基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計軟件開發(fā)

第三屆工程建設(shè)計算機應用創(chuàng)新論壇論文集上?！?011基于BIM技技術(shù)的建筑節(jié)節(jié)能設(shè)計軟件件開發(fā)研究邱相武趙志安安邱勇云（建研科技股份份有限公司，北北京，1000113）【摘要】根據(jù)我我國目前建筑筑節(jié)能設(shè)計的的現(xiàn)狀和存在在的問題，本本文介紹了在在現(xiàn)有建筑數(shù)數(shù)據(jù)電子文檔檔的基礎(chǔ)上生生成建筑節(jié)能能設(shè)計用建筑筑模型方法，基基于建筑信息息模型(BIM)的建筑節(jié)能能設(shè)計軟件的的功能模塊，探探討了相關(guān)功功能的實現(xiàn)技技術(shù)?！娟P(guān)鍵詞】建筑節(jié)能設(shè)設(shè)計建筑信息模模型建筑能耗計計算【中圖分類號】TU111.19+5【文獻標志碼】A1.建筑節(jié)能設(shè)設(shè)計現(xiàn)狀和面面臨問題隨著經(jīng)濟快速發(fā)發(fā)展，能源消消耗量與日劇劇增，全球能能源短缺的狀狀況日益突顯顯，能源問題題已經(jīng)成為關(guān)關(guān)乎國家發(fā)展展戰(zhàn)略的關(guān)鍵鍵問題。與此此同時，建筑筑耗能占總能能耗的比例在在不斷增加，建建筑節(jié)能已經(jīng)經(jīng)成為國家節(jié)節(jié)約能源戰(zhàn)略略的重要環(huán)節(jié)節(jié)。建筑節(jié)能設(shè)計涉涉及到建筑和和設(shè)備兩個專專業(yè)，建筑朝朝向、圍護結(jié)結(jié)構(gòu)性能、自自然通風狀況況、建筑體形形系數(shù)、窗墻墻面積比、功功能分區(qū)都是是影響建筑能能耗的重要因因素。圍護結(jié)結(jié)構(gòu)的保溫性性能決定圍護護結(jié)構(gòu)傳熱系系數(shù)，體形系系數(shù)決定了圍圍護結(jié)構(gòu)和室室外環(huán)境的傳傳熱面積，建建筑朝向、窗窗墻面積比影影響著通過太太陽輻射傳熱熱進入建筑的的熱量。上述述因素決定著著通過圍護結(jié)結(jié)構(gòu)的采暖空空調(diào)負荷的大大小。因此不不同的建筑的的建筑設(shè)計方方案在能耗方方面會有巨大大的差別。這這就需要在建建筑方案階段段就進行建筑筑的能耗模擬擬，判斷建筑筑是否滿足節(jié)節(jié)能要求。然而使用傳統(tǒng)統(tǒng)的能耗分析析軟件對建筑筑進行節(jié)能分分析并不是容容易的事情。傳傳統(tǒng)能耗分析析軟件需要大大量的專業(yè)數(shù)數(shù)據(jù)、繁瑣的的輸入工作，建建筑師很難花花大量精力研研究能耗模擬擬軟件，完成成每一種方案案的能耗分析析工作。而傳傳統(tǒng)的設(shè)計方方法，建筑專專業(yè)和設(shè)備專專業(yè)是脫節(jié)的的，設(shè)備工程程師需要輸入入建筑數(shù)據(jù)，使使用能耗分析析軟件進行能能耗分析，分分析結(jié)果也不不能直接反映映到建筑模型型中，導致能能耗分析通常常安排在設(shè)計計的最終階段段，不能及時時起到為建筑筑師提供方案案設(shè)計依據(jù)的的作用。綜上所述，當前前建筑設(shè)計和和建筑節(jié)能設(shè)設(shè)計之間的矛矛盾主要表現(xiàn)現(xiàn)在以下兩個個方面：1）建筑能耗耗分析所需要要的建筑數(shù)據(jù)據(jù)量大，需要要暖通工程師師交互輸入，工工作量大、準準確率低、工工作效率低；；2）專業(yè)之間間缺乏協(xié)同機機制，設(shè)備工工程師在建筑筑方案階段難難于對建筑進進行能耗分析析，分析修改改的結(jié)果很難難對建筑師的的方案設(shè)計提提供幫助。2.基于BIMM建筑節(jié)能設(shè)設(shè)計軟件的意意義隨著數(shù)字字化、信息化化和智能化技技術(shù)的發(fā)展，以以建筑信息模模型BIM((builddingiinformmationnmodeel)為核心的建建筑3DCAAD將成為未來來建筑CAD的發(fā)展趨勢勢。