2019, Vol. 51
2. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室(清华大学), 北京 100084
2. National Engineering Lab for Green and Safe Construction Technology in Urban Rail Transit (Tsinghua University), Beijing 100084, China
为促进建筑节能，从2007年起建设部试点对公共建筑进行能耗监测.截至2016年底，累计监测建筑数量已达到1.1万余栋[1].将累积的海量建筑能耗监测数据用于建筑节能意义重大.如何利用则是关键技术问题.近年来兴起的大数据技术[2]正适合解决这个问题.然而，运用大数据技术分析这些海量的监测数据时，一方面需要获得监测的能耗数据，例如用电量等；另一方面需要获得与之对应的建筑能耗监测静态数据(包括其机电系统的静态数据)，例如建筑面积、设备功率等，以便进行能耗指标的分析和比较.虽然在现存的各建筑能耗监测系统中均可人工录入部分建筑能耗监测静态数据，但这一过程费时费力、易出错，且录入的数据不能完全满足大数据应用的需求.
BIM技术的发展已使建立BIM模型更加容易，利用BIM模型可以高效获取所需的建筑能耗监测静态数据.建筑及其机电系统的BIM模型一般由设计人员应用相应的BIM建模软件按专业分别建立.例如，建筑专业的人员利用Revit Architecture或ArchiCAD等软件建立建筑模型，结构专业的人员利用Revit Structure或Tekla Structures等软件建立结构模型，给水排水、供暖通风、电气等专业的情况也类似.因为对于指定专业，可能使用来自不同厂商的BIM建模软件建立模型，所以难以保证既有BIM模型格式的统一，这为从BIM模型中提取数据带来了障碍.BIM模型数据标准——IFC标准的发展为方便从BIM模型中提取数据提供了条件.目前主流建模软件均已支持IFC标准，使得BIM模型数据能以IFC文件形式导出.但是，因为IFC文件内容覆盖建筑工程全生命周期多阶段、多专业，而且格式复杂，因此其数据提取方法往往需要专门研究.
目前在建筑节能领域已有从IFC文件中提取数据的研究.Kim等[3]把IFC文件中有关建筑能耗模拟的数据映射到建筑能耗分析模型中，避免了建筑节能分析所需的建筑几何、围护结构和暖通空调等相关数据的重复输入，提高了效率和准确率.Andriamamonjy等[4]用Python语言和开源软件库IfcOpenShell[5]等工具，建立从IFC文件中提取使用Modelica软件进行建筑能耗模拟所需要的建筑静态数据.Pinheiro等[6]从IFC文件向建筑能耗模拟软件传输数据，解决了模拟过程中手动输入数据低效且易出错的问题.但是，迄今为止，在建筑能耗监测方面，尚未见从BIM模型中提取建筑能耗监测所需静态数据的研究.
本研究的目的是，建立从建筑及其机电系统的BIM模型中提取建筑能耗监测静态数据的方法.本文首先分析建筑能耗监测静态数据的组成；然后分析IFC标准的特点，并建立基于IFC标准的建筑能耗静态信息模型；最后建立提取建筑能耗监测静态数据的方法，并通过开发程序对该方法进行验证.
1 建筑能耗监测静态数据与IFC标准 1.1 建筑能耗监测静态数据分析2008年建设部发布了《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》[7](以下简称“导则”).2014年，在导则的基础上，建设部发布了JGJ/T 285—2014《公共建筑能耗远程监测系统技术规程》[8](以下简称“规程”).二者均规定了在能耗监测系统中需要录入的基本数据.但是，导则、和规程中规定需要录入的建筑基本数据都是关于建筑整体的数据，且缺少机电系统的相关静态数据.面向大数据应用，为充分利用分别对应于不同楼层、甚至不同房间等各个粒度的数据，本研究在之前的工作中，使用面向对象方法，建立了相应的信息模型.该模型简化后如图 1所示，其中包括建筑及其机电系统的实体.该模型用以反映每一条能耗监测数据记录对应的用能场所、能耗载体、用能主体、能耗计量装置等方面的静态数据.上述静态数据可划分为不同的粒度.例如，用能场所分6级粒度，从建筑群到房间及走廊粒度递减；能耗载体和用能主体均分为4级粒度.这些不同粒度的实体均具有对应的属性，例如，用能场所的建筑实体有“建筑面积”、“建筑外墙材料形式”、“建筑外墙厚度”和“建筑外墙窗墙比”等属性，能耗载体的用能设备实体有“设备品牌”、“设备型号”和“额定功率”等属性，用能主体的单位实体有“单位性质”和“工作时间”等属性.而这些实体及其属性信息即为所需的建筑能耗监测静态数据.
