從節(jié)能設計IFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的機制及關(guān)鍵算法

第三屆工程建設計算機應用創(chuàng)新論壇論文集 上?！?011從節(jié)能設計IFFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的機制及關(guān)鍵算法法馬智亮曾統(tǒng)華華魏振華馮妍清華大學土木工工程系，北京京1000084【摘要】基于BBIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能能設計軟件為為進行能耗模模擬，需要實實現(xiàn)IFC數(shù)據(jù)到能耗模模擬軟件所需需數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換換。目前國內(nèi)內(nèi)外已經(jīng)有一一些相關(guān)研究究，但其具體體轉(zhuǎn)換機制和算算法并未公開開，也沒有實實現(xiàn)商業(yè)化應應用。本研究究首先建立了了建筑節(jié)能設設計信息需求求模型，然后后通過分析IFC標準和主流能能耗模擬內(nèi)核核EnerggyPluss的IDF格式分別建建立起了基于于IFC標準和IDF格式的建筑筑節(jié)能設計信信息模型，之之后在該模型型的基礎(chǔ)上，通通過解決一些些關(guān)鍵算法建建立并實現(xiàn)了了由節(jié)能設計計IFC數(shù)據(jù)生生成IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換機制。實實際工程的應應用表明所建建立的機制能能大大提高建建模效率。本本研究為開發(fā)發(fā)基于BIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能能設計軟件奠奠定了基礎(chǔ)。【關(guān)鍵詞】IFFC；IDF；信息模型型；模型轉(zhuǎn)化化１引言隨著可持續(xù)發(fā)展展思想深入人人心，建筑節(jié)節(jié)能問題已經(jīng)經(jīng)受到世界性性的普遍關(guān)注注。目前，我我國每年新增增建筑面積高高達18-20億平方米[參考文獻[1]姜小明.高層建筑節(jié)能設計[J].四川建材.2008(5):17-18.]，特別是近近年來建造了了大量的大型型公共建筑和和商業(yè)建筑，節(jié)節(jié)能問題尤其其突出。建筑筑節(jié)能的關(guān)鍵鍵在于節(jié)能設設計，然而現(xiàn)現(xiàn)有的建筑參考文獻[1]姜小明.高層建筑節(jié)能設計[J].四川建材.2008(5):17-18.BIM（BuiildinggInfoormatiionMoodelinng，建筑信息息模型）技術(shù)術(shù)的出現(xiàn)為解解決該問題提提供了可能性性。因為利用BIM技術(shù)設計后后得到的結(jié)果果采取三維模模型數(shù)字表示示，并且包含含了屬性數(shù)據(jù)據(jù)，這樣的數(shù)數(shù)據(jù)可被計算算機程序直接接處理，生成成建筑節(jié)能分分析模型。目目前IFC標準已經(jīng)成成為BIM數(shù)據(jù)的主流流標準，可以以用來實現(xiàn)包括節(jié)能能設計在內(nèi)的的建筑全生命命期多階段及及多專業(yè)之間間的信息共享享。進行大型公共建建筑和商業(yè)建建筑的節(jié)能設設計時往往需需要進行能耗耗模擬。目前前的建筑節(jié)能能設計軟件多多使用已有的的建筑能耗模模擬軟件，例如主流能能耗模擬軟件件EnerggyPluss和DeST等作為模擬擬內(nèi)核。這些模擬內(nèi)內(nèi)核有自己的的數(shù)據(jù)格式，例如EnerggyPluss的IDF格式，DeST的XML格式等，因此在開發(fā)基基于BIM技術(shù)的建筑筑節(jié)能設計軟軟件時，首先先需要解決節(jié)節(jié)能設計IFC數(shù)據(jù)向能耗耗模擬軟件數(shù)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化化的問題。目目前國內(nèi)外已已經(jīng)開展了一一些相關(guān)研究究。勞倫斯伯伯克利國家實實驗室（LBNL）利用中間工工具BSProoCOM--Serveer開發(fā)的IFCtooIDF插件，實現(xiàn)現(xiàn)了簡單的IFC幾何數(shù)據(jù)到IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化化[[2]A.Karola,H.Lahtela,R.Hanninen,etc.BSProCOM-Server-Interoperabilitybetweensoftwaretoolsusingindustrialfoundationclasses[J].EnergyandBuildings.2002,34(9):901-907.]