建筑信息化模型与建筑能耗模拟软件的数据转换研究

建筑信息化模型与建筑能耗模拟软件的数据转换研究

刘学成  韩宁 寿大云

（北京林业大学自动化系，北京 100083）

摘  要：本文对 IFC标准数据交换文件与 EnergyPlus软件的输入文件进行了详细的解析，发现两者都采用面向对象的信息组织形式来描述建筑模型。在此基础上，作者提出了利用面向对象的程序语言 C#开发建筑信息化模型与 EnergyPlus 软件数据交换接口的设计方案。这项工作可以有效地促进建筑师与 HVAC工程师的设计交互，提高建筑节能设计水平。

关键词：建筑信息化模型（BIM） ；IFC标准；能耗模拟；EnergyPlus

STUDY ON THE DATA EXCHANGE BETWEEN BUILDING

INFORMATION MODEL AND BUILDING ENERGY

SIMULATION PROGRAM

Liu Xuecheng  Han Ning  Shou Dayun

(Beijing Forestry University, 北京 100083)

Abstract: This paper describes the characteristics of IFC files and EnergyPlus’ input data files respectively,and comes into a conclusion that the data structure of both files is object-oriented. The design of dataexchange interface between BIM and EnergyPlus is put forward based on object-oriented programminglanguage C#. This job enhances the efficiency on information exchanging between architectures and HVACengineers. In addition, energy-saving design is greatly improved.Keywords: Building Information Modeling (BIM), IFC Standard, Energy Simulation, EnergyPlus

引言

与单纯人工参与方式相比，计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）在建筑业的应用大大提高了建模的复杂度、简化了数据计算过程、加强了专业分析功能、缩短了工程制图周期、优化了运营管理策略，在行内业掀起了一股风暴，并伴随着巨大的经济效益。计算机辅助建筑设计（Computer Aided Architecture Design, CAAD）的广阔前景孕育出大量优秀的建筑绘图、性能分析及工程概预算等功能软件。由于这些软件都是针对建筑生命周期过程中的某一阶段或某一专业开发研制的，尽管基于同一个建筑模型，却因为缺乏共同的数据标准，不能实现信息的共享与交互，成为建筑业生产力水平继续提升的一个瓶颈。

针对这个问题，国内的研究人员开展了大量工作，提出了基于工业基础类 （IndustryFoundation Classes, IFC）标准的建筑结构模型转换方法与物业管理系统设计等[1, 2]。本课题旨在研究建筑信息化模型（Building Information Modeling, BIM）与建筑能耗模拟软件的数据转化，促进建筑集成化设计。文中首先阐述了建筑信息化模型的特点，解析了 IFC 标准对建筑模型的表达；其次对建筑能耗模拟软件的框架结构进行概述，并以国际知名软件 EnergyPlus 为例做具体分析；最后提出了两者数据接口的设计方案与存在问题的解决方法。

1 基于IFC 标准的建筑信息化模型

计算机取代手工绘制建筑设计图纸，大大解放了设计师的时间，提高了他们的工作效率。但这一手段的应用并没有改变以图纸为媒介传达信息的传统模式，使得信息在各专业间的共享以及在建筑整个生命周期内的流动存在很多障碍，产生了大量重复性工作。

图1 建筑信息化模型结构框架

1.1 建筑信息化模型

BIM 的概念最早被提出是在 20 世纪 80 年代，是信息化技术与数字化技术结合的必然产物。BIM 技术旨在实现建筑（组成与功能）全部信息的数字化表达，组建一个丰富的数据库，在整个建筑生命周期内为所有参与者提供决策支持[3]。（固定链接： http://uibim.com/933.html）

图 1 展示了 BIM 的四层框架结构：数据层、模型层、应用层和接口层。 （1）数据层负责信息的存储与管理。不同于传统 CAAD 技术以点、线、面等毫无实际意义的图形作为信息载体，BIM 技术采用面向对象的数据组织形式。例如，建筑师不再用两条平行的线段表示墙体，而是在设计工具中创建一个墙体类的实例，每个实例都有它的属性，包括位置、尺寸、组成和材料等等。这样的模型承载的信息比起点、线、面集合在一起的平面图要更加丰富，更适合计算机识别与处理，使建筑生命周期内的不同阶段和不同专业间的资源共享成为可能。（2）模型层根据需要提取特定专业的相关信息，同时还可以将不同专业的信息整合到同一个模型中。最常见的应用是将建筑与结构信息提取出来供结构设计师进行受力分析；另一个例子则是建筑、结构和设备工程师把各自的模型整合在一起检测碰撞冲突。（3）应用层是对建筑信息模型应用的拓展。依靠丰富的信息资源与可读性高的数据组织形，研究人员可以利用计算机的强大处理能力对模型的数据进行统计和分析，完成特定功能。例如模型的三维展示、建筑物的能耗仿真、施工进度模拟和物业管理等。（4）接口层提供人机交互界面，让参与者和计算机皆可辨识模型数据，方便建筑生命周期内所有参与者读取并管理建筑信息。