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图 1 建筑能耗监测静态数据模型(已简化) Fig. 1 Building energy monitoring static data model (simplified) |
IFC标准是由国际组织buildingSMART制定的BIM模型数据标准，已被接纳为国际标准化组织(ISO)标准，现已更新到IFC4x1版[9].目前主流的BIM应用软件均支持IFC标准，大多数软件支持的版本是IFC2x3、IFC4.IFC标准使用面向对象的方法定义了6种类型数据，包括实体、类型、规则、函数、属性集和数量集.IFC实体通过自身的属性及父类的属性、关联属性集和关联数量集等方式进行信息的描述.
IFC标准使用了EXPRESS语言表示.EXPRESS语言是关于产品全生命周期的数据表达与交换的国际标准STEP(standard for the exchange of product model data)使用的一种概念模式语言[10].EXPRESS-G是EXPRESS语言对应的一种模型图形表示方法，该方法既可与EXPRESS语言对应，也可独立存在，可用于直观地表达实体之间的关系.
2 基于IFC标准的建筑能耗监测静态信息模型及其相关模型 2.1 从IFC文件提取建筑能耗监测静态数据的方法分析根据上述分析，可将BIM模型以IFC文件形式导出，再从IFC文件提取所需的数据.这就需要建立建筑能耗监测静态数据模型中的实体及其属性与IFC标准中定义的实体及其属性的对应关系.
逐一分析两者之间的对应关系后得知，存在两种情况，一种是不存在对应的IFC实体；一种是存在对应的IFC实体.对于前者可进行实体扩展或者使用其他实体代替.对于后者，则可继续查找对应的属性，这里又存在3种情形，第一种是IFC标准中定义了该属性，对此直接提取即可；第二种是IFC标准中未定义该属性，但能根据IFC文件中其他相关数据导出；第三种是IFC标准既未定义该属性，也不能从模型中导出.对于后者的前两种情形，都可通过编制程序从IFC文件中提取数据，从而节约人工且避免部分数据的录入错误，对于另一种情形，则无法从BIM模型中提取.
2.2 根据所需的静态数据扩展IFC标准鉴于IFC标准不能完全表达所需的建筑能耗监测静态数据，有必要对IFC标准进行扩展，从而可使BIM模型中的相关数据可导入到IFC文件中.主要的扩展方法有3种：其一，增加IFC实体类型，该方法是对IFC标准模型的扩充，该方法涉及标准制定的复杂流程，一般在IFC版本更新时使用；其二，使用IfcProxy或IfcBuildingElementProxy扩展，通过实例化该实体并结合属性集等对未定义的实体进行表达，该方法容易实现；其三，增加属性集，通过用户自定义属性集，该方法相对容易实现.在本研究中，对IFC标准中不能直接表达的实体将采取第二种方法进行扩展；对IFC标准不能表达的属性采取第三种方法扩展.例如，本研究针对办公建筑扩展了的属性集，该属性集名称为办公建筑扩展信息，适用于实体IfcBuilding，应用值类型为实体属性PredefinedType的任意值，表 1是该属性集包含的5个属性的定义.本研究根据需求共扩展了22个属性集，详见表 2.
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表 1 办公建筑特有扩展属性集中的属性定义 Tab. 1 Properties definition of extended property sets for office building |
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表 2 扩展属性集汇总 Tab. 2 Summary of extended property sets |
根据已经建立的建筑能耗监测静态数据模型并结合IFC标准，针对用能场所、能耗载体、用能主体以及它们涉及的属性信息，分别建立了基于IFC标准的信息模型.在此基础上建立了基于IFC标准的建筑能耗静态信息模型.建立该模型的目的是，在IFC标准包含的大量实体中筛选出相关实体，并梳理其相互关联，为编写提取所需数据的程序打下基础.对这些模型均使用EXPRESS-G表示，以便于程序开发人员从中提取数据.
为了便于理解，下文首先介绍如图 2所示的总模型，再分别介绍图 3~6的分模型.图 2反映各分模型之间的关联关系，虚线框内为各分模型的主要实体，虚线框外的实体为较高层级的实体，灰色矩形中的实体为关系实体.
