窗表补充门、窗、墙和洞口的高度和竖向设计数据。9）进行竖向对齐操作，对各层数据进行调整。图1是AUTOCAD软件绘制的建筑图，图2是用交互智能转换法完成的三维建筑模型数据渲染图。图1AUTOCAD软件绘制的建筑图图2三维渲染图(3）智能交互法该方法适用于节能设计人员得不到建筑电子文档数据，只能自己建立三维建筑模型的情况。本软件提供了建模工具，用户在建模工具中可以参数化定义墙、窗、凸窗、阳台、挑檐、等各种标准构件，提供了多种方便灵活的布置建筑构件的方法，可以完成复杂屋顶建模，使用户可以在没有建筑图档的情况下也可较快速的建立三维建筑模型。建筑节能设计软件不仅需要建筑围护结构的形状、尺寸、位置数据，还需要围护结构热工性能参数，主要包括墙体、屋顶各层材料的厚度、密度、导热系数、比热、门窗传热系数、遮阳系数。它们是反映围护结构传热和蓄热性能的重要参数。根据我国当前建筑施工图设计特点，在一般建筑软件生成的模型数据中并不包括这些信息，因此在建筑节能设计软件中，增加了输入热工性能参数的菜单，单独输入并保存。为了快速输入围护结构热工性能参数，软件提供大量的墙体屋顶做法库和门窗数据库，我国幅员辽阔，气候条件存在很大差异，各地墙体屋顶做法差别很大，所以按照地点建立当地做法数据库，便于快速输入围护结构热工性能参数。3.2建筑节能设计计算建筑节能设计计算是根据国家现行建筑节能设计标准要求，判断建筑设计和围护结构做法是否满足节能标准要求。传统的能耗分析软件虽然功能强大，可以模拟不同的空调系统，但大多需要重复输入建筑数据，输入参数复杂，对普通建筑节能设计人员是极大的挑战。现行节能标准中都规定了明确的计算条件，因此在节能计算软件中可以简化用户输入，使普通设计人员可以完成原本复杂的能耗分析计算。建筑节能的判定分为规定性指标判定和性能性指标判定。当建筑窗墙比、建筑朝向、围护结构传热系数、遮阳系数和设备照明均满足节能标准规定性指标要求时，可以直接判定建筑为节能建筑，不需要进行能耗分析。当规定性指标无法满足节能标准要求时，需要进行能耗分析，当设计建筑能耗小于参照建筑能耗时，可以判定建筑满足标准要求。软件通过智能处理模块根据用户自定义的优先级别，自动修改各类构件的物性参数，进行优化计算，直到建筑满足节能标准要求。节能设计计算模块工作过程如图3所示。是否需要修是否需要修改建筑模型否是是否开始选择计算地点、建筑类型计算建筑规定性指标规定性指标是否满足标准要求是补充输入能耗计算数据是否重新继续进行规定性指标检查是能耗指标是否满足标准要求建筑能耗计算输入、修改围护结构物性参数输出计算结果结束建筑模型否图3软件工作流程3.3建筑节能结果的表现方法和与建筑专业的数据交换建筑节能软件计算结果主要反映围护结构检查结果和全年能耗计算结果，表现方式分为文档计算书形式、二维平面显示和三维模型显示。文档计算书包括建筑总体参数（体形系数、各朝向窗墙比），各种围护结构各层材料厚度及其热工参数，是否满足节能标准的结论，全年能耗计算结果及其能耗分布图；二维平面显示主要按楼层标示出不达标的外墙、门窗；三维模型显示是依据建筑的所有信息，以三维透视图的形式显示整个建筑物，不满足节能标准的围护结构由特殊颜色显示，当光标落在围护结构上时，通过提示条显示围护结构的构成、特征参数及是否满足节能标准。作为节能计算结果的围护结构做法可以通过IFC标准数据接口反馈回建筑模型，为建筑师提供修改建议。建筑师对建筑模型的修改也可以通过数据接口返回到节能计算模型。4.结论和展望本文介绍了基于BIM概念的建筑节能软件开发思路和实现的关键技术，基于BIM的建筑节能设计软件可以充分利用建筑模型数据。针对建筑数据格式不统一、建筑信息不全面的条件，提出了生成完整的建筑信息模型的方法，建筑构件尺寸、位置和围护结构做法(当建筑模型中包含该信息时)都从建筑模型获取，较好的解决了数据重复输入过程中的数据流失、数据歧义、效率低下的问题。按照目前我国设计体系、设计习惯和软件水平，获取建筑节能设计软件需要的全部建筑信息是有困难的，所以本文介绍了针对不同类型建筑数据获取建筑节能计算建筑信息的方法。随着计算机网络技术的快速发展和建筑领域对BIM的重视，基于BIM的3DCAD技术将会成为建筑行业CAD设计的必然发展趋势。不久的将来，基于BIM的建筑节能设计软件将更加完善和成熟。参考文献[1]张建平，张洋，张新.基于IFC的BIM及其数据集成平台研究[C].第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，2008，杭州。[2]邱勇云,邱相武,赵志安.基于BIM的暖通3DCAD开发研究[J].暖通空调，2011，41[4]。[3]曾旭东，赵昂.基于BIM技术的建筑节能设计应用研究[J].重庆大学学报，2006，28[2].StudyonDevelopingMethodforEnergyEfficiencyDesignofBuildingsBasedonBIMQiuXiangwuZhaoZhianQiuYongyun(CABRtechnologyCo.Ltd.,Beijing,China.100013)Abstract:Aimingatthecurrentsituationofenergyefficiencydesignofbuildings,threemethodsofgeneratingbuildingmodelingbasedonthedifferentbuildingdataformsareintroduced,describedthemainfunctionsofthesoftwareforen