1.2 IFC 标准

解决信息共享与交互问题首先在于标准的建立，有了统一的数据表达和传输标准，不同应用系统之间就有了共同的语言，信息共享和交换才能成为可能。美国建筑信息化模型国家标准（National Building Information Modeling Standard, NBIMS）中将IFC标准指定为 BIM 的数据交换标准[3]。IFC 标准的制定者是国际智能建筑联盟（BuildingSMART International） ，该组织的前身是国际协作联盟（InternationalAlliance for Interoperability, IAI）。自 1997 年起，IFC 标准经历了 6 次更新，其中 IFC 2×3 版本应用最为广泛。IFC 标准采用 EXPRESS 语言定义，这是一种面向对象的数据描述语言[4]，国际标准化组织专门在 ISO 10303.11-1994（对应的国家标准 GB/T16656.11-1996）中对其进行了说明。符合 IFC 标准的数据文件采用纯正文编码，为便于计算机读取，其具体格式遵循国际标准 ISO 10303.21-1994（对应国家标准 GB/T16656.21-1997）中定义的产品模型数据交换标准（Standard for the Exchange ofProduct model data, STEP）[5]，IFC 文件后缀为.ifc。基于 IFC 标准的 BIM 技术推广离不开软件开发商的支持，当前知名的开发平台有Autodesk公司的Revit， Graphisoft公司的ArchiCAD和Bentley公司的Microstation。这些工具都支持 IFC 标准，信息保持高度的一致性，在不同阶段、不同专业中同一信息无需重复输入，如图 2 所示。

图2 信息交换模式转变

2 建筑能耗模拟软件

2.1 建筑能耗模拟软件基本框架

建筑节能设计是降低建筑物能耗的关键之一，以建筑物理知识为基础，利用计算机在设计阶段仿真未来建筑的能耗情况，可以对建筑物的性能进行预测，进而选择更好的设计方案。

美国能源部网站上列出了近 400种建筑能耗分析软件，功能侧重各有不同[6]。其中的一部分得到了较为广泛的应用，例如美国的 DOE-2、BLAST 和 EnergyPlus，英国的ESP-r 以及清华大学开发的 DeST 等。一般来说建筑能耗模拟软件由 4个主要模块组成：（1）负荷模拟模块，计算建筑物在设定时间内的冷、热负荷，反映建筑围护结构和外部环境、内部使用状况之间在能量方面的相互影响；（2）系统模拟模块，模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管及控制装置等功能设备；（3）设备模拟模块，模拟为系统提供能源的锅炉、制冷机、发电机等设备；（4）费用模拟模块，评估建筑物在一个时间段内为满足建筑负荷所需的能源费用。（固定链接： http://uibim.com/933.html）

2.2 EnergyPlus 简介

EnergyPlus是在美国能源部支持下，由劳伦斯·伯克利国家实验室联合十几所大学共同开发的一款新型能耗模拟软件，于 2001 年正式推出了第一版本。该软件综合了第一代能耗模拟软件DOE-2 和BLAST的优点，并引入了许多新的功能。创新性地采用同步模拟建筑、系统和设备之间相互作用的分析模式，取代前两者的顺序模拟模式。模拟引擎采用 Fortran90 语言编写， 模块化功能结构使其更易于维护、更新和扩展。 EnergyPlus基于不稳定传热原理，使用反映系数法来计算建筑的动态负荷，模拟计算的核心是所计算区域的空气热平衡方程组。

3 课题实现方案

3.1 EnergyPlus 的输入数据解析

EnergyPlus开发团队把该软件定位为一个模拟内核，其输入文件为文本文件，输出亦为文本或电子表格。输入文件包括建筑模型数据（对应文件后缀.idf） ，数据词典（对应文件后缀.idd）和气象数据（对应文件后缀.epw）三种。模型数据描述建筑物的围护结构、内部系统以及供能设备；数据词典负责定义模型数据文本的内容与格式；气象文件为能耗模拟提供特定时间段的气象参数，如室外温度、太阳辐射强度、风速等。模型数据文件由多个相同格式的信息块组成，每一个信息块描述模型的一部分。如图 3 所示，信息块的第一行说明所描述的对象，本例中是一个墙面，其余部分都是对它的描述内容，即属性。属性值的数据类型以及在信息块中的排列顺序都在数据词典文件中定义了，用户不能随意改动。

