黃羹墻

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引言

根據(jù)國(guó)際能源組織的數(shù)據(jù)，全球能源消耗總量的1/3被建筑行業(yè)所消耗。隨著人口的增長(zhǎng)以及城市化進(jìn)程的加快，建筑行業(yè)的能源消耗在持續(xù)增加。其中，公共建筑在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的能源浪費(fèi)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，有很大的節(jié)能空間。建筑能源管理（Building energy management，BEM）是在建筑運(yùn)營(yíng)階段一項(xiàng)有效的節(jié)能管理措施。近年來(lái)，我國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部和地方政府陸續(xù)頒布了相應(yīng)的政策文件，大力推進(jìn)公共建筑能源管理平臺(tái)的建設(shè)。但是，目前的能源管理系統(tǒng)存在著“信息孤島”問(wèn)題，以及監(jiān)測(cè)到的能耗數(shù)據(jù)沒(méi)有得到深度挖掘，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制等。隨著建筑信息模型（Buliding Information Model，BIM）技術(shù)的發(fā)展，借助BIM技術(shù)在三維可視化、信息集成化和模擬分析等方面的優(yōu)勢(shì)，可以在一定程度上解決能源管理系統(tǒng)現(xiàn)存的問(wèn)題。本文將BIM技術(shù)融入到公共建筑的能源管理過(guò)程中，構(gòu)建基于BIM的公共建筑能源管理系統(tǒng)，以期達(dá)到提高公共建筑能源管理效率的目的。

2 BIM應(yīng)用在建筑能源管理中的相關(guān)研究

BIM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，它可以將建設(shè)工程項(xiàng)目中各種相關(guān)信息集成到三維數(shù)字模型中，應(yīng)用于建筑生命周期的所有階段，如規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段，具有直觀性、數(shù)據(jù)完整性、集中性、可擴(kuò)展性等特征，可以達(dá)到協(xié)同工作、提高效率、降低成本的目的。

近年來(lái)，BIM與公共建筑能源管理的融合受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，BIM在能源管理領(lǐng)域的研究主要集中在建筑能源可視化監(jiān)測(cè)和能源統(tǒng)計(jì)分析方面。如：文獻(xiàn)[1]進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)與BIM的集成，搭建基于BIM的智慧運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，可用于能源的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)反饋；文獻(xiàn)[2]以武漢國(guó)際博覽中心為研究對(duì)象，采用BIM技術(shù)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能和系統(tǒng)架構(gòu)；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的BIM能耗監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于上海某電力工程項(xiàng)目中，為樓宇節(jié)能運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)和有效手段；文獻(xiàn)[4]表明將能源分析工具與BIM模型聯(lián)系起來(lái)，有助于加快能源分析過(guò)程，提供更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的結(jié)果，有助于預(yù)測(cè)和優(yōu)化能源消耗，達(dá)到節(jié)能的效果。多項(xiàng)研究表明，將BIM應(yīng)用于能源管理可以有效提高建筑的能源效率，但是，數(shù)據(jù)集成、能耗分析、能源優(yōu)化控制的局限性等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

3 基于BIM的公共建筑能源管理系統(tǒng)

本文基于BIM技術(shù)采用三層框架體系：設(shè)備層、傳輸層和應(yīng)用層構(gòu)建出公共建筑能源管理系統(tǒng)，其框架如圖1所示。

圖1 基于BIM的公共建筑能源管理系統(tǒng)框架

設(shè)備層負(fù)責(zé)采集各類相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，如用電數(shù)據(jù)、用水?dāng)?shù)據(jù)、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室內(nèi)照度等，以及接收優(yōu)化控制指令調(diào)整設(shè)備運(yùn)行；傳輸層采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（如zigbee網(wǎng)絡(luò)）將設(shè)備層采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，并把應(yīng)用層的控制指令傳輸給設(shè)備層，起到上下銜接作用；應(yīng)用層包括BIM 建模、能耗優(yōu)化、能耗展示及查詢模塊。

系統(tǒng)的整體工作過(guò)程為：首先，建立目標(biāo)建筑的BIM模型，從中提取建筑本體屬性信息。通過(guò)目標(biāo)建筑安裝的分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置和環(huán)境傳感器監(jiān)測(cè)能耗信息和環(huán)境信息。將以上信息整合到集成的BIM模型，然后對(duì)其進(jìn)行能耗分析和評(píng)估，并提出優(yōu)化策略，最后控制設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.1 創(chuàng)建或優(yōu)化BIM模型，并導(dǎo)出建筑本體屬性信息

若目標(biāo)建筑尚無(wú)BIM模型，需要采用Autodesk Revit軟件創(chuàng)建其建筑本體及其內(nèi)部相關(guān)設(shè)備的BIM模型，精度應(yīng)不低于300LOD，并且在模型中將建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)元件的所有所需熱特性和幾何特性正確分配給不同的元件。若目標(biāo)建筑在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)創(chuàng)建BIM模型，需將其優(yōu)化完善。然后將建筑本體屬性信息導(dǎo)出到集成的BIM模型。建筑本體屬性信息主要包括：

（1）建筑物的幾何特征，包括形狀、尺寸、布局和構(gòu)造組件;

（2）建筑物的環(huán)境特征，包括環(huán)境條件、空間分布和資源利用;

（3）建筑物的功能特征，包括功能空間、設(shè)備設(shè)施、管理流程和維護(hù)需求;