；Bazjaanac等人開發(fā)了GST/IIDFGeenerattor和IFCHHVACiinterfface，分別實現(xiàn)IFC幾何數(shù)據(jù)[[]TobiasMaile,MartinFischer,VladimirBazjanac.Buildingenergyperformancesimulationtools:alife-cycleandinteroperableperspective[R].CenterforIntegratedFacilityEngineeringworkingpaper,StanfordUniversity.2007.-[]V.Bazjanac.Implementationofsemi-automatedenergyperformancesimulation:buildinggeometry:ProceedingsofManagingITinConstruction/ManagingConstructionforTomorrow.UnitedKingdom[C].CRCPress,UnitedKingdom,2009.]和IFCHHVAC數(shù)據(jù)到IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化化[[]V.Bazjanac.IFCHVACINTERFACEtoEnergyPlus–acaseofexpandedinteroperabilityforenergysimulation:ProceedingsofBuildingSimulation2004,USA[C].USA,2004.-[]ChrisWilkins,ArtoKiviniemi.EngineeringcentricBIM[J].ASHRAEJournal.2008,12:44-48.]；GreennBuilldingStudiio和DesiggnBuillder軟件則將IFC文件轉(zhuǎn)化為gbXXML文件，將其設置熱工工屬性后再轉(zhuǎn)[2]A.Karola,H.Lahtela,R.Hanninen,etc.BSProCOM-Server-Interoperabilitybetweensoftwaretoolsusingindustrialfoundationclasses[J].EnergyandBuildings.2002,34(9):901-907.[]TobiasMaile,MartinFischer,VladimirBazjanac.Buildingenergyperformancesimulationtools:alife-cycleandinteroperableperspective[R].CenterforIntegratedFacilityEngineeringworkingpaper,StanfordUniversity.2007.[]V.Bazjanac.Implementationofsemi-automatedenergyperformancesimulation:buildinggeometry:ProceedingsofManagingITinConstruction/ManagingConstructionforTomorrow.UnitedKingdom[C].CRCPress,UnitedKingdom,2009.[]V.Bazjanac.IFCHVACINTERFACEtoEnergyPlus–acaseofexpandedinteroperabilityforenergysimulation:ProceedingsofBuildingSimulation2004,USA[C].USA,2004.[]ChrisWilkins,ArtoKiviniemi.EngineeringcentricBIM[J].ASHRAEJournal.2008,12:44-48.[]Autodesk.UsingGreenBuildingStudiowithRevitArchitectureandRevitMEP[OL].[2011-10-18]/Green_Building_Studio/enu/2012/Help/0002-Getting_2/0003-Using_Gr3.[]DesignbuilderSoftware.Designbuilder[OL].[2011-10-18]http://www.designbuilder.co.uk/content/view/7/13.[]YunKyuYi,JaimeLee,etc.Data-centricsimulationinteroperabilityusingtheDeSTsimulationplatform:ProceedingsofBuildingSimulation2007,USA[C].USA,2007.