(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近幾年房屋建筑業(yè)每年竣工面積多達(dá)40億m2，年總投資總額接近10萬(wàn)億。由于建筑行業(yè)整體屬于高耗能行業(yè)，因此建筑節(jié)能和綠色建筑是建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的綠色建筑分析一般開始于施工圖完成以后，能耗分析結(jié)果更多注重評(píng)估設(shè)計(jì)效果，而對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程并沒有起到很好的指導(dǎo)作用。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和在土木建筑工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的BIM模型擁有保存和管理建筑全生命周期中所有關(guān)聯(lián)信息的能力，支持信息的動(dòng)態(tài)修改和存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期信息共享奠定了基礎(chǔ)。基于BIM技術(shù)的綠色建筑分析能夠從早期設(shè)計(jì)階段開始，同步進(jìn)行，協(xié)同設(shè)計(jì)，從方案設(shè)計(jì)到項(xiàng)目實(shí)施完成，不斷修訂和完善綠色建筑設(shè)計(jì)，從而使全生命周期的建筑節(jié)能與綠色建筑成為可能。

綠色建筑評(píng)價(jià)需要一整套完整的評(píng)價(jià)體系和流程，BIM技術(shù)在綠色建筑分析方面有一定優(yōu)勢(shì)，但是BIM技術(shù)涉及軟件眾多、標(biāo)準(zhǔn)各異、數(shù)據(jù)格式不盡相同，軟件之間的互操作性問(wèn)題亟待解決。IFC和gbXML均是BIM技術(shù)的重要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，IFC標(biāo)準(zhǔn)主要面向建筑全生命周期，數(shù)據(jù)信息內(nèi)容豐富，gbXML標(biāo)準(zhǔn)主要面向綠色建筑分析，數(shù)據(jù)信息具有針對(duì)性。因此基于IFC與gbXML的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的差異、特點(diǎn)以及在解決不同軟件互操作性方面的應(yīng)用，是基于BIM技術(shù)的綠色建筑分析的關(guān)鍵和重點(diǎn)。

1 基于BIM技術(shù)的綠色建筑分析

隨著人們對(duì)居住環(huán)境舒適性的要求不斷提高，對(duì)綠色節(jié)能和可持續(xù)性發(fā)展的不斷關(guān)注，綠色建筑及綠色建筑評(píng)價(jià)體系越來(lái)越受到重視。目前國(guó)際上已有的評(píng)價(jià)體系包括LEED體系、BREEAM體系、GBC體系、CASBEE體系等[1]。我國(guó)于2006年6月發(fā)布第一版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2006)， 2006版綠色建筑評(píng)價(jià)體系是通過(guò)對(duì)建筑全壽命周期進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)，考慮建筑資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)，材料節(jié)約、減少環(huán)境污染和環(huán)境負(fù)荷方面，最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和節(jié)地[2]。2014年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2014)，并于2015年1月1日起實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性、可操作性、覆蓋范圍及靈活性等方面都有所提升[3]。

傳統(tǒng)的綠色建筑性能評(píng)價(jià)通常是在建筑設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行分析，如圖1所示，傳統(tǒng)綠建分析通常在施工圖設(shè)計(jì)完成之后開始，不能在設(shè)計(jì)早期指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并且后期如果發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案的綠建性能不能達(dá)到國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或者業(yè)主要求，會(huì)產(chǎn)生大量的修改甚至否定整個(gè)設(shè)計(jì)方案，增加大量重復(fù)的工作量和設(shè)計(jì)成本。

基于BIM的綠色建筑性能分析與建筑設(shè)計(jì)過(guò)程高度擬合，建筑設(shè)計(jì)與綠色性能分析協(xié)同進(jìn)行，全過(guò)程參與，利用BIM建模軟件(如Autodesk Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，通過(guò)開放的BIM標(biāo)準(zhǔn)將模型導(dǎo)入綠色性能分析軟件(如Ecotect Analysis、EnergyPlus等)，對(duì)整個(gè)建筑的綠色性能進(jìn)行分析，分析方法如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)綠色建筑性能分析方法

圖2 基于BIM的綠色建筑性能分析方法

與傳統(tǒng)綠建分析流程相比，基于BIM的綠色建筑性能分析有如下特點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)分析軟件所建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)物存在一定的差異，分析項(xiàng)目有限?；贐IM技術(shù)的綠色性能分析可以通過(guò)開放的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將建模軟件創(chuàng)建的BIM模型導(dǎo)入綠建分析軟件中，實(shí)現(xiàn)一次建模處處使用的思想。

