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DOI:10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2012.06.008第28卷第6期2012年6月［文章编号］1002-8528（2012）06-0024-04建筑科学Vol.28，No.6Jun．2012BUILDINGSCIENCE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（中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司，北京100013）［摘要］本文根据我国目前建筑节能设计的现状和存在的问题，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的方法，对基于建筑信息模型（BIM）技术的建筑节能设计软件的功能模块进行了讨论，分析了相关功能的实现。［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］TU201.5；TU111.19+5［文献标识码］ATheSoftwareDevelopmentforBuildingEnergyEfficiencyDesignBasedonBIMTechnologyQIUXiang-wu，ZHAOZhi-an，QIUYong-yun（CABRTechnologyCo．，Ltd．，ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013，China）［Abstract］Inthispaper，accordingtothecurrentsituationandexistedproblemsofbuildingenergyefficiencydesign，themethodsforgeneratingthebuildingmodelbasedonthebuildingdataformswereintroduced．Andthen，themainfunctionsofthesoftwareforbuildingenergyefficiencydesignbasedonBIMtechnologyweredescribed，alsosomerelatedrealizationtechnologieswerediscussed．［Keywords］buildingenergyefficiencydesign，buildinginformationmodel（BIM），buildingenergyconsumptioncalculation1建筑节能设计现状和面临的问题随着经济的快速发展，能源消耗量与日剧增，全另一方面，在传统的设计方法中，建筑专业和设备专设备工程师需要在输入建筑数据后使业是脱节的，用能耗分析软件进行能耗分析，而分析结果并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，不能起到及时为建筑师提供方案设计依据的作用［2］球能源短缺的状况日益突显，能源问题已经成为了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不断增加，建筑节能成为了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2个专业，建筑朝向、围护结构性能、自然通风状况、建筑体形系窗墙面积比、功能分区都是影响建筑能耗的重要数、因素［1］。2义基于BIM技术的建筑节能设计软件的意BIM）建筑信息模型（buildinginformationmodel，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，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。BIM的核心是一个包这一含了建筑工程项目各专业和各阶段的数据库，数据库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［3］。不同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，输入繁琐，专业性强，建筑师很难花大量精力研究能耗模拟软件并完成每种方案的能耗分析工作。［收稿日期］2011-12-13［修回日期］2012-02-02［基金项目］“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAJ09B04）［作者简介］邱相武（1972-），男，硕士，副研究员［联系方式］qiuxiangwu@cabrtech．com。基于BIM技术的建筑节能设计软件通过共享建筑师的建筑信息模型来获取建筑朝向、建筑构件建筑材料、功能分区等建筑信息，从而进几何尺寸、