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图 2 基于IFC标准的建筑能耗监测静态信息模型 Fig. 2 Static information model for building energy consumption monitoring of buildings based on IFC standard |
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图 3 基于IFC标准的用能场所信息模型 Fig. 3 Energy-consuming venue information model based on IFC standard |
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图 4 基于IFC标准的能耗载体信息模型 Fig. 4 Energy carrier information model based on IFC standard |
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图 5 基于IFC标准的用能主体信息模型 Fig. 5 Energy-consumer information model based on IFC standard |
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图 6 基于IFC标准的建筑及其机电系统属性信息模型 Fig. 6 Building and related electromechanical systems information model based on IFC standard |
图 3表示基于IFC标准的用能场所信息模型.该模型中IfcProject、IfcBuilding、IfcBuildingStorey、IfcSpace分别表示建筑群或建筑、楼栋、楼层、房间，它们通过关系实体相关联.关系实体有多种，均为IfcRelationship的子类，例如IfcRelAggregates是属于表示组合-分解(整体-部分)关系的实体.如图 4示，在IFC标准中，用能系统、用能设备可用IfcDistributionSystem、IfcDistributionElement表示.IfcDistributionSystem的PredefinedType属性包含了部分本研究定义的系统类型，对于不能直接表达的系统类型可以取Userdefined进行自定义.具体的用能设备是IfcDistributionElement的子类.例如，锅炉用IfcBoiler表示.需要特别说明的是，在IFC标准中，电梯用IfcTransportElement表示，它和IfcDistributionElement均为IfcElement的子类.限于篇幅，各设备与其对应的IFC实体不再具体说明.图 5为基于IFC标准的用能主体信息模型，IfcPerson可表示用能个人，IfcOrganization可表示各级用能单位.
另外，可通过关联属性集和数量集等方式描述IFC实体未包含的属性.图 6为基于IFC标准的建筑及其机电系统属性信息模型，它是IFC标准对各用能场所、能耗载体、用能主体等实体的相关属性的表达，属性信息主要涉及实体自身的和父类的属性，以及适用于该实体的属性集IfcPropertySet和数量集IfcQuantitySet，后二者均相当于一个容器，可装载属性信息和数量信息.数量集表达的信息是物体固有的数量信息，例如梁的长度、体积等，而属性集则多是人为定义的信息，例如梁的型号、名称等.属性集里的属性用IfcProperty表达，数量集里的数量信息用IfcPhysicQuantity表达.
3 建筑能耗监测静态数据提取方法及其验证 3.1 建筑能耗监测静态数据提取方法根据建立的基于IFC标准的建筑能耗监测静态信息模型，本研究明确所需的建筑能耗监测静态数据在IFC标准中的表达和各相关实体及实体与属性间的关系，进而编写了从IFC文件提取建筑能耗监测静态数据的程序.假定尚未建立BIM模型，提取流程如图 7所示.首先获得由不同专业人员在各自的BIM软件中建立的BIM模型，并把模型从相应的软件导出为IFC格式文件.应用本研究开发的建筑能耗监测静态数据提取程序，对导出的IFC文件进行静态数据的提取.
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图 7 建筑能耗监测静态数据提取流程 Fig. 7 Process of static data extraction for building energy consumption monitoring |
图 8为该程序的界面.在本研究中，程序在Visual Studio 2017开发平台上，基于.NET Framework 4.6.1框架用C#语言进行开发.本研究在编写程序的过程中，使用了xBIM[11]中的xBIM Essentials.xBIM是一个基于.NET的开源的软件开发工具包，支持对IFC格式文件的解析.目前，xBIM支持IFC2x3、IFC4.xBIM Essentials是xBIM的一个核心库，提供了BIM的数据提取、数据转换和数据验证等基础功能，可用于高效地处理千兆字节范围的IFC文件[12].
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图 8 静态数据提取程序界面 Fig. 8 UI of the static data extraction application |
本研究以Revit 2017下载包中自带的建筑模型(rac_advanced_sample_project)为例，验证提取方法的可行性.该模型是一栋三层的办公用途的建筑模型，建筑面积为5 011 m2，对模型进行了一定加工，包括属性集的扩展等，例如扩展了常在人数属性，其值为365.从该模型导出IFC文件，大小为59 MB，接着对程序进行数据提取测试.从该IFC文件提取出了所需的建筑能耗监测静态数据.本程序把提取的数据储存为JSON格式文件.所需的属性在IFC文件中若有值，则JSON文件中该属性有对应的属性值，否则值属性为“null”，故可直接在JSON文件中查看提取的数据的完整性.