(2)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程在同一BIM模型基礎(chǔ)上進(jìn)行，不同階段可直接利用上一階段的設(shè)計(jì)成果，以避免設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入，極大地提高了設(shè)計(jì)與性能分析的效率。

(3)設(shè)計(jì)信息高效重復(fù)利用，設(shè)計(jì)信息輸入實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)計(jì)人員通過(guò)“設(shè)計(jì)、模擬評(píng)估、修正設(shè)計(jì)”等過(guò)程，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確與可靠。

雖然BIM技術(shù)在綠建分析方面有一定優(yōu)勢(shì)，但是分析過(guò)程中涉及到多種建模和分析軟件，各軟件數(shù)據(jù)格式不盡相同。目前基于BIM的綠建分析存在建筑信息共享難、建模軟件與綠色建筑性能分析軟件之間互操作性較差、以及分析效率低等問(wèn)題。因此，需要通過(guò)開放性的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決軟件互操作問(wèn)題。IFC和gbXML均是BIM開放標(biāo)準(zhǔn)，均具有良好的建筑信息共享性，大部分建模和綠建分析軟件支持這兩種數(shù)據(jù)格式。但I(xiàn)FC標(biāo)準(zhǔn)面向的是建筑全生命周期，數(shù)據(jù)架構(gòu)豐富，gbXML標(biāo)準(zhǔn)則主要是面向綠色建筑分析，信息攜帶具有針對(duì)性。因此需要建立基于IFC和gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型，分析各自綠建性能分析所需信息的表達(dá)方式，攜帶信息的內(nèi)容以及不同標(biāo)準(zhǔn)BIM模型的適用性。

2 基于IFC的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)是開放，標(biāo)準(zhǔn)化、和支持可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，使在建筑行業(yè)中廣泛應(yīng)用的建筑信息模型(BIM)應(yīng)用軟件具有更好的數(shù)據(jù)交換性和互操作性[4]。IFC標(biāo)準(zhǔn)在描述建筑實(shí)體信息方面具有很強(qiáng)的能力，是BIM模型在不同的BIM應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)共享與信息傳遞的主要標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⒔ㄖO(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的信息無(wú)縫共享，在提高生產(chǎn)效率方面具有很大的潛力。然而IFC標(biāo)準(zhǔn)涵蓋范圍廣泛，存在部分實(shí)體定義不精確和部分信息冗余，不能夠完全滿足工程項(xiàng)目各階段的數(shù)據(jù)交換和信息共享的需求[5]。

由于綠色建筑評(píng)價(jià)是根據(jù)現(xiàn)行《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，因此有必要對(duì)綠色建筑評(píng)價(jià)時(shí)所涉及的建筑信息及這些信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的定義進(jìn)行分析和總結(jié)，并建立起基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型，以解決BIM建模軟件與綠色建筑性能分析軟件之間的互操作性問(wèn)題。表1總結(jié)了綠色建筑性能評(píng)價(jià)時(shí)涉及到的建筑信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的映射，但是IFC標(biāo)準(zhǔn)中的映射仍存在部分實(shí)體參數(shù)不一致，對(duì)這些不一致的實(shí)體參數(shù)可以通過(guò)IFC擴(kuò)展屬性集的方法進(jìn)行補(bǔ)充。

表1 綠色建筑性能評(píng)價(jià)相關(guān)信息在IFC標(biāo)準(zhǔn)中的映射

圖3所示為基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型，模型以IfcSite為根節(jié)點(diǎn)，通過(guò)IfcRelAggreates與建筑構(gòu)件實(shí)體建立層級(jí)關(guān)系，IfcSpace是組成建筑空間的基礎(chǔ)，空間元素各組成部分通過(guò)IfcRelAggreates進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)IfcBuilding、IfcBuildingStorey也通過(guò)IfcRelAggreates形成BIM模型的空間結(jié)構(gòu)。BIM模型中不同系統(tǒng)的劃分是基于IfcSystem及其派生子類實(shí)現(xiàn)，建筑暖通設(shè)備、給排水等是由IfcDistributionSystem表示，不同系統(tǒng)之間通過(guò)屬性IfcRelAssignsToGroup進(jìn)行關(guān)聯(lián)。綠色建筑信息模型中IfcSpace通過(guò)屬性IfcRelSpaceBoundary與構(gòu)件元素之間形成實(shí)際或虛擬邊界，通過(guò)屬性IfcRelAssignsToGroup相互關(guān)聯(lián)形成IfcZone。一個(gè)IfcSpace能夠與一個(gè)或多個(gè)IfcZone相關(guān)聯(lián)。IfcMaterialDefinition是模型中所有材料信息的父類型，包括材料的形狀和材料的屬性等，IfcMaterial通過(guò)IfcRelAssociatesMaterial關(guān)聯(lián)形成構(gòu)件元素IfcElement。

