暴穎慧，李 想，劉 莎

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

綠色建筑是傳統(tǒng)高能耗建筑向新型節(jié)能建筑轉(zhuǎn)型的第一產(chǎn)物。隨著節(jié)能理念發(fā)展的不斷深入，控制能源消耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成為建筑業(yè)的趨勢。研究表明，建筑設(shè)計階段在控制建筑能源消耗工作中占據(jù)著舉足輕重的地位，是建設(shè)項目生命周期中最有效、也是最容易把握的時機(jī)[1]。當(dāng)前，計算機(jī)仿真已經(jīng)成為建筑節(jié)能設(shè)計的重要工具，仿真模型的參數(shù)賦值往往依靠設(shè)計規(guī)范與設(shè)計師的知識儲備。如何科學(xué)高效地完成模型賦值并為設(shè)計師提供建筑設(shè)計方案的表現(xiàn)反饋與修正指導(dǎo)是提升設(shè)計效果的重要前提。目前，在建筑設(shè)計階段，利用能耗仿真軟件進(jìn)行建筑能耗模擬已成為不可或缺的程序?，F(xiàn)有的能耗仿真軟件一般遵循“建模—賦值—仿真”的基本流程，但在賦值階段，往往沒有較為完備的常規(guī)結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)參考信息庫，因此在操作時需要設(shè)計者具備足夠的建筑物理和建筑材料等方面的專業(yè)知識，否則會存在較大的盲目性。本體技術(shù)所具備的能夠囊括目標(biāo)領(lǐng)域內(nèi)的核心概念及典型實例、以及能夠?qū)χR進(jìn)行快速抽取的特性，可以有效地解決這個問題。另外，仿真操作的繁復(fù)性和結(jié)果的冗雜性容易導(dǎo)致在對設(shè)計方案進(jìn)行人工檢查與對比過程中出現(xiàn)程序繁瑣、出錯率高等問題，降低方案設(shè)計效率并影響最優(yōu)決策的質(zhì)量。相較之下，利用計算機(jī)語言編寫的推理程序具備運(yùn)算速度快、精度高以及邏輯性強(qiáng)等特性，能夠準(zhǔn)確快速地彌補(bǔ)人工操作的薄弱之處，實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計方案自動化檢查與對比。

基于以上背景，本文著眼于建筑節(jié)能設(shè)計工作，通過整理建筑節(jié)能設(shè)計方案中重要的概念、術(shù)語與設(shè)計參數(shù)，運(yùn)用本體論構(gòu)建建筑節(jié)能設(shè)計方案自動修正與評價的本體，將能耗仿真結(jié)果作為建筑設(shè)計方案的評價依據(jù)，并以行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)設(shè)計自動推理程序，實現(xiàn)對建筑節(jié)能設(shè)計方案不合規(guī)因素的自動檢查以及不同建筑節(jié)能設(shè)計方案間的自動對比，為設(shè)計人員對建筑節(jié)能設(shè)計方案進(jìn)行針對性的調(diào)整提供更加高效、精確的手段；在節(jié)省時間成本與人力成本的同時制定建筑節(jié)能設(shè)計方案的優(yōu)化決策，為降低建筑領(lǐng)域能源消耗提供助力。

1 研究方法

本體（Ontology）最初作為解釋客觀存在事物的本質(zhì)的哲學(xué)概念出現(xiàn)。自20世紀(jì)90年代起，部分學(xué)者[2~4]突破哲學(xué)領(lǐng)域體系，將本體滲透到其他學(xué)科，并逐步形成基本的定義。目前 Studer[5]提出的“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范”被廣泛認(rèn)可且最為成熟的定義。