BIM是是以三維數(shù)字字技術(shù)為基礎(chǔ)礎(chǔ)，集成了建建筑工程項目目各種相關(guān)信信息的工程數(shù)數(shù)據(jù)模型，BIM是對工程項項目設(shè)施實體體與功能特性性的數(shù)字化表表達。BIM的核心是一一個包含了建建筑工程項目目各專業(yè)和各各階段的數(shù)據(jù)據(jù)庫。這一數(shù)數(shù)據(jù)可被工程程項目各方共共享和使用，各各參與方可以以根據(jù)權(quán)限修修改和擴充數(shù)數(shù)據(jù)庫中的相相關(guān)內(nèi)容。BIM具有模型信信息完備性、模模型信息關(guān)聯(lián)聯(lián)性和模型信信息一致性的的特征?；贐IIM模型的建筑筑節(jié)能設(shè)計軟軟件，通過共共享建筑師的的建筑信息模模型，獲取建建筑朝向、建建筑構(gòu)件幾何何尺寸、建筑筑材料、功能能分區(qū)等建筑筑信息，進行行建筑節(jié)能分分析計算，判判斷建筑是否否滿足節(jié)能標標準規(guī)定性指指標的要求，當當不滿足要求求時，軟件根根據(jù)節(jié)能標準準要求自動修修改保溫層厚厚度或選取保保溫性能更好好的窗來使建建筑滿足節(jié)能能標準要求，當當需要進行動動態(tài)計算時，能能夠根據(jù)節(jié)能能標準規(guī)定的的計算規(guī)則計計算建筑能耗耗，從而確定定建筑能耗是是否滿足節(jié)能能標準要求。作作為計算結(jié)果果對建筑模型型的修改建議議或建筑不滿滿足節(jié)能標準準的項目可以以反饋給建筑筑師，建筑師師可以根據(jù)反反饋意見修改改建筑模型。如如此反復，直直到建筑滿足足節(jié)能標準要要求為止。整整個過程可以以由建筑師完完成，復雜的的計算也可由由建筑師和設(shè)設(shè)備工程師合合作完成，整整個過程可以以是協(xié)同工作作方式，也可可以是其他方方式更新數(shù)據(jù)據(jù)。 基于BIM的節(jié)能設(shè)計計軟件可以解解決建筑設(shè)計計和節(jié)能設(shè)計計過程中數(shù)據(jù)據(jù)流被割裂成成兩個獨立過過程，數(shù)據(jù)重重復輸入，導導致數(shù)據(jù)流失失、減少信息息歧義和不一一致，提高工工作效率。3．基于BIMM技術(shù)的建筑筑節(jié)能設(shè)計軟軟件的關(guān)鍵技技術(shù)及實現(xiàn)3.1建立建建筑信息模型型 建筑信息模型型的本質(zhì)是用用數(shù)字技術(shù)描描述實際的建建筑，因此它它非常精細，包包含了很多建建筑元素。建建筑信息模型型主要有兩種種：一種是超超級復雜的綜綜合模型，包包含建筑工程程項目各種相相關(guān)信息，該該模型為不同同專業(yè)和建筑筑工程項目各各個階段提供供數(shù)據(jù)，十分分復雜，需要要耗費大量資資源進行維護護，風險大、可可行性不強。另另外一種是分分類模型，使使用聯(lián)合數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)庫，在從從設(shè)計咨詢－－>初步設(shè)計－>施工圖設(shè)計計……各階段，各各專業(yè)通過一一個模型進行行交流，各下下游專業(yè)設(shè)計計人員通過標標準接口從模模型獲取所需需要的建筑信信息，用專業(yè)業(yè)軟件完成各各自的設(shè)計工工作，然后將將各自的成果果反饋到信息息模型中，或或?qū)⒏髯詫ńㄖＰ偷囊庖庖姺答伣o建建筑師。模型型的不同使用用者之間可以以通過IFC((indusstryffoundaationclasss)標準實現(xiàn)數(shù)數(shù)據(jù)共享或交交換。 針對當前我國國建筑設(shè)計中中使用的軟件件不統(tǒng)一、數(shù)數(shù)據(jù)不開放的的現(xiàn)狀，建筑筑節(jié)能設(shè)計軟軟件必須考慮慮兼容處理不不同數(shù)據(jù)來源源的建筑數(shù)據(jù)據(jù)電子文檔，以以達到適應不不同用戶的需需求。筆者開開發(fā)的建筑節(jié)節(jié)能設(shè)計軟件件提供了以下下三種不同的的生成建筑模模型的方法。