圖3 基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型

因此，在選擇IFC作為BIM模型軟件和綠色建筑性能分析軟件信息交換的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采用以下流程：

(1)通過(guò)BIM建模軟件(如Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，選擇IFC2x3或IFC4標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出整個(gè)建筑項(xiàng)目BIM模型。

(2)將IFC文件導(dǎo)入綠色建筑性能分析軟件(如Ecotect、EnergyPlus等)。

(3)模型導(dǎo)入綠色建筑性能分析軟件后，根據(jù)需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)定分析條件，設(shè)置分析規(guī)則等。例如，光環(huán)境分析，應(yīng)首先開啟分析網(wǎng)格，設(shè)置分析網(wǎng)格數(shù)量和大小，設(shè)置分析條件。對(duì)于能耗分析應(yīng)首先檢查材質(zhì)設(shè)置是否正確、設(shè)置區(qū)域?qū)傩裕?jì)算區(qū)域體積和內(nèi)部相鄰區(qū)域，加載氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置分析條件等。

(4)按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》將評(píng)分項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并進(jìn)行項(xiàng)目整體綠色建筑分析。

3 基于gbXML的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

IFC作為當(dāng)前主流的BIM開放標(biāo)準(zhǔn)，仍存在綠建分析軟件與BIM模型之間互操作性較差問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，Bentley Systems在2000年發(fā)布gbXML標(biāo)準(zhǔn)1.0， 2015年發(fā)布最新的gbXML標(biāo)準(zhǔn)6.01。gbXML標(biāo)準(zhǔn)主要作用是促進(jìn)建筑信息模型的互操作性，使不同的BIM設(shè)計(jì)軟件和工程分析軟件之間能夠傳遞數(shù)據(jù)和模型整合。例如，常見的BIM工具和建筑性能分析軟件(Green Building Studio、Ecotect、VE等)均支持gbXML標(biāo)準(zhǔn)。由于gbXML格式的數(shù)據(jù)包含詳細(xì)的綠色建筑性能相關(guān)信息，因此在BIM設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)出gbXML格式的模型，能夠在分析工具中直接進(jìn)行分析。

表2 gbXML標(biāo)準(zhǔn)中主要節(jié)點(diǎn)元素

圖4 基于gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型

gbXML V-6.01共包含346個(gè)元素和167個(gè)數(shù)據(jù)類型，基本上涵蓋了建筑的環(huán)境、幾何形狀、建筑空間分割、系統(tǒng)設(shè)備和人員等信息[6]。其中g(shù)bXML的主要節(jié)點(diǎn)元素如表2所示。基于gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑性能分析模型如圖4所示，以Cpmpus為根節(jié)點(diǎn)，關(guān)聯(lián)Building和場(chǎng)地元素，建筑樓層和空間元素之間由BuildingStoreyId進(jìn)行關(guān)聯(lián)。構(gòu)件材質(zhì)信息和位置氣象信息由Construction和Weather提供，建筑設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)AirLoop、LightingSystem等元素提供[7]。

因此，在選擇gbXML作為BIM模型數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采用以下流程：

(1)通過(guò)BIM建模軟件建立BIM模型，并對(duì)BIM模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，例如刪除模型中非主要構(gòu)件，簡(jiǎn)化gbXML文件，設(shè)置模型詳細(xì)程度等；

(2)檢查簡(jiǎn)化模型及房間信息設(shè)置是否正確，導(dǎo)出gbXML文件；

(3)將gbXML文件導(dǎo)入綠色建筑性能分析軟件；

(4)模型導(dǎo)入綠色建筑性能分析軟件后，根據(jù)需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，例如：能耗分析需要檢查材質(zhì)； 檢查區(qū)域?qū)傩裕饕▍^(qū)域中設(shè)備能耗、運(yùn)行時(shí)間表等； 設(shè)置區(qū)域體積，執(zhí)區(qū)域體積計(jì)算，加載氣象數(shù)據(jù)資料； 最后進(jìn)行建筑總能耗和冷熱負(fù)荷分析；

(5)按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》將評(píng)分項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并進(jìn)行項(xiàng)目整體綠色建筑分析。

4 基于IFC與gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑性能分析實(shí)例驗(yàn)證