近年來，隨著國內(nèi)外對本體技術(shù)研究的不斷深入，本體應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。建筑工程領(lǐng)域的相關(guān)成果也層出不窮。在建筑工程質(zhì)量控制方面，岳明宇等[6]根據(jù)工程活動中利益相關(guān)者與質(zhì)量信息的關(guān)系構(gòu)建了本體模型，為相關(guān)決策者進(jìn)行質(zhì)量管理提供幫助；劉欣等[7，8]根據(jù)《建筑工程質(zhì)量通病防治手冊》，借助本體技術(shù)提出了一種建筑工程質(zhì)量常見故障診斷模型，用于實現(xiàn)對建筑工程質(zhì)量常見故障的高效判定；胡云忠[9]、胡海盟[10]立足于建筑工程領(lǐng)域的規(guī)范，運(yùn)用本體技術(shù)對規(guī)范知識進(jìn)行抽取與處理，為規(guī)范的自動處理提供理論依據(jù)。在成本預(yù)算方面，劉喆[11]針對建筑工程招投標(biāo)階段，結(jié)合本體與BIM技術(shù)，研究了基于工程量清單計價模式的成本預(yù)算的自動化實現(xiàn)；劉欣等[12]根據(jù)《建設(shè)工程工程量清單計價規(guī)范（GB50500-2013）》，對IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，構(gòu)建成本估算本體模型，為實現(xiàn)成本估算知識在建筑領(lǐng)域中的共享提出新思路；Lee等[13]利用本體技術(shù)構(gòu)建了基于BIM的建筑成本預(yù)算系統(tǒng)，幫助成本估算人員更容易地使用BIM數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用本體針對建筑工程的質(zhì)量管理與成本預(yù)算的研究較為豐富，但在能耗控制方面的研究較少，因此本文立足于建筑設(shè)計階段對能耗控制進(jìn)行研究。

2 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價的本體構(gòu)建及推理實現(xiàn)

本體是實現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)知識架構(gòu)與復(fù)用的有力工具。建筑節(jié)能設(shè)計領(lǐng)域所涵蓋的知識體量龐大且駁雜[14]，具有極強(qiáng)的復(fù)用性，因此構(gòu)建建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體具有足夠的必要性與可操作性。

建筑節(jié)能設(shè)計方案的制定一般都著眼于總能耗、分項能耗、影響因素、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和效果評價五大模塊，執(zhí)行“設(shè)計并檢查初始方案→修改構(gòu)件參數(shù)→調(diào)整并檢查設(shè)計方案→方案對比評價→設(shè)計方案決策”的程序。據(jù)此，在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體設(shè)計時以能耗值的調(diào)整作為主軸線，將原建筑總能耗進(jìn)行分解得到各分項能耗，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有針對性的調(diào)整得到調(diào)整后的分項能耗，將其合并后得出總能耗。在進(jìn)行調(diào)整時，涉及到兩個重要環(huán)節(jié)：一是建筑節(jié)能設(shè)計方案的合規(guī)檢查，需要立足于建筑節(jié)能設(shè)計方案的各分項能耗進(jìn)行操作；二是建筑節(jié)能設(shè)計方案調(diào)整效果的評價，與方案調(diào)整前后總能耗與分項能耗均有關(guān)系。對此，本文構(gòu)建了建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體，設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體設(shè)計框架

從整體來看，建筑分項能耗是貫穿本體模型的重要線索。建筑分項能耗直接決定建筑節(jié)能設(shè)計方案的合規(guī)性；建筑總能耗與分項能耗決定建筑節(jié)能設(shè)計方案的評價水平。但建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體的核心并不是建筑分項能耗。其核心環(huán)節(jié)是根據(jù)影響因素中涵蓋子類所涉及的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。因此本體在影響因素模塊中詳細(xì)羅列了常規(guī)項目。另外，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也是本體的重要組成部分。建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB50189-2015）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），在本體中錄入該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，通過比對建筑節(jié)能設(shè)計方案的相關(guān)數(shù)值，實現(xiàn)對調(diào)整前后建筑節(jié)能設(shè)計方案的合規(guī)性檢查。此外，節(jié)能效果評價也很重要。利用EnergyPlus進(jìn)行仿真并計算得出調(diào)整前后建筑節(jié)能設(shè)計方案的總能耗值與各分項能耗值，以能耗值改變程度為評判標(biāo)準(zhǔn)，對比并分析建筑節(jié)能設(shè)計方案的調(diào)整效果。

