姜韶華，武 靜

（大連理工大學 建設(shè)工程學部，遼寧 大連 116024，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

基于本體與BIM的綠色建筑智能評價系統(tǒng)

姜韶華，武 靜

（大連理工大學 建設(shè)工程學部，遼寧 大連 116024，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

為實現(xiàn)綠色建筑評價標準知識的共享及重用，解決人工進行綠色建筑評價費時、費力且易出錯的問題，在對《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）進行分析的基礎(chǔ)上提出基于本體與BIM的綠色建筑智能評價系統(tǒng)。利用Protégé3.4.8建立本體模型，根據(jù)標準的內(nèi)容構(gòu)建本體的類及屬性，建立OWL公理及SWRL規(guī)則；從BIM模型中提取被評價建筑的相關(guān)信息并實例化成個體的屬性值；依據(jù)OWL公理及SWRL規(guī)則，利用Jess規(guī)則引擎進行推理，得出被評價建筑的評價指標得分，為其綠色等級劃分提供依據(jù)。利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)標準知識的結(jié)構(gòu)化表示、共享及重用，在一定程度上解決了人工進行綠色建筑評價所存在的問題，同時也為進一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

綠色建筑評價；智能評價系統(tǒng)；本體；BIM；推理

綠色建筑已成趨勢，許多國家已建立了綠色建筑評價體系，我國也出臺了相關(guān)標準及規(guī)范?，F(xiàn)行標準知識的組織存儲方式不利于其共享及重用，而評價人員的經(jīng)驗、精力有限，標準規(guī)范易發(fā)生變化，只依靠人工進行評價費時、費力、易出錯。因此實現(xiàn)綠色建筑評價的智能化是一個需要研究的問題。

現(xiàn)有的綠色建筑評價研究大多是以評價體系為對象，對評價方法的研究往往只針對評價體系的某一方面。王敏等［1］對我國新舊版評價體系進行對比分析，將新版評價體系與臺灣最新版EEWH體系進行了比較； Mehrbakhsh Nilashi等［2］利用層次分析法及模糊邏輯提出建立基于知識的專家系統(tǒng)以對評價體系進行改進；Farzad Jalaei［3］和I-Chen Wu［4］提出利用能耗分析方法對評價過程進行改進，只針對能源利用評價進行評價方法研究，且不能實現(xiàn)標準知識的共享及重用。

本體可實現(xiàn)領(lǐng)域知識的結(jié)構(gòu)化表示及重用，已被用于建筑領(lǐng)域法規(guī)知識的建模及符合性檢查［5］。OWL（Ontology Web Language，網(wǎng)絡(luò)本體語言）作為一種本體描述語言既能夠?qū)Ω拍钸M行很好的描述，又具有一定的推理能力［6］。目前綠色建筑評價標準中涉及的許多建筑信息可以通過BIM工具獲得。因此，本文以《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）［7］（以下簡稱“綠建標準”）為背景，參考元模型CQIEOntology［5］的建立與應(yīng)用過程，結(jié)合BIM技術(shù)提出基于本體與BIM的綠色建筑智能評價系統(tǒng)，以實現(xiàn)綠色建筑智能評價。利用Protégé建立OWL本體模型，根據(jù)標準規(guī)范的要求構(gòu)建本體的類及屬性，建立OWL公理及SWRL （Semantic Web Rule Language，語義網(wǎng)規(guī)則語言）規(guī)則；從BIM模型中提取被評價建筑物的相關(guān)信息并設(shè)置為本體模型中個體的屬性值；最后利用Jess規(guī)則引擎進行推理，得出被評價建筑的評價指標得分，為其綠色等級劃分提供依據(jù)。

1　綠色建筑智能評價系統(tǒng)的建立

1.1綠建標準解讀

綠建標準的應(yīng)用對象是民用建筑，其中包括居住建筑和公共建筑。標準規(guī)定綠色建筑評價包含設(shè)計評價及運行評價兩種，設(shè)計評價包括節(jié)地與室外環(huán)境、節(jié)能與能源利用、節(jié)水與水資源利用、節(jié)材與材料資源利用、室內(nèi)環(huán)境5項評價指標；除上述5項評價指標外，運行評價還包括施工管理和運行管理兩項評價指標。評價指標體系還統(tǒng)一設(shè)置了加分項，每項評價指標分為控制項和評分項，對評分項又進一步進行了細致劃分，并有相應(yīng)的分數(shù)與之對應(yīng)。設(shè)計評價及運行評價的評價指標有不同的權(quán)重。最后將被評價建筑每項評價指標所得的實際分數(shù)除以適用于它的該評價指標總分數(shù)再乘以100，并與相應(yīng)的權(quán)重相乘得出加權(quán)分，將各項評價指標加權(quán)分數(shù)求和即可得到最終評價分數(shù)，根據(jù)分數(shù)的范圍可得出建筑的綠色星級。