第6期邱相武，等：基于BIM技术的建筑节能设计软件开发研究25行建筑节能分析计算，使建筑满足规定性指标或使全年能耗满足性能化指标要求。若建筑不满足节能可以将对模型的修改建议反馈给建筑师，建筑标准，直到建师根据反馈意见修改建筑模型。如此反复，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。基于BIM技术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2个独立过程、数据重复输入、数据流失、出现信息歧义和不一致的问题，提高工作效率。性的图层、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。如果图纸上没用户无法指定轴线图层，可根据建筑施工图有轴线，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、洞口及楼梯等，将与拾取构线型、线宽及颜色和相同实件具有相同属性的图层、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、门、窗、梁、柱、洞口及楼梯等构件的线或块进行整理和归并，将首尾相接、重叠和重复门线、窗线或梁的归并为1个。⑤线配对。给墙线、线进行配对，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、窗线、梁线附近没有轴线，则根据配对墙线、窗线、梁线生成辅助轴线。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、偏心和两端点坐标。⑧生成门窗数据。根据配对窗线与轴线的相对位置关系生偏心和两端点坐标，同时根据窗体与成门窗的宽度、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墙、门、窗、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对应图1的三维建筑模型数据渲染图。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建立建筑模型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3种不同的生成建筑模型的方法。1）直接使用建筑师提供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，一般来说其数据是全面的，只是数据格式多变，但具体到某一软件的数据格式又是固定的，只需分别指定软件类别即可自动转换。2）交互智能转换法当前建筑师多使用二维设计软件进行建筑设计（如AutoCad软件），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需要解决如多义性问题、数据不完备问题、重叠断，问题、重复问题等。其中多义性问题是指多项属性相同，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；数据不完备问题是指不能自如门、窗、墙体在平面图中只有动获取充足的数据，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完备问题可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属图1AutoCad软件绘制的建筑图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。本软用户在建模工具中可以参数化件提供了建模工具，
26建筑科学第28卷更大的设计灵活性，可以定量的评价不同方案的优劣，但同时增加了设计的难度，需要进行大量的计算。节能综合指标计算有稳态计算方法和动态计算方法图2三维渲染图［3-6］。现行节能标准除《严寒寒冷地区居住建（JGJ26-2010）采用稳态计算方法筑节能设计标准》《冬冷夏热地区居住建筑节能设计标准》（JGJ外，134-2010）、《冬暖夏热地区居住建筑节能设计标（JGJ75-2003）和《公共建筑节能设计标准》（GB准》50189-2005）均采用动态计算方法计算建筑在规定条件下的供暖空调能耗。1）能耗模拟计算软件的选择建建筑能耗模拟一般要通过模拟软件来完成，筑能耗模拟软件有30多年的发展历史，种类很多，仅美国就有77种［7］定义墙、窗、凸窗、阳台、挑檐等各种标准构件。同时，软件提供了多种方便灵活的布置建筑构件的方法，可以完成复杂构件的建模（如屋顶），使用户可以在没有建筑图档的情况下也可较快速地建立三维建筑模型。建筑节能设计软件不仅需要建筑围护结构的形尺寸、位置数据，还需要围护结构热工性能参数，状、主要包括墙体、屋顶各层材料的厚度、密度、导热系数、比热，以及门窗传热系数和遮阳系数。它们是反映围护结构传热和蓄热性能的重要参数，而根据我在一般建筑软件生国当前建筑施工图的设计特点，成的模型数据中并不包括这些信息。因此，在基于BIM技术的建筑节能设计软件中，增加了输入热工性能参数的菜单，需单独输入并保存。