2.1 本體構(gòu)建

結(jié)合本體設(shè)計框架，本文采用七步法[15]構(gòu)建本體。在綜合考慮本體的拓展性、復(fù)用性等因素的前提下，將建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體分為建筑總能耗、建筑分項能耗、影響因素、效果評價、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)五大部分，并依靠對象屬性相互聯(lián)結(jié)。

2.1.1 定義類和類的層次結(jié)構(gòu)

在 Protégé中建立“原建筑總能耗”“原分項能耗”“影響因素”“調(diào)整后建筑總能耗”“調(diào)整后分項能耗”“建筑節(jié)能設(shè)計方案調(diào)整后評價”“公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”7個一級子類，再分別在其下建立相應(yīng)的子類，逐步細(xì)化。由于描述內(nèi)容不同，其細(xì)化程度也存在著一定的差異。

取本體模型中一級子類“影響因素”為例，以“影響因素”為起始點，劃分出“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”“照明系統(tǒng)”等 5個二級子類，共同構(gòu)成建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體“影響因素”的基本層。以此為基礎(chǔ)，將“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”進(jìn)一步劃分成“外墻”“內(nèi)墻”等 6個三級子類，與其他二級子類的三級子類共同構(gòu)成“影響因素”的中間層。再繼續(xù)細(xì)化，從“外墻”引申出“外墻結(jié)構(gòu)層”“外墻砂漿層”等 3個四級子類，設(shè)定為“影響因素”的拓展層。上述程序僅詳細(xì)描述了本體中“影響因素”→“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”→“外墻”類的構(gòu)建，通過同樣方法對其他子類進(jìn)行構(gòu)建，從而完成建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價的本體。圖2為該本體類的層次結(jié)構(gòu)圖。

2.1.2 定義類的屬性

完成本體類和類的結(jié)構(gòu)層次構(gòu)建后，需要對本體的屬性關(guān)系進(jìn)行定義。本體包含兩種屬性類型，一是對象屬性，側(cè)重于描述類與類之間的關(guān)系；二是數(shù)據(jù)屬性，用來描述類的自身屬性。

（1）定義本體的對象屬性。針對建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體中類與類、類與子類、子類與子類等之間的關(guān)系進(jìn)行整理，本文定義了Comprise（組成）、Determine（決定）、Influence（影響）、Obey（服從）及其子屬性與逆屬性共16種對象屬性，如表1所示。

圖2 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體類的層次結(jié)構(gòu)圖

表1 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體中對象屬性

（2）確定本體的數(shù)據(jù)屬性。與對象屬性不同的是，數(shù)據(jù)屬性必須由類的具體實例指向具體的數(shù)值，因此數(shù)據(jù)屬性只針對于不同子類的實例設(shè)置。針對建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體中各個類及子類涵蓋的不同實例，本文建立了“SHGC”“U-factor”等14種與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性。

2.1.3 創(chuàng)建類的實例

從宏觀角度來看，類和類的層次結(jié)構(gòu)、類的屬性構(gòu)成了本體的框架；而添加領(lǐng)域內(nèi)的具體實例、確定其類型并添加正確的屬性及約束才是一個具有實際意義與應(yīng)用價值的本體。在添加實例時，選擇該實例的所屬類型，并定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性即可。本文針對建筑節(jié)能設(shè)計方案的設(shè)計與調(diào)整中常規(guī)結(jié)構(gòu)與材料、設(shè)備與行為等進(jìn)行了搜集與歸納，形成了基本參考信息庫，供設(shè)計人員讀取相關(guān)信息。至此，建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體模型基本建立完成。

圖3展示了本體中7個一級子類以及各類之間的關(guān)系。設(shè)計人員可以迅速了解本體的框架信息。利用 Protégé還可得到表達(dá)各類及子類之間直接與間接關(guān)聯(lián)的類及子類間關(guān)系圖，為建筑節(jié)能設(shè)計方案的設(shè)計、調(diào)整、檢查、評價提供指導(dǎo)。將其進(jìn)行擴(kuò)展還可得到添加了實例的所有類及子類之間的關(guān)系圖，囊括了本體模型的全部信息，設(shè)計人員可以直接讀取所需實例的對象屬性與數(shù)據(jù)屬性。該本體為使用者提供了一個基本的常規(guī)結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)信息庫。目前該本體模型還未完善，這也印證了本體可以不斷擴(kuò)充與優(yōu)化的特點。在后期不斷地修改與更新之后，本體會趨于全面和完善。