本文以綠色建筑的設(shè)計評價為例介紹所提出的綠色建筑智能評價系統(tǒng)，并且假設(shè)進行評價時控制項要求已經(jīng)得到滿足。

1.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

為實現(xiàn)綠色建筑的智能評價，根據(jù)對綠建標準評分項內(nèi)容的分析，制定出智能評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

（1）通過對綠建標準評分項的分析建立本體模型，建立本體的類及屬性（包括對象屬性和數(shù)據(jù)類型屬性）；利用BIM工具直接或間接獲得評價所需的建筑信息并將其實例化為個體的屬性值。

（2）通過分析評分項中蘊含的邏輯關(guān)系建立本體的公理及推理規(guī)則。

圖1　系統(tǒng)框架圖

（3）用轉(zhuǎn)換工具將本體事實及推理規(guī)則轉(zhuǎn)換成Jess規(guī)則引擎的事實及規(guī)則；根據(jù)本體公理及推理規(guī)則應(yīng)用Jess規(guī)則引擎進行推理，得出綠色建筑評價結(jié)果。

（4）用轉(zhuǎn)換工具將評價結(jié)果（Jess新事實）轉(zhuǎn)換成本體事實。

1.3本體的建立

1.3.1本體描述語言

根據(jù)本體模型對表達能力及可擴展能力的需求來選擇本體描述語言。OWL是W3C推薦的本體描述語言，具有良好的發(fā)展空間及應(yīng)用前景；OWL DL （Description Logic，描述邏輯）在對概念進行描述方面具有一定的優(yōu)勢，并且由于它是基于DL的語言，所以它本身具有一定的推理功能［8］。因此本文選用OWL DL（以下簡稱OWL）作為所構(gòu)建本體模型的描述語言。

1.3.2本體構(gòu)建工具

通過對目前已有本體構(gòu)建工具的對比分析，本文最終選擇由斯坦福大學醫(yī)學信息化研究小組所開發(fā)的Protégé［9］作為本體構(gòu)建工具，因為它所擴展的OWL插件所具有的功能可以滿足本文構(gòu)建本體的要求，此外它還具有用戶操作界面簡單、靈活且學習資源豐富的特點。

1.3.3本體構(gòu)建的方法及步驟

在開始構(gòu)建本體模型之前，首先要明確構(gòu)建本體的目標、范圍。為達到系統(tǒng)實施的目的，通過對標準條文進行分析可得出本文通過構(gòu)建本體所要實現(xiàn)的目標有3個:一是利用所構(gòu)建的本體進行綠色建筑檢查及評價；二是實現(xiàn)綠色建筑評價標準知識的結(jié)構(gòu)化表示、共享與重用；三是法規(guī)知識更新時能夠簡便地對本體進行改進。

為實現(xiàn)上述3個目標，所構(gòu)建的本體不僅要包括所研究范圍內(nèi)的所有概念，而且概念層次結(jié)構(gòu)要簡單且具有良好的結(jié)構(gòu)。作為系統(tǒng)實施關(guān)鍵的一個步驟，本文采用“七步法”［10］進行本體構(gòu)建。具體步驟如圖2所示。

圖2　方法步驟

（1）在明確了構(gòu)建本體的目標之后，本體的專業(yè)領(lǐng)域及重復(fù)使用現(xiàn)有本體的可能性就已經(jīng)確定，本文需要根據(jù)實際需求構(gòu)建智能評價本體模型。

（2）通過對標準的分析確定所構(gòu)建本體的重要術(shù)語。由于數(shù)量較多，而本文篇幅有限，所以在此只做部分列舉:如可再利用材料（Reusable Material）、可再循環(huán)材料（Recyclable Material）、可再生能源（Renewable Energy）。

（3）定義類及類的等級體系。本體模型中的4個主要的類分別為EvaluatedBuilding（被評價建筑），EvaluationTask（評價任務(wù)），EvaluationCriteria（評價標準），EvaluationActor（評價人員）。

（4）確定類的屬性（對象屬性和數(shù)據(jù)類型屬性）。對象屬性的作用是將本體的類聯(lián)系起來:由評價人員對被評價建筑進行檢查評價；每個被評價建筑的評價過程都由一系列的評價任務(wù)組成；進行每項評價任務(wù)都要以相應(yīng)的評價標準為依據(jù)。根據(jù)這種分析思路，本文所構(gòu)建的OWL本體一級類及二級類的等級體系及類與對象屬性的關(guān)系如圖3所示。