(1)直接使使用建筑師的的建筑模型信信息。對于建筑師使用用三維建模軟軟件生成的建建筑數(shù)據(jù)，數(shù)數(shù)據(jù)是全面的的，只是其數(shù)數(shù)據(jù)格式是多多變的，但是是具體某一軟軟件的數(shù)據(jù)格格式是固定的的，只需要分分別指定軟件件類別即可自自動轉(zhuǎn)換。(2)交互智能能轉(zhuǎn)換法。在當前前建筑師多使使用二維設(shè)計計軟件進行建建筑設(shè)計的情情況下，該方方法具有普遍遍性，建筑設(shè)設(shè)計師可以使使用各種公用用繪圖工具軟軟件（如AutoCCad軟件）設(shè)計計。這類二維維圖形上的構(gòu)構(gòu)件是沒有物物理屬性的。因因此要利用計計算機圖形識識別技術(shù)及交交互技術(shù)分析析設(shè)計圖紙，獲取數(shù)據(jù)，建建立整個工程程的數(shù)據(jù)庫。圖圖形識別主要要是根據(jù)圖形形符號、圖層層、線型、線線寬、線顏色色、標注符號號及各種約束束條件進行分分析判斷，獲獲取數(shù)據(jù)。這這種方法有很很多問題（如如多義性問題題、數(shù)據(jù)不完完備問題、重重疊問題、重重復問題等）需需要解決。其其中多義性是是指多項屬性性相同，如尺尺寸線、墻線線、柱線和洞洞口線的圖層層、線型、線線寬和線顏色色均相同；數(shù)數(shù)據(jù)不全問題題是指不能自自動獲取充足足的數(shù)據(jù)：如如門、窗、墻墻體在平面圖圖中只有平面面位置、形狀狀和大小，而而很難得到高高度數(shù)據(jù)。對對于某些多義義性問題和數(shù)數(shù)據(jù)不全問題題要通過人機機交互手段解解決。下面簡簡要介紹交互互智能轉(zhuǎn)換的的實現(xiàn)方法和和步驟：1）獲取軸線信信息。如果圖圖紙上有軸線線，則可以在在圖上拾取某某個軸線，將將與拾取軸線線具有相同的的圖層、線型型、線寬和顏顏色的直線或或圓弧線全部部看成軸線，并并且兩邊延長長到圖紙邊緣緣。如果圖紙紙上沒有軸線線，用戶無法法指定軸線圖圖層，可根據(jù)據(jù)建筑施工圖圖中軸線符號號及圖形范圍圍自動生成各各條軸線的兩兩端點坐標。2）交互定義各各類構(gòu)件。在在圖上拾取某某類構(gòu)件，如如墻（門、窗窗、梁、柱、洞洞口及樓梯），將將與拾取構(gòu)件件具有相同的的圖層、線型型、線寬及顏顏色屬性和相相同實體類型型（直線、圓圓弧線、多義義線、矩形，多多邊形，塊）的的實體全部視視為同類構(gòu)件件。3）對電子文檔檔數(shù)據(jù)進行過過濾，去掉未未定義成構(gòu)件件和軸線的圖圖素。4）容錯處理。對對重疊、重復復的墻（或門門、窗、梁、柱柱、洞口等構(gòu)構(gòu)件）線或塊塊進行整理和和歸并，將首首尾相接、重重疊和重復的的歸并為一個個。5）線配對。給給墻（門、窗窗、梁）線配配對。即將相相鄰且平行的的兩條直線配配成一對。6）生成輔助軸軸線。如果配配對墻線、梁梁線、窗線附附近沒有軸線線，則根據(jù)配配對墻線、梁梁線、窗線生生成輔助軸線線。7）生成墻體數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)配配對墻線與軸軸線的相對位位置關(guān)系生成成墻體的厚度度、偏心、兩兩端點坐標。8）生成門窗數(shù)數(shù)據(jù)。根據(jù)配配對窗線與軸軸線的相對位位置關(guān)系生成成門窗的寬度度、偏心、兩兩端點坐標；；同時根據(jù)窗窗體與墻體的的相對位置關(guān)關(guān)系對墻體數(shù)數(shù)據(jù)進行調(diào)整整,通過人機交交互或提取門門窗表補充門門、窗、墻和和洞口的高度度和豎向設(shè)計計數(shù)據(jù)。9）進行豎向?qū)R操作，對對各層數(shù)據(jù)進進行調(diào)整。圖1是AUUTOCADD軟件繪制的的建筑圖，圖圖2是用交互智智能轉(zhuǎn)換法完完成的三維建建筑模型數(shù)據(jù)據(jù)渲染圖。圖1AUTTOCAD軟件繪制的的建筑圖圖2三維渲染圖圖(3）智能交互互法該方法適用于節(jié)節(jié)能設(shè)計人員員得不到建筑筑電子文檔數(shù)數(shù)據(jù)，只能自自己建立三維維建筑模型的的情況。