圖3 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體中類間關(guān)系圖

2.2 推理實現(xiàn)

構(gòu)建建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價本體的目的是建立領(lǐng)域內(nèi)知識的儲備平臺，便于設(shè)計者對相關(guān)信息進(jìn)行提取和調(diào)用。而要實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價的自動化運(yùn)行則必須依靠推理。推理的目標(biāo)功能包括實現(xiàn)調(diào)整前后建筑節(jié)能設(shè)計方案的自動合規(guī)性檢查和自動對比評價。

2.2.1 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查推理

建筑節(jié)能設(shè)計方案的合規(guī)性檢查旨在將建筑節(jié)能設(shè)計方案中存在的不合規(guī)因素從類別和程度兩個方面明確地表達(dá)出來，實現(xiàn)與EnergyPlus仿真結(jié)果的銜接，彌補(bǔ)仿真軟件手動操作中的不足。在構(gòu)建圍護(hù)結(jié)構(gòu)合規(guī)檢查的推理框架時，主要從如下3個層面出發(fā)：第一層為數(shù)據(jù)輸入層。首先確定要進(jìn)行檢查的系統(tǒng)，輸入建筑設(shè)計方案中的相關(guān)數(shù)據(jù)（例如建筑外表面積、建筑包圍體積、窗戶洞口面積等），計算得到對應(yīng)的熱工性能參數(shù)；第二層為標(biāo)準(zhǔn)檢查層，是推理框架的核心層。以《標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)，利用Python編寫可被讀取并運(yùn)行的代碼，這是實現(xiàn)合規(guī)檢查自動化的關(guān)鍵程序。結(jié)合《標(biāo)準(zhǔn)》中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計中的規(guī)定，本文以氣候分區(qū)為檢查主路徑，延伸并細(xì)化相對應(yīng)的分支，輸入相關(guān)熱工性能的限制要求，將第一層中的計算參數(shù)與《標(biāo)準(zhǔn)》對比，實現(xiàn)預(yù)期檢查功能；第三層為結(jié)果輸出層。通過核心層的系列程序完成方案的檢查后，本文將各項熱工性能的檢查結(jié)論以列表形式輸出，使設(shè)計者能夠快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中不合規(guī)因素及其與《標(biāo)準(zhǔn)》的偏差程度。具體框架如圖4所示。

圖4 建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查推理框架

在實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查推理的過程中，程序編寫是最核心的環(huán)節(jié)。程序編寫要立足于詳細(xì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ㄅc流程。以嚴(yán)寒地區(qū)（A、B兩地）甲類建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外窗部分的熱工性能合規(guī)判定為例，該方案合規(guī)檢查的推理流程如圖5所示。

圖5 基于Python的建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查推理流程

2.2.2 建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理

相較于合規(guī)檢查而言，建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理的實現(xiàn)較為簡單。主要思路為對調(diào)整前后總能耗及分項能耗值進(jìn)行對比，根據(jù)計算所得的調(diào)整百分比分析方案的調(diào)整效果。建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理設(shè)定了從“調(diào)整效果差”至“調(diào)整效果好”（以±0.1與0為界）5個不同程度的調(diào)整效果評價結(jié)論。建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理流程如圖6所示。

圖6 基于Python的建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理流程

3 案例研究

為了驗證建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價自動推理系統(tǒng)功能，本文基于本體模型中的部分實例，提取了相關(guān)的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)，對3個建筑節(jié)能設(shè)計方案進(jìn)行分析。

案例建筑位于我國遼寧省大連市（寒冷地區(qū)），建筑面積為 6795.61m2，建筑體積為43452.24m3，建筑外表面積（含窗）為 7489.86m2，外窗總面積為 1412.15m2，設(shè)計層數(shù)為地上五層，首層層高5.2m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9m，建筑用途為甲類辦公建筑。