为了快速输软件提供了大量的墙体入围护结构热工性能参数，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，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的目的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。建筑节能设计方法可分为2种：规定性指标设计和性能化指标设计。在规定性指标设计方法中只需使建筑体形系数、窗墙面积比、建围护结构传热系数、遮阳系数和设备照明均筑朝向、满足节能标准相应的指标要求，可直接判定建筑满足节能标准要求。这种设计方法的优点是不必进行复杂的计算分析，可节省大量的时间和精力，缺点是不能比较不同设计方案的优劣，不能充分发挥设计人员的创造性。性能性指标设计方法在设计时允许部分指标（如体形系数、窗墙面积比、部分围护结构热工指标）超出标准强制性规定的限值，但需要保证设计方案的节能综合指标小于标准规定的限值或参照建筑的节能综合指标。这种方法给予设计人员，在国内应用较多的具有代表性2、EnergyPlus、TRNSYS和的能耗模拟软件有DOE-DeST。DOE-2采用顺序模拟的模式，即按照负荷模系统模拟、设备模拟、经济分析的顺序进行拟、（LSPE结构），它可以精确地处理各种功能和结构复杂的建筑，但对系统的处理能力有限［8-9］。EnergyPlus采用集成同步的负荷、系统和设备的模在上层管理模块的监督下，模块之间彼此有拟方法，反馈，计算结果更准确，可以模拟更多的空调系统，2，但集成同步的代价是计算速度明显低于DOE-且有时不稳定，不太容易收敛［9］。TRNSYS具有强大可以十分精确地模拟各种控制的模拟控制器功能，因此在部分负荷模拟、控制方式的优化等方面方式，2，优于EnergyPlus和DOE-但在建筑负荷以及建筑性能的模拟方面偏弱［9］。DeST采用的是现代控制，理论中的“状态空间法”求解时空间上离散、时间在步长的选取上比较灵活。DeST采用上保持连续，分阶段设计和分阶段模拟的思想，可以很好地与设计过程结合，利用已有的信息逐步深入，将未知转为已知，直到完成最后的模拟。DeST的局限性是没有气象数据库是根据实测结合自己独立的运行平台，拟合的结果可能会给计算的准确性带拟合得到的，来隐患［9］。DOE-2仍是公认的权威、迄今为止，经典的能耗模拟软件，虽在系统处理方面有一定局限，但其运行速度快、对复杂建筑的处理能力强。另外，我国现行节能设计标准模拟计算的供暖空调能耗都是在规定2可以模拟均是DOE-条件下的供暖空调系统能耗，
第6期邱相武，等：基于BIM技术的建筑节能设计软件开发研究27《公共建筑节能设计标准》（GB的系统。例如，50189-2005）规定的系统类型为两管制风机盘管系《冬冷夏热地区居住建筑节能设计标准》（JGJ统，134-2010）和《冬暖夏热地区居住建筑节能设计标（JGJ75-2003）规定的系统类型为家用空气源热准》7］通过实例验证了用DOE-2模拟泵空调器。文献［因此笔者所开发的建筑我国建全年能耗的可靠性，2作为计算内核来计算建节能设计软件选择DOE-2的数据接口通建筑模型与DOE-筑供暖空调能耗。2格式的建筑描述语言过将建筑数据转换成DOE-（BDL）来实现，只开放建筑节能计算需要的参数，封2界面不友好、装后的能耗计算模块克服了DOE-输控制参数多、普通用户难以操作的问题。入繁琐、2）智能优化计算软件智能化处理模块可以定义屋顶、墙、窗、接触室外空气地板等构件热工属性的修改步长和修改优先级别，自动修改各类围护结构的物性参数，进行优化计算，直至建筑满足节能标准规定性指标或节能综合指标的要求。节能设计计算模块工作过程如图3所示。Classes）标准的BIM数据交换平台来实现数据关BIM模型架构如图4所示。数据层利用工程数联，用SQLServer关系型数据库存储和管理BIM数据，据库创建。各应用软件通过BIM数据交换平台提供的数据接口来实现数据的提取和对BIM数据模型的修改扩充。图4BIM模型基本架构IFC标准是由IAI（国际互操作联盟）开发的BIM主流数据标准，是目前对建筑信息描述最全面和最详细的规范，其2xplatform版本已被ISO组织接纳为ISO标准。IFC数据向BIM数据转换的技术有多种第三方工具包可以采用，如研究相对成熟，STEP、EDM、EuroStep、Bspro和IFCsvr等，开发者可以不必花大量时间和精力去了解IFC标准的细节和进行底层支持平台的开发。现在越来越多的应用软［9］笔者所开发的建筑节能设计软件支持IFC标准，件采用IFC标准作为数据交换格式。BIM数据转换平台可完成如下功能：1）对支持IFC标准的应用软件所生成的建筑模型解析IFC数生成节能设计软件使用的BIM数据。2）对不支据，持IFC标准的应用软件所生成的建筑模型通过数据转换接口生成节能设计软件使用的BIM数据。3）将节能设计软件的BIM数据转换为IFC格式数据供其它应用软件引用。IFC标准数据交换结构的可读正文编码通常是中性文件结构，数据包含规划、设计、施工、运营维护等建筑活动各阶段和各专业需要的数据，共有653图3节能设计计算工作流程164个枚举类型和46个选择类型。笔个实体类型、者所开发的建筑节能设计软件用C++中的基本数据类型和标准模板库STL（StandardTemplateLibrary）来实现IFC数据中与建筑节能设计相关的数据内容。（下转第40页）3.3建筑信息模型（BIM）数据转换实现技术建筑节能设计数据与相关专业的数据共享可通过BIM数据转换平台来实现。笔者所开发的建筑节能设计软件采用数据层、应用层两级数据架构［10］，二者之间通过基于IFC（IndustryFoundation