對象屬性確定之后，將評價標準的各評分項涉及的指標設(shè)置成本體類的數(shù)據(jù)類型屬性。其中標準中的允許值設(shè)置成EvaluationCriteria子類的數(shù)據(jù)類型屬性，相對應(yīng)的被評價建筑的指標實際值設(shè)置成EvaluatedBuilding或其子類的數(shù)據(jù)類型屬性，為后文建立推理規(guī)則及推理奠定基礎(chǔ)。

1.4推理規(guī)則的建立

雖然本文選擇的本體描述語言O(shè)WL能夠?qū)Ω拍钸M行詳細描述且具有一定的推理能力，但是其推理能力有限，只能進行一些簡單的、基本的推理［8］。隨著綠建標準的不斷發(fā)展和完善，本體模型的結(jié)構(gòu)也必將越來越復(fù)雜，對推理能力的要求也會越來越高，要實現(xiàn)更加復(fù)雜的推理，還需要在OWL本體的基礎(chǔ)上另外建立推理規(guī)則。

圖3　對象屬性及類的等級體系

本文選擇SWRL規(guī)則作為本體推理的規(guī)則。由于SWRL是對OWL的擴展，它包含基本的算數(shù)內(nèi)置函數(shù)（如x+y）和比較內(nèi)置函數(shù)（如x＜y），所以它除了能夠定義規(guī)則還能夠進行推理，并且SWRL規(guī)則可以與OWL相集成，兩者結(jié)合使用可以產(chǎn)生更強大的約束和更直觀的推理能力［11～14］，因此本文采用SWRL規(guī)則和OWL公理來進行本體的推理。

每條SWRL規(guī)則都由前件和后件兩部分組成，每部分包括一個或者多個元素。SWRL規(guī)則所表達的邏輯關(guān)系可以這樣理解:如果前件中的條件為真，那么后件中的情況就會發(fā)生。推理規(guī)則的表達形式如式（1）所示［14］。

atom代表規(guī)則前件及后件中的元素，其表達形式如式（2）所示［14］。

term代表表達式中的術(shù)語或參數(shù)，atom的形式可以為C（x），P（x，y），sameAs（x，y），differentFrom （x，y）等。C指本體的類，P代表本體的屬性，x、y可以是變量、OWL個體或者是OWL數(shù)據(jù)值，sameAs（x，y）、differentFrom（x，y）為SWRL內(nèi)置函數(shù)。

以綠建標準第7.2.12條的內(nèi)容為例，利用編輯工具建立的SWRL規(guī)則如表1所示。

7.2.12條文內(nèi)容是采用可再利用材料和可再循環(huán)材料，評價總分值為10分，并按下列規(guī)則評分:

（1）住宅建筑中的可再利用材料和可再循環(huán)材料用量比例達到6%，得8分；達到10%，得10分。

表1　SWRL規(guī)則示例

（2）公共建筑中的可再利用材料和可再循環(huán)材料用量比例要達到10%，得8分；達到15%，得10分。

利用SWRL規(guī)則可以實現(xiàn)將評價指標信息從標準規(guī)范知識中分離出來，方便用戶添加、修改規(guī)則約束，由于標準規(guī)范可能經(jīng)常變動，所以SWRL規(guī)則的這一特點是非常實用的。此外，SWRL是一種獨立于任何規(guī)則引擎的規(guī)則描述語言［15］，可以與多種規(guī)則引擎協(xié)同工作，因此利用SWRL規(guī)則進行推理時用戶可以根據(jù)習慣選用規(guī)則引擎。

1.5規(guī)則引擎

目前還沒有一種有效的規(guī)則引擎可以支持OWL本體和SWRL規(guī)則之間進行交互操作，但是由于SWRL規(guī)范不限制如何利用SWRL規(guī)則進行推理，所以用戶可以自己選擇規(guī)則引擎利用存儲在OWL知識庫中的SWRL規(guī)則進行推理［15］。本文選擇Jess規(guī)則引擎進行推理。應(yīng)用規(guī)則引擎進行推理的關(guān)鍵是利用轉(zhuǎn)換工具將OWL本體和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換成所使用的規(guī)則引擎的事實和規(guī)則，例如可以利用 XSLT［16］（ eXtensible Stylesheet Language Transformation）將OWL語義和SWRL語義映射成Jess事實和規(guī)則，基于XSLT的兩種工具OWL2Jess 和SWRL2Jess可以將這兩種語言和Jess聯(lián)系起來。本文使用Protégé 3.4.8構(gòu)建本體，選擇Jess規(guī)則引擎進行推理，其本身所包含的插件（SWRLJessTab）可以滿足本文推理所需的轉(zhuǎn)換與推理要求。