对提取出的数据与原模型进行对比，从而进行准确性验证.由于提取数据较多，故按2.1节划分的3种情形分别举一个典型例子说明.图 9为提取的数据文件的局部，建筑面积属于情形一的数据，提取出的建筑面积的值是5 011 m2，与原模型一致；公区面积属于情形二的数据，提取出的公区面积值为1 828 m2，与原模型一致；常在人数属于情形三的数据，提取出的常在人数为365，与本研究对该模型特别录入的数据一致.情形一和情形二的数据提取实现了节约人工的目的.综上，本研究建立的建筑能耗监测静态数据提取方法可行.
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图 9 提取的部分静态数据 Fig. 9 Part of the extracted static data |
1) 本研究分析了建筑能耗监测静态数据和IFC标准，建立了基于IFC标准的建筑能耗静态信息模型，针对IFC标准未定义的建筑能耗监测数据对IFC标准进行了扩展.
2) 依据建立的信息模型研制了建筑能耗监测静态数据提取程序，应用该程序从案例IFC文件中提取出了建筑能耗监测静态数据，验证了从BIM模型提取建筑能耗监测静态数据方法的可行性.
3) 该方法解决了数据人工录入费时费力、易出错和数据不能满足大数据应用需求的问题，使得建筑能耗监测静态数据的利用更为高效便捷.
| [1] |
丁洪涛, 刘海柱, 殷帅. 我国公共建筑节能监管平台建设现状及趋势研究[J]. 建设科技, 2017, 23: 10. DING Hongtao, LIU Haizhu, YIN Shuai. Research on the status quo and trend of energy conservation supervision platform for public buildings in China[J]. Construction Science and Technology, 2017, 23: 10. DOI:10.16116/j.cnki.jskj.2017.23.001 |
| [2] |
马智亮, 刘世龙, 刘喆. 大数据技术及其在土木工程中的应用[J]. 土木建筑工程信息技术, 2015, 7(5): 45. MA Zhiliang, LIU Shilong, LIU Zhe. Big data techniques and its applications in civil engineering[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2015, 7(5): 45. DOI:10.16670/j.cnki.cn11－5823 |
| [3] |
KIM H, SHEN Z H, KIM I, et al. BIM IFC information mapping to building energy analysis (BEA) model with manually extended material information[J]. Automation in Construction, 2016, 68: 183. DOI:10.1016/j.autcon.2016.04.002 |
| [4] |
ANDRIAMAMONJY A, SAELENSA D, KLEINB R, et al. An automated IFC-based workflow for building energy performance simulation with Modelica[J]. Automation in Construction, 2018, 91: 166. DOI:10.1016/j.autcon.2018.03.019 |
| [5] |
IfcOpenShell Academy.About IfcOpenShell[EB/OL].(2018-05-21)[2018-08-21]. http://academy.ifcopenshell.org/about-ifcopenshell/
|
| [6] |
PINHEIRO S, WIMMER R, O'DONNELL J, et al. MVD based information exchange between BIM and building energy performance simulation[J]. Automation in Construction, 2018, 90: 91. DOI:10.1016/j.autcon.2018.02.009 |
| [7] |
国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则[Z].北京: 中华人民共和国住房和城乡建设部, 2008 Technical guidelines for data collection of energy consumption of state organs office buildings and large public buildings energy consumption monitoring system[Z].Beijing: Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, 2008 |
| [8] |
公共建筑能耗远程监测系统技术规程: JGJ/T 285—2014[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2014 Technical specification for remote monitoring system of public building energy consumption: JGJ/T 285—2014[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2014 |
| [9] |
Building SMART International Ltd. IFC overview summary[EB/OL].(2010-03-03)[2018-09-01]. http://www.buildingsmart-tech.org/specifications/ifc-overview/ifc-overview-summary
|
| [10] |
工业自动化系统与集成产品数据表达与交换第11部分: 描述方法: EXPRESS语言参考手册: GB/T 16656.11—2010[S].北京: 中国标准出版社, 2010 Industrial automation systems and integration-Product data representation and exchange-part 11: Description methods: The EXPRESS language reference manual: GB/T 16656.11—2010[S]. Beijing: Standards Press of China, 2010 |
| [11] |
xBIM Team.xBIM Toolkit-eXtensible building information modelling[EB/OL].(2016-04-10)[2018-09-09].http://docs.xbim.net/in.dex.html
|
| [12] |
LOCKLEY S, BENGHI C, ČERN Ý M. Xbim. Essentials: A library for interoperable building information applications[J]. Journal of Open Source Software, 2017, 2(20): 1. DOI:10.21105/joss.00473 |