3.1 合規(guī)檢查

建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查推理程序的目標(biāo)功能是實現(xiàn)設(shè)計方案的合規(guī)與否及偏差程度結(jié)論的自動輸出。結(jié)合國內(nèi)建筑的設(shè)計方案與本體模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，本文擬定了一個基本方案（方案I）進(jìn)行分析。具體設(shè)計信息如表2所示。將相關(guān)參數(shù)值輸入合規(guī)檢查推理程序中，輸出結(jié)果如表3所示。

表2 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅰ參數(shù)設(shè)計表（圍護(hù)結(jié)構(gòu)）

表3 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅰ合規(guī)檢查結(jié)果

方案I合規(guī)檢查結(jié)果顯示：屋面、外墻、外窗的傳熱系數(shù)以及外窗的SHGC值不合格，不能繼續(xù)進(jìn)行能耗仿真。因此對方案進(jìn)行修正。修正后的方案II的設(shè)計如表4所示。將方案II輸入合規(guī)檢查推理程序，結(jié)果如表5所示。

表4 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅱ參數(shù)設(shè)計表（圍護(hù)結(jié)構(gòu)）

表5 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅱ合規(guī)檢查結(jié)果

由運(yùn)行結(jié)果可知，經(jīng)調(diào)整得到的方案II中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計完全滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 效果評價

根據(jù)合規(guī)檢查結(jié)論，可以繼續(xù)進(jìn)行能耗仿真模擬計算。將方案 II的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入至 EnergyPlus軟件中獲得其分項能耗值。為了實現(xiàn)對建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理程序的驗證，本文將不同的設(shè)計方案輸入程序中運(yùn)行。因此，將方案II中的部分參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，得到方案III，設(shè)計信息如表6所示。

同樣，針對方案 III的首要操作是自動完成合規(guī)性檢查，運(yùn)行結(jié)果（見表 7）說明該方案符合標(biāo)準(zhǔn)。

將方案III再次輸入EnergyPlus進(jìn)行仿真，提取各分項能耗值。把方案II和方案III的能耗信息輸入評價推理程序，運(yùn)行結(jié)果如表8所示。

表6 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅲ參數(shù)設(shè)計表（圍護(hù)結(jié)構(gòu)）

表7 建筑節(jié)能設(shè)計方案Ⅲ合規(guī)檢查結(jié)果

表8 建筑節(jié)能設(shè)計方案評價推理結(jié)果

據(jù)此，經(jīng)調(diào)整所得的方案 III在能耗評價方面優(yōu)于方案 II，調(diào)整比大于-0.1，調(diào)整效果較好，因此方案Ⅲ是較優(yōu)的建筑節(jié)能設(shè)計方案。

綜上，實例的運(yùn)行與分析過程驗證了建筑節(jié)能設(shè)計方案合規(guī)檢查與評價推理程序的目標(biāo)功能，該程序可行，能夠高效、準(zhǔn)確地完成建筑節(jié)能設(shè)計方案自動合規(guī)檢查與評價。

4 結(jié)語

本文借助本體技術(shù)，構(gòu)建了涵蓋建筑節(jié)能設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)核心概念與典型實例的本體，使得設(shè)計者在進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計時，能夠科學(xué)高效地利用本體找到所需參數(shù)完成仿真模型的賦值，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑節(jié)能設(shè)計操作的盲目性。在此基礎(chǔ)上，利用python程序設(shè)計了建筑節(jié)能設(shè)計方案的合規(guī)檢查與評價推理規(guī)則，實現(xiàn)了建筑節(jié)能設(shè)計方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不合規(guī)因素的自動分項輸出及不同方案間總能耗與分項能耗的對比效果的自動輸出，改善了設(shè)計者進(jìn)行人工檢查與對比時存在的程序繁瑣且出錯率高等不足；另外還準(zhǔn)確且直觀地為設(shè)計者提供建筑節(jié)能設(shè)計方案的表現(xiàn)反饋與修正建議，在節(jié)省時間與人力成本的同時，大幅度降低了制定建筑節(jié)能設(shè)計方案的復(fù)雜程度，使設(shè)計者能夠更高效、準(zhǔn)確、便捷地完成建筑節(jié)能方案的設(shè)計與優(yōu)化，為建筑領(lǐng)域能源節(jié)約提供助力。