本軟軟件提供了建建模工具，用用戶在建模工工具中可以參參數(shù)化定義墻墻、窗、凸窗窗、陽臺、挑挑檐、等各種種標準構(gòu)件，提提供了多種方方便靈活的布布置建筑構(gòu)件件的方法，可可以完成復雜雜屋頂建模，使使用戶可以在在沒有建筑圖圖檔的情況下下也可較快速速的建立三維維建筑模型。建筑節(jié)能設(shè)計軟軟件不僅需要要建筑圍護結(jié)結(jié)構(gòu)的形狀、尺尺寸、位置數(shù)數(shù)據(jù)，還需要要圍護結(jié)構(gòu)熱熱工性能參數(shù)數(shù)，主要包括括墻體、屋頂頂各層材料的的厚度、密度度、導熱系數(shù)數(shù)、比熱、門門窗傳熱系數(shù)數(shù)、遮陽系數(shù)數(shù)。它們是反反映圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)傳熱和蓄熱熱性能的重要要參數(shù)。根據(jù)據(jù)我國當前建建筑施工圖設(shè)設(shè)計特點，在在一般建筑軟軟件生成的模模型數(shù)據(jù)中并并不包括這些些信息，因此此在建筑節(jié)能能設(shè)計軟件中中，增加了輸輸入熱工性能能參數(shù)的菜單單，單獨輸入入并保存。為了快速輸入圍圍護結(jié)構(gòu)熱工工性能參數(shù)，軟軟件提供大量量的墻體屋頂頂做法庫和門門窗數(shù)據(jù)庫，我我國幅員遼闊闊，氣候條件件存在很大差差異，各地墻墻體屋頂做法法差別很大，所所以按照地點點建立當?shù)刈鲎龇〝?shù)據(jù)庫，便便于快速輸入入圍護結(jié)構(gòu)熱熱工性能參數(shù)數(shù)。3.2建筑節(jié)節(jié)能設(shè)計計算算建筑節(jié)能設(shè)計計計算是根據(jù)國國家現(xiàn)行建筑筑節(jié)能設(shè)計標標準要求，判判斷建筑設(shè)計計和圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)做法是否滿滿足節(jié)能標準準要求。傳統(tǒng)統(tǒng)的能耗分析析軟件雖然功功能強大，可可以模擬不同同的空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)，但大多需需要重復輸入入建筑數(shù)據(jù)，輸輸入?yún)?shù)復雜雜，對普通建建筑節(jié)能設(shè)計計人員是極大大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)現(xiàn)行節(jié)能標準準中都規(guī)定了了明確的計算算條件，因此此在節(jié)能計算算軟件中可以以簡化用戶輸輸入，使普通通設(shè)計人員可可以完成原本本復雜的能耗耗分析計算。建筑節(jié)能的判定定分為規(guī)定性性指標判定和和性能性指標標判定。當建建筑窗墻比、建建筑朝向、圍圍護結(jié)構(gòu)傳熱熱系數(shù)、遮陽陽系數(shù)和設(shè)備備照明均滿足足節(jié)能標準規(guī)規(guī)定性指標要要求時，可以以直接判定建建筑為節(jié)能建建筑，不需要要進行能耗分分析。當規(guī)定定性指標無法法滿足節(jié)能標標準要求時，需需要進行能耗耗分析，當設(shè)設(shè)計建筑能耗耗小于參照建建筑能耗時，可可以判定建筑筑滿足標準要要求。軟件通過智能處處理模塊根據(jù)據(jù)用戶自定義義的優(yōu)先級別別，自動修改改各類構(gòu)件的的物性參數(shù)，進進行優(yōu)化計算算，直到建筑筑滿足節(jié)能標標準要求。節(jié)節(jié)能設(shè)計計算算模塊工作過過程如圖3所示。是否需要修是否需要修改建筑模型否是是否開始選擇計算地點、建筑類型計算建筑規(guī)定性指標規(guī)定性指標是否滿足標準要求是補充輸入能耗計算數(shù)據(jù)是否重新繼續(xù)進行規(guī)定性指標檢查是能耗指標是否滿足標準要求建筑能耗計算輸入、修改圍護結(jié)構(gòu)物性參數(shù)輸出計算結(jié)果結(jié)束建筑模型否圖3軟件件工作流程3.3建筑節(jié)節(jié)能結(jié)果的表表現(xiàn)方法和與與建筑專業(yè)的的數(shù)據(jù)交換建筑節(jié)能軟件計計算結(jié)果主要要反映圍護結(jié)結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果果和全年能耗耗計算結(jié)果，表表現(xiàn)方式分為為文檔計算書書形式、二維維平面顯示和和三維模型顯顯示。