本研究旨在研制制基于BIM技術(shù)的建筑筑節(jié)能設計軟軟件。為此，本文首先先建立了建筑筑節(jié)能設計信信息需求模型型，然后通過過分析IFC標準和IDF格式對建筑筑節(jié)能信息的的表達，分別別建立起了基基于IFC標準和IDF數(shù)據(jù)格式的的建筑節(jié)能設設計信息模型型，之后在該該模型的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，通過解解決一些關(guān)鍵鍵算法建立并并實現(xiàn)了由節(jié)節(jié)能設計IFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化化機制。該轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化機制為開開發(fā)基于BIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能能設計軟件奠奠定了基礎(chǔ)。２建筑節(jié)能設計計信息模型2.1建筑節(jié)能能設計信息需需求模型本研究通過對建建筑節(jié)能設計計的實際工作作流程以及現(xiàn)現(xiàn)有軟件進行行調(diào)研，首先先對建筑節(jié)能能設計的信息息需求進行了了分析，并建建立了建筑節(jié)節(jié)能設計信息息需求模型，如如圖2-1所示。圖2-1建筑筑節(jié)能設計信信息需求模型型根據(jù)我國建筑節(jié)節(jié)能設計規(guī)范范，建筑節(jié)能能設計流程中中最重要的兩兩部分內(nèi)容是是規(guī)范性指標標檢查和能耗耗模擬，涉及及到建筑構(gòu)件件信息、熱區(qū)區(qū)信息、規(guī)范范和氣象信息息等。其中，建筑構(gòu)件信息包括材料信息和幾何信息，熱區(qū)信息則包括內(nèi)熱源信息、設備信息、控制信息和空間幾何信息，同時建筑構(gòu)件的幾何信息又與熱區(qū)的空間幾何信息相關(guān)聯(lián)。具體地，建筑構(gòu)件的幾何信息和材料信息用來計算窗墻面積比、熱工性能參數(shù)等指標，進而依據(jù)規(guī)范進行規(guī)范性指標檢查。如果檢查結(jié)果不滿足規(guī)范要求，則需進一步利用熱區(qū)及氣象等信息進行能耗模擬。2.2基于IFFC標準的建筑筑節(jié)能設計信信息模型為了從建筑設計計結(jié)果IFC數(shù)據(jù)中抽取取用于建筑節(jié)節(jié)能設計的信信息，需要用用IFC標準表達建建筑節(jié)能設計計信息，并形形成基于IFC標準的建筑筑節(jié)能設計信信息模型。經(jīng)經(jīng)分析歸納，本本研究建立了了相關(guān)模型，如圖2-2所示。圖2-2基于于IFC標準的建筑筑節(jié)能設計信信息模型 該模型包括了了建筑節(jié)能設設計信息需求求模型所包含含的6個方面信息息，其中用IFC對象實體來來表達信息，并并用實體屬性性或者IFC關(guān)系實體將將不同的IFC對象實體聯(lián)聯(lián)系起來。例例如，幾何信信息作為建筑筑構(gòu)件的屬性性，直接與其其相關(guān)聯(lián)；建筑構(gòu)件與空空間之間通過過表示空間邊界的關(guān)關(guān)系實體IfcReelSpacceBounndary建立關(guān)聯(lián)以表表達兩者之間間的空間位置置關(guān)系，而空間又通過關(guān)關(guān)系實體IfcReelAssiignstooGroupp組織為熱區(qū)區(qū)。值得說明明的是，當前IFC中沒有專門門表達內(nèi)熱源源的實體，這這里通過擴展展屬性集的方方式定義空間間（IfcSpaace）的自定義屬屬性集來實現(xiàn)現(xiàn)。2.3基于IDDF數(shù)據(jù)格式的的建筑節(jié)能設設計信息模型型IDF格式是目目前主流的能能耗模擬軟件件EnerggyPluss的數(shù)據(jù)格式式。它采用面面向?qū)ο蟮慕M組織方式來表表達能耗模擬擬所需要的各各方面信息，共共包括400多個實體。為為了實現(xiàn)節(jié)能能設計IFC數(shù)據(jù)到IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化化，也需要相相應地分析IDF對節(jié)能設計計信息的表達達方法。本研研究在信息需需求模型的基基礎(chǔ)上，通過過分析IDF相關(guān)實體，建建立起了基于IDF數(shù)據(jù)的建筑筑節(jié)能設計模模型，如圖2-3所示。圖2-3基于于IDF數(shù)據(jù)格式的的建筑節(jié)能設設計信息模型型該模型也包括了了建筑節(jié)能設設計信息需求求模型所包含含的6個方面信息息，其中用IDF實體來表達達信息，信息息之間的關(guān)聯(lián)聯(lián)均是通過屬屬性的方式來來實現(xiàn)。