40建筑科学第28卷的提升和集热器集热效率的提升，则系统发电效率会有很大的上升空间。2）在我国，光伏建筑一体化（BIPV）的应用正在将PV/TV系统应用于建筑中，其保温材快速发展，其冷水循环可直接利料可以替代一部分建筑材料，用建筑物内的生活用水管进行改装来完成，从而可以实现太阳能电池与建筑的结合。［参考文献］图6PV/PT系统计算模型及结果［1］JiJie，LuJianping，HeWei，etal．Experimentalinvestigationonanovelsolarphotovoltaic/thermalsystemwithflataluminousboxas2006，27（8）：765～collector［J］．ActaEnergiaeSolarisSinca，773．［2］ChenguangWei，ZhengquanLiu，XiaoyingDeng．ApplicationofthermoelectricgenerationtechnologyinBuilding-integratedPhotovoltaics（BIPV）［J］．AdvancedMaterialsResearch，2011，250～253：2153～2156．［3］HuangBJ，DuSC．Aperformancetestmethodofsolarthermosyphonsystems［J］．JournalofSolarEnergyEngineering（TransactionsoftheASME），1991，113：172～179．4结论1）相对于单纯的太阳能电池板，PV/TV系统不仅可以吸收太阳能电池板上的热量，降低其工作温提高其发电效率，而且可以将热量收集并实现热度，电发电。系统的总体发电效率相对于单纯的太阳能电池板可以提高5%～15%。该结论具有普适性，而且若将系统进行改进，包括热电发电片发电效率（上接第27页）［J］．暖通空调，2011，41（4）：65～68．［2］曾旭东，赵昂．基于BIM技术的建筑节能设计应用研究［J］．2006，28（2）：33～35．重庆大学学报，［3］中国建筑科学研究院．JGJ26-2010严寒寒冷地区居住建筑节2010．能设计标准［S］．北京：中国建筑工业出版社，［4］中国建筑科学研究院，中国建筑业协会建筑节能专业委员2005公共建筑节能设计标准［S］．北京：中国建会．GB50189-2005．筑工业出版社，［5］中国建筑科学研究院．JGJ134-2010冬冷夏热地区居住建筑2010．节能设计标准［S］．北京：中国建筑工业出版社，［6］中国建筑科学研究院，2003广东省建筑科学研究院．JGJ75-冬暖夏热地区居住建筑节能设计标准［S］．北京：中国建筑工2003．业出版社，［7］侯余波，2程序分析建筑能耗的可靠性付祥钊，郭勇．用DOE-2003，33（3）：90～92．研究［J］．暖通空调，［8］赵毅立．下一代建筑节能设计系统建模及BIM数据管理平台2008．研究［D］．北京：清华大学，［9］李冀，邹瑜，魏峥．建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的2010，26（2）：24～28．问题［J］．建筑科学，［10］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，4结论和展望本文介绍了基于BIM技术的建筑节能软件开发思路和实现的关键技术。首先，针对建筑数据格建筑信息不全面的现状，提出了生成完整式不统一、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）都可从建较好地解决了数据重复输入过程中筑模型中获取，数据流失、数据歧义和效率低下的问题。在此基础上，对基于BIM技术的建筑节能设计软件的各功能模块进行了讨论，分析了相关功能的实现。随着计算机网络技术的快速发展和建筑领域对BIM技术的重视，基于BIM技术的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技术的建筑节能设计软件将会更加完善和成熟。［参考文献］［1］邱勇云，邱相武，赵志安．基于BIM的暖通3DCAD开发研究2008：227～232．

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