2　系統(tǒng)的實施

利用上述建立的綠色建筑智能評價系統(tǒng)，在Revit等BIM工具的支持下，可以實現(xiàn)綠色建筑智能評價。

通過對標準條文的分析，使用Protégé 3.4.8建立本體，從BIM工具中直接或間接獲得建筑信息并輸入到本體模型中，使用SWRLEditor在OWL本體中進行推理規(guī)則的編輯、存儲，利用轉(zhuǎn)換工具將本體事實和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換成Jess事實和規(guī)則，使用SWRLJessTab插件運行規(guī)則引擎，處理由轉(zhuǎn)換工具得到的規(guī)則庫以獲得新的Jess事實，然后再利用轉(zhuǎn)換工具將其轉(zhuǎn)換成新的OWL本體事實，最終推理結(jié)果以本體模型中個體屬性值的形式向用戶展現(xiàn)。

以綠建標準第7.2.12條為例進行說明，從Revit中獲得某被評價公共建筑可再利用材料和可再循環(huán)材料用量比例為9%（＜10%），將其作為個體EvaluatedPublicBuilding_1的數(shù)據(jù)類型屬性值輸入到本體中，運行Jess后得到被評價公共建筑的該項評價指標的得分為0，與標準規(guī)定相符合，并且這個過程用時260毫秒左右（i3-2330M，2G內(nèi)存，Win7平臺），與人工進行檢查相比節(jié)省了很多時間。

3　結(jié)語

本文構(gòu)建了一種基于本體與BIM的綠色建筑智能評價系統(tǒng)。該系統(tǒng)在評價過程中需要利用BIM工具直接或者間接地獲取被評價建筑的相關(guān)信息，核心部分是本體模型的構(gòu)建及推理。本體的構(gòu)建實現(xiàn)了對標準知識的結(jié)構(gòu)化表示、共享及重用。由于標準知識具有易變性，利用本體對其進行管理有利于評價系統(tǒng)維護的便捷性。利用該評價系統(tǒng)進行綠色建筑評價可以彌補評價人員經(jīng)驗不足、精力有限的缺陷，有效減少人工進行綠色建筑評價費時、費力、易出錯情況的發(fā)生。

但是另一方面，該評價系統(tǒng)還有一些不足。首先，目前能夠從BIM中獲得的信息只能以個體屬性值的形式手工輸入到本體模型中，該系統(tǒng)還不能實現(xiàn)從BIM模型中自動獲取所需要的知識，并將其轉(zhuǎn)化成本體事實，因此該過程只實現(xiàn)了半自動化評價；其次，為方便說明，在確定本文對《綠色建筑評價標準》（GB/T50378-2014）的分析范圍時提出了幾項假設(shè)，這使得本文所構(gòu)建的本體模型結(jié)構(gòu)比較簡單，本體中所包含的類、屬性不能涵蓋標準中所涉及的全部信息。這兩方面的不足也是今后研究工作的努力方向。

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Intelligent Green Building Evaluation System Based on Ontology and BIM

JIANG Shao-hua，WU Jing
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

In order to share and reuse the information in Green Building Evaluation Standard GB/T50378-2014 and to solve the time-consuming，laborious and error-prone issues emerged in manual green building evaluation process，an intelligent green building evaluation system based on ontology and BIM is proposed after analyzing the details in this criteria. Firstly，with the help of Protégé3.4.8，according to the requirements in the criteria，an ontology evaluation model is established by building classes，properties，OWL axioms and SWRL rules. Secondly，by extracting the information needed for the evaluation process from BIM，datatype property values of the individuals in the ontology model are determined. Based on OWL axioms and SWRL rules，execute reasoning using Jess rule engine to obtain the evaluation index scores of the evaluated building，which can provide the basis for ranging the building. With the help of this system，regulations can be represented in a structured way，and they can be shared between different parties and reused in another evaluation process and to some extent，problems associated with manual green building rating process can be solved. Also，the proposed system may provide foundation for further researches.

green building evaluation；intelligent evaluation system；ontology；BIM；reasoning

TU17

A

1674-8859（2016）04-035-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.007

姜韶華（1971-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向:基于建筑信息模型的工程管理，基于互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的智能化管理，風險管理與決策分析，基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性；

2016-06-16.

國家自然科學基金項目（51178084）.

武 靜（1990-），女，碩士研究生，研究方向:工程項目的信息管理。