例如如，熱區(qū)之間間的相鄰關(guān)系通過其OutsiideBouundaryy和OutsiideFaaceEnnvironnmentObjecct屬性表示，熱熱區(qū)的空調(diào)系系統(tǒng)之間的聯(lián)聯(lián)接通過熱區(qū)區(qū)間的ZonneOutlletNodde及ZoneIInletNNode屬性來表示。值得得注意的是，由由于IDF對熱區(qū)空間間幾何信息的的表達直接利利用了其外圍圍護建筑構(gòu)件件的幾何信息息，因此在模模型中將兩部部分信息合并并表達。３轉(zhuǎn)換機制及關(guān)關(guān)鍵算法 3.1IFFC-IDFF轉(zhuǎn)換機制概概述根據(jù)之前建立的的建筑節(jié)能設設計信息需求求模型和基于IFC和IDF的建筑節(jié)能能設計信息模模型，要實現(xiàn)現(xiàn)節(jié)能設計IIFC數(shù)據(jù)到到IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，需要要完成幾何信信息（包括建建筑構(gòu)件幾何何信息和熱區(qū)空間幾何信息息）、建筑構(gòu)件件材料信息、熱熱區(qū)內(nèi)熱源信信息、熱區(qū)設設備信息、熱熱區(qū)控制信息息共5類信息的轉(zhuǎn)換換。其中，幾幾何信息的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換是完成數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的重重點，限于篇篇幅，本文僅僅闡述幾何信息息轉(zhuǎn)換機制及及其關(guān)鍵算法法作為示例。 3.2幾何何信息轉(zhuǎn)換機機制及關(guān)鍵算法從前面基于IFFC和IDF的建筑筑節(jié)能設計信息模型型可知，IFC標準與IDF數(shù)據(jù)對熱區(qū)和和建筑構(gòu)件的的幾何描述方方法不同。首首先，如前所所述，IFC標準中熱區(qū)區(qū)和建筑構(gòu)件件的幾何信息息分開表達并并通過關(guān)系實實體實現(xiàn)關(guān)聯(lián)聯(lián)，而IDF中兩部分信信息是作為一一類信息進行行表達的。其其次，IFC標準中建筑構(gòu)件均是以三三維實體的形形式來表達，而IDF中建筑構(gòu)件則是以三維平面的形式來表達。綜上所述，幾何信息轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是提取建筑構(gòu)件三維實體的特征平面。對于特征平面的的選擇，通常常取為三維實實體的中心平平面。這種方方式在概念上上簡單直觀，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化后的IDF文件中兩個個相鄰熱區(qū)共共享同一個平平面。然而該該方式主要存存在三個問題題。首先，實實際相鄰熱區(qū)區(qū)之間并非緊緊密鄰接，而而是相隔中間間墻體的厚度度，該方式實實際上改變了了熱區(qū)的體積積。其次，相相鄰熱區(qū)并非非共享同一個個平面，而是是建筑構(gòu)件的的不同表面。最最后，幾何轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換算法和編編程實現(xiàn)較為為復雜，特別別是轉(zhuǎn)換后熱熱區(qū)的封閉性性處理較為復復雜。圖3-1IFCC標準空間和和建筑構(gòu)件關(guān)關(guān)聯(lián)幾何信息息模型圖3-2墻體幾幾何轉(zhuǎn)換的算算法流程 本研究通過建建立一個快速速簡便的關(guān)鍵鍵算法解決了了上述問題。如如圖3-1所示，關(guān)系系實體IfcReelSpacceBounndary不僅表達了了空間和建筑筑構(gòu)件之間的的關(guān)聯(lián)關(guān)系，還還通過其ConneectionnGeomeetry屬性具體地地表達了兩者者之間關(guān)聯(lián)表表面的幾何信信息。用于表表達該屬性的的實體IfcCoonnecttionSuurfaceeGeomeetry定義了多種種平面幾何信信息表達方式式，例如IffcBounndedSuurfacee，這些表達達方式均可以以通過簡單編編程轉(zhuǎn)換為三三維平面點集集。這里將關(guān)關(guān)聯(lián)表面作為為特征平面，這這樣一來，很很容易得到特特征表面的表表征數(shù)據(jù)。據(jù)據(jù)此本研究建建立了如圖3-2所示的算法法流程，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換結(jié)果是，同同一個建筑構(gòu)構(gòu)件被轉(zhuǎn)換為為多個特征平平面，