（4）建筑物的生命周期特征，包括設(shè)計(jì)、施工、使用、維護(hù)和拆除等階段。

3.2 能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)采集

依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》[5]，能耗數(shù)據(jù)采集指標(biāo)劃分為分類能耗和分項(xiàng)能耗兩種，分類能耗包括電量、水耗量、燃?xì)饬康?項(xiàng)，每一項(xiàng)分類能耗又能分為多種分項(xiàng)能耗，如電量又分為照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)分項(xiàng)。在目標(biāo)建筑的分項(xiàng)用能設(shè)備源頭安裝分項(xiàng)計(jì)量裝置，可獲取具體的能耗數(shù)據(jù)。此外，安裝溫度、濕度、照度傳感器等分別采集室內(nèi)溫度、濕度、照度等環(huán)境信息。分項(xiàng)計(jì)量裝置和環(huán)境傳感器應(yīng)具備以小時(shí)的頻率實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)的功能。

3.3 在系統(tǒng)中集成BIM數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)

集成的BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)中包括兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)，第一個(gè)部分是靜態(tài)數(shù)據(jù)，主要為建筑本體屬性信息，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在BIM模型的IFC（Industrial Foundation Classes）格式文件中，IFC是一種用于建筑行業(yè)的數(shù)字化建模格式，它可以用于存儲(chǔ)和交換BIM數(shù)據(jù)，IFC格式文件可以使BIM模型在多個(gè)不同的軟件應(yīng)用程序之間共享，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的建筑數(shù)據(jù)集成和交換。第二個(gè)部分是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即分項(xiàng)計(jì)量裝置和傳感器采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（SQL）查詢。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的集成方法如圖2所示，基本步驟可歸納為以下幾點(diǎn)：

圖2 數(shù)據(jù)集成方法

（1）將分項(xiàng)計(jì)量裝置和傳感器采集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL server中并更新；

（2）在Revit中創(chuàng)建的BIM模型可以采用BIM的可視化編程工具Dynamo導(dǎo)出為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)格式；

（3）定義數(shù)據(jù)庫(kù)模式，明確分項(xiàng)計(jì)量裝置和傳感器的虛擬對(duì)象和物理實(shí)體之間的關(guān)系。虛擬對(duì)象可以使用全局唯一標(biāo)識(shí)（GUID）與物理實(shí)體關(guān)聯(lián)；

（4）通過(guò)應(yīng)用程序編程接口（API）實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和BIM模型的雙向?qū)牒蛯?dǎo)出；

（5）通過(guò)基于Revit的圖形用戶界面（GUI）和直接查詢SQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

用這種方法完成BIM數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)的集成比較簡(jiǎn)單易行，并且通過(guò)定制API，可以讓傳感器數(shù)據(jù)在BIM工具中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新。

3.4 能耗優(yōu)化

目標(biāo)建筑的能源消耗量可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)預(yù)處理的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)能夠預(yù)測(cè)建筑物能耗的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。輸入層根據(jù)目標(biāo)建筑的本體屬性信息、能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)；隱藏層的層數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和預(yù)測(cè)的精度要求；輸出層為未來(lái)時(shí)段的建筑能耗，這也是系統(tǒng)所要分析的能源需求。然后對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并評(píng)估預(yù)測(cè)效果，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到得到滿意的結(jié)果。最后，使用訓(xùn)練好的模型預(yù)測(cè)目標(biāo)建筑的能耗。將預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，得出能耗異常數(shù)據(jù)，為用戶提供優(yōu)化建議，并可向執(zhí)行器發(fā)送指令，控制設(shè)備的運(yùn)行。

3.5 輕量化展示

由于BIM模型文件包含大量的細(xì)節(jié)和復(fù)雜的幾何圖形，導(dǎo)致文件過(guò)大。輕量化技術(shù)可以通過(guò)移除冗余數(shù)據(jù)、壓縮數(shù)據(jù)、優(yōu)化圖形和調(diào)整文件結(jié)構(gòu)來(lái)減少模型文件的大小，從而有助于提高模型文件的效率和可用性，改善用戶體驗(yàn)。BIM輕量化展示的平臺(tái)主要有兩種：一種是基于云端的平臺(tái)，可以使用在線模型瀏覽器進(jìn)行展示；另一種是基于移動(dòng)端的平臺(tái)，使用移動(dòng)設(shè)備如平板電腦或智能手機(jī)等進(jìn)行展示。這兩種平臺(tái)都不需要使用者具有較高的軟件技術(shù)水平，因而可操作性強(qiáng)。將集成的BIM模型接入可用于二次開(kāi)發(fā)的BIM輕量化展示平臺(tái)（如廣聯(lián)達(dá)BIMFACE），可以直觀地在三維模型中動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前時(shí)段的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，可在用戶友好的界面調(diào)出未來(lái)時(shí)段的能耗趨勢(shì)圖表、歷史時(shí)段的能耗數(shù)據(jù)圖表，并可生成能源報(bào)告。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于BIM的公共建筑能源管理系統(tǒng)框架，并說(shuō)明該系統(tǒng)的工作過(guò)程和涉及到的關(guān)鍵技術(shù)?；贐IM的公共建筑能源管理系統(tǒng)能夠提高能源使用效率，并降低能源消耗，同時(shí)還能提高建筑的運(yùn)行效率，減少維護(hù)和管理的費(fèi)用，提高公共建筑的整體價(jià)值。系統(tǒng)的節(jié)能效果是由一系列因素決定的，這些因素包括使用BIM技術(shù)構(gòu)建模型的精細(xì)程度、能源使用情況的監(jiān)測(cè)和分析、數(shù)據(jù)集成組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及相關(guān)的管理措施的實(shí)施情況等。未來(lái)還需要進(jìn)一步研究，以充分挖掘BIM 技術(shù)在能源管理領(lǐng)域的潛力。