驗(yàn)證項(xiàng)目為某中學(xué)整體搬遷項(xiàng)目，選取其中行政樓和圖書館作為綠色建筑性能分析實(shí)例。行政樓為四層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度16.8m，建筑面積3 643.04m2。圖書館為三層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度16.20m，建筑面積3 426.56m2。該項(xiàng)目為公共建筑，綠色節(jié)能設(shè)計(jì)按《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015進(jìn)行設(shè)計(jì)，項(xiàng)目分析模型及周邊情況見圖5。

圖5 驗(yàn)證項(xiàng)目分析模型及周邊建筑情況

(1)基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑外部風(fēng)環(huán)境模擬

根據(jù)最新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求：“場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)環(huán)境有利于室外行走、活動(dòng)舒適和建筑的自然通風(fēng)，評(píng)分總分為6分”。本項(xiàng)目首先利用ArchiCAD建立BIM模型，如圖6所示。并且對(duì)模型做簡(jiǎn)化處理，只保留基本的幾何信息，將簡(jiǎn)化模型以IFC標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入到Ecotect中生成所需分析模型，最后在Ecotect軟件中建立周邊建筑的體量模型。風(fēng)環(huán)境模擬分析采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法CFD，利用插件WINAIR4進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬。

通過(guò)設(shè)置分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及在WINAIR中進(jìn)行計(jì)算，建筑項(xiàng)目場(chǎng)地冬季風(fēng)環(huán)境模結(jié)果包括：擬風(fēng)速等值線、風(fēng)壓等值線、三維風(fēng)向分布等，如圖7、圖8和圖9所示。通過(guò)模擬分析結(jié)果可以看出，場(chǎng)地內(nèi)1.5m高度建筑在冬季外部風(fēng)速均在2.0m/s之內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)壓范圍為-1Pa-2Pa，目標(biāo)建筑外部行人活動(dòng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)等值線分布較均勻，無(wú)明顯渦旋。目標(biāo)建筑冬季周邊行人區(qū)域風(fēng)速1.0m/s，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50378-2014)4.2.6條，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5m/s，并且行人活動(dòng)區(qū)域無(wú)明顯渦旋，因此滿足綠色建筑要求。

圖6 建筑項(xiàng)目BIM模型

圖7 建筑項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)速等值線分布圖

圖8 建筑項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)壓分布

圖9 建筑項(xiàng)目場(chǎng)地風(fēng)向分布圖

(2)基于gbXML標(biāo)準(zhǔn)的建筑熱環(huán)境分析

建筑熱環(huán)境分析通常以區(qū)域(Zone)為基礎(chǔ)，首先通過(guò)Revit建立實(shí)體模型并導(dǎo)通過(guò)gbXML標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Ecotect中，如圖10所示。通過(guò)前文分析，gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠建模型不包含建筑物理屬性、構(gòu)件厚度以及材料材質(zhì)等信息。因此需要在Ecotect中手工添加和設(shè)置綠建性能分析所需信息。例如，添加分析所需的建筑構(gòu)件信息，設(shè)置墻的材質(zhì)、物理屬性以及厚度信息，以及設(shè)置房間人員數(shù)量、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及溫度等信息。通過(guò)將項(xiàng)目地理位置及氣象信息導(dǎo)入Ecotect，根據(jù)影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素，熱環(huán)境分析結(jié)果包括該建筑全年逐月室內(nèi)能耗量(圖11)、逐月不舒適度分析(圖12)、被動(dòng)組分的熱分析(圖13)等。

圖10 建筑項(xiàng)目熱環(huán)境分析模型

圖11 建筑項(xiàng)目全年逐月室內(nèi)能耗量

圖12 建筑項(xiàng)目逐月不舒適度分析

圖13 建筑項(xiàng)目被動(dòng)組分的熱分析

5 結(jié)論

BIM技術(shù)是一種全新的信息技術(shù)，是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。IFC和gbXML均是BIM技術(shù)的重要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，也是解決建模軟件和綠色建筑分析軟件之間互操作性的關(guān)鍵和重點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和gbXML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的綠建信息表達(dá)方式，綠建信息的內(nèi)容以及不同標(biāo)準(zhǔn)BIM模型的適用性，提出了基于IFC和gbXML標(biāo)準(zhǔn)的綠色建筑信息模型的綠色建筑性能分析流程。同時(shí)將IFC和gbXML標(biāo)準(zhǔn)與綠色建筑性能分析相結(jié)合，探索不同軟件間信息共享的途徑，對(duì)解決BIM模型在信息交換過(guò)程中的“信息孤島”問(wèn)題提出了參考建議，也為拓寬BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍提供了技術(shù)路線。

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