文檔計計算書包括建建筑總體參數(shù)數(shù)（體形系數(shù)數(shù)、各朝向窗窗墻比），各各種圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)各層材料厚厚度及其熱工工參數(shù)，是否否滿足節(jié)能標標準的結(jié)論，全全年能耗計算算結(jié)果及其能能耗分布圖；；二維平面顯顯示主要按樓樓層標示出不不達標的外墻墻、門窗；三三維模型顯示示是依據(jù)建筑筑的所有信息息，以三維透透視圖的形式式顯示整個建建筑物，不滿滿足節(jié)能標準準的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)由特殊顏色色顯示，當光光標落在圍護護結(jié)構(gòu)上時，通通過提示條顯顯示圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)的構(gòu)成、特特征參數(shù)及是是否滿足節(jié)能能標準。作為節(jié)能計算結(jié)結(jié)果的圍護結(jié)結(jié)構(gòu)做法可以以通過IFC標準數(shù)據(jù)接接口反饋回建建筑模型，為為建筑師提供供修改建議。建建筑師對建筑筑模型的修改改也可以通過過數(shù)據(jù)接口返返回到節(jié)能計計算模型。4.結(jié)論和展望望本文介紹紹了基于BIM概念的建筑筑節(jié)能軟件開開發(fā)思路和實實現(xiàn)的關(guān)鍵技技術(shù)，基于BIM的建筑節(jié)能能設(shè)計軟件可可以充分利用用建筑模型數(shù)數(shù)據(jù)。針對建建筑數(shù)據(jù)格式式不統(tǒng)一、建建筑信息不全全面的條件，提提出了生成完完整的建筑信信息模型的方方法，建筑構(gòu)構(gòu)件尺寸、位位置和圍護結(jié)結(jié)構(gòu)做法(當建筑模型型中包含該信信息時)都從建筑模模型獲取，較較好的解決了了數(shù)據(jù)重復輸輸入過程中的的數(shù)據(jù)流失、數(shù)數(shù)據(jù)歧義、效效率低下的問問題。按照目前我國設(shè)設(shè)計體系、設(shè)設(shè)計習慣和軟軟件水平，獲獲取建筑節(jié)能能設(shè)計軟件需需要的全部建建筑信息是有有困難的，所所以本文介紹紹了針對不同同類型建筑數(shù)數(shù)據(jù)獲取建筑筑節(jié)能計算建建筑信息的方方法。隨著計算算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)術(shù)的快速發(fā)展展和建筑領(lǐng)域域?qū)IM的重視，基基于BIM的3DCAAD技術(shù)將會成成為建筑行業(yè)業(yè)CAD設(shè)計的必然然發(fā)展趨勢。不不久的將來，基基于BIM的建筑節(jié)能能設(shè)計軟件將將更加完善和和成熟。參考文獻[1]張建平平，張洋，張張新.基于IFC的BIM及其數(shù)據(jù)集集成平臺研究究[C].第十四屆全全國工程設(shè)計計計算機應用用學術(shù)會議論論文集，2008，杭州。[2]邱勇云云,邱相武,趙志安.基于BIM的暖通3DCAAD開發(fā)研究[J].暖通空調(diào)，2011，41[4]。[3]曾旭東東，趙昂.基于BIM技術(shù)的建筑筑節(jié)能設(shè)計應應用研究[J].重慶大學學學報，2006，28[2]].StudyoonDevvelopiingMeethodforEEnergyyEffiicienccyDessignoofBuiildinggsBassedonnBIMQiuXiaangwuZhaaoZhiaanQQiuYoongyunn(CABRttec