图3 IDF文件中的信息块

3.2 IFC 标准文件解析

IFC标准的主要内容是对建筑模型全部组成元素的定义与描述，每一个元素称为一个实体（Entity） 。实体类似面向对象程序语言中“类”的概念，不同的是它只有属性没有方法，例如墙、屋顶、设备、材料和坐标点等都是具有不同属性的实体。实体的定义以“ENTITY”开始，并以“END_ENTITY”结束，如图 4 所示，包括实体名称和属性两个部分。IFC标准大纲实际上是一个实体集，其中包含 600 多个实体。

图4 IFC标准中的实体定义

IFC数据交换文件全部是由如图 5 所示的语句组成：每条语句都有一个独一无二的编号，编号由一个符号“#”加上一个整数组成，同一文件中每个整数只能使用一次，顺序没有限制，例如“#62”；“IFCWALLSTANDARDCASE”是定义的实体名称，本例中表示的是一个墙实体；括号中的内容为该实体实例的属性，属性间用符号“， ”隔开，属性值可以是 IFC标准中定义的任意一种数据类型，还可以引用文件中已定义的其他实例，“$”表示该属性无值。

图5 IFC文件语句结构

3.3 数据交换接口实现

通过对 IFC文件和 IDF文件内容与结构的详细分析，笔者发现两者都是采用面向对象的方法来描述建筑模型。因此同样采用面向对象的编程语言 C#开发 IFC 与 IDF 文件的解析转换器，其基本流程如图 6 所示。（固定链接： http://uibim.com/933.html）

图6 解析转换器工作流程

图 7 展示了数据接口的组成与功能。本研究中首先采用 Autodesk 公司的 Revit Architecture 作为建筑设计的 CAD 平台，创建 BIM 数据库，利用该平台的 IFC 转化功能自动生成 BIM 模型的 IFC 数据交换文件。然后通过文件解析转换器创建 IDF 文件，供 EnergyPlus软件模拟。在这个信息流动过程中，IFC数据文件本身并不包含 IDF文件所需的建筑材料热工数据，解决这个问题，作者在解析转换器中嵌入了一个材料热工参数数据库，建立材料名称与参数的对应关系，在转换的过程中根据材料名称查找对应参数。

图7 数据转换接口

尽管 IFC与 IDF文件都采用面向对象的数据组织形式，但他们之间的复杂性、范围和抽象程度存在差异。IFC采用非常复杂的框架，以 IFC 2x3TC1 版本为例，他包含 44个模块共 653 个实体，实体间具有复杂的继承和引用关系，并几乎覆盖了与建筑相关的所有专业内容；相比之下，EnergyPlus建筑模型的层次架构简单许多，范围也仅限于建筑几何与材料属性方面的内容，对建筑几何的描述还进行了简化。所以，解析转换器的信息流量受到IDF文件的限制。

4 结论

本文提出了基于 IFC 标准 BIM 与 EnergyPlus 软件数据转化接口的设计方案，这项工作大大减少了 HVAC工程师重建建筑模型的工作，促进了建筑节能设计的发展，该方案对于其他建筑专业间数据交换的研究同样有借鉴性意义。

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参考文献：

[1]. 邓雪原, 张之勇与刘西拉, 基于 IFC 标准的建筑结构模型的自动生成. 土木工程学报,

2007. 40(2): 第6-12 页.

[2]. 张建平等, 基于 IFC 标准和建筑设备集成的智能物业管理系统. 清华大学学报(自然

科学版), 2008. 48(6): 第 940-942,946 页.

[3]. Sciences, N.I.O.B., National Building Information Modeling Standard Version

1-Part 1: overview, principles, and methodologies. 2007.

[4]. GB/T 16656.11-1996 工业自动化系统与集成 产品数据表达和交换 第 11 部分：描述

方法：EXPRESS 语言参考手册, 1996.

[5]. 中国标准化与信息分类编码研究所, GB/T 16656.21-1997 工业自动化系统与集成 产

品数据的表达与交换 第21 部分：实现方法：交换文件结构的纯正文编码, 1997.

[6]. http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/alpha_list.cfm.

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