基于BIM技术的建筑设计软件与建筑能耗模拟软件EnergyPlus的数据交换分析

基于BIM技术的建筑设计软件与建筑能耗模拟软件EnergyPlus的数据交换分析马智亮赵毅立（清华大学土木工程系，北京100084）摘要对免费的主流建筑能耗模拟软件EnergyPlus的数据接口进行分析，探讨将建筑信息模型（BIM）标准——IFC标准数据转换为EnergyPlus输入数据文件格式数据的可行性。采用了文献阅读与实例分析相结合的方法。总结了EnergyPlus的数据接口以及IFC标准数据的特点，指出了为实现转换需解决的关键问题及解决方法。结果表明，上游建筑设计软件与建筑能耗模拟软件间自动的数据交换是可行的。关键词建筑能耗模拟EnergyPlus数据接口IFCAnalysisoftheDataExchangebetweenBIM-basedArchitecturalDesignSoftwareandBuildingEnergySimulationProgramEnergyPlusMaZhiliangandZhaoYili（TsinghuaUniversity,Beijing100084）AbstractThedatainterfaceofEnergyPluswhichisamainstreamfreebuildingenergysimulationsoftwareisanalyzedandthefeasibilityforconvertingIFCstandarddataintoEnergyPlusInputDataFileformatteddataisinvestigated.Itisrealizedbyconductingliteraturesurveyandanalyzingtypicalexamples.ThedatainterfaceofEnergyPlusandthatofIFCstandarddataweresummarized,andtheproblemsforconvertingthedataandthesolutionstothemwereputforward.ItisincludedthattheautomaticdataexchangebetweenBIM-basedbuildingdesignsoftwareandbuildingenergysimulationsoftwareisfeasible.KeyWordsBuilding,Energysimulation,EnergyPlus,Datainterface,IFC1引言目前我国建筑能耗占总能耗的比例已达到约25%[1]。导致建筑能耗规模巨大且迅速增长的主要因素有3点：建筑节能水平低下；建筑规模大、增速快；人们对生活质量的要求不断提高，导致空调、取暖设施的广泛使用。由于后两项因素具有必然性，解决建筑能耗问题主要依靠提高建筑节能水平。施行建筑节能设计是提高建筑节能水平的关键。它是一项系统工程，对建筑师、建筑环境工程师和设备工程师均提出了挑战，尤其是对建筑师。在决定建筑能量性能的各种因素中,建筑的体型、方位及围护结构形式起着决定性作用，直接的影响包括建筑物与外环境的换热量、自然通风状况和自然采光水平，且这3方面涉及的内容将构成70%以上的建筑采暖通风空调能耗。因此，建筑设计对建筑的能量性能起着主导作用[2]。对于建筑节能设计，最关键的环节是，在建筑方案设计阶段，对建筑的能耗水平进行定性的评估和定量的计算。定性的评估主要是指，检查建筑设计方案是否满足节能设计标准中有关的强制性规定，满足者可称作是节能建筑设计方案；定量的计算是指，采用建筑能耗模拟软件动态地计算建筑能耗，从而可比较不同的建筑设计方案的在节能方面的优劣，从中得出的建筑能耗数据也是后续HVAC（暖通空调）系统设计所必需的。当前我国建筑节能设计尚处于初级阶段，国家颁布的建筑节能设计标准正在推广中，新建建筑的节能设计也仅限于满足建筑节能设计标准的强制性规定，使用建筑能耗模拟软件来优化建筑节能性能的案例还不多见。其主要原因是，建筑能耗模拟软件难学难用。这是因为，在使用建筑能耗模拟软件时，需要首先输入包括建筑几何信息、材料热工性能、暖通空调系统信息等大量复杂且专业化的数据，非常繁琐且容易出错。同时，使用建筑能耗模拟软件需要具备复杂的能耗分析基础知识。这些困难，阻碍了建筑师对建筑能耗模拟软件的使用，造成建筑设计和能耗分析严重脱节，使在建筑设计阶段优化建筑节能性能成为空谈。可以从两方面出发，解决这个问题。一方面是尽可能实现上游建筑设计软件和建筑能耗模拟软件间自动的数据交换，避免建筑信息的重复输入。另一方面是结合建筑设计的特点，简化建筑能耗模拟软件的使用方法，使建筑师在不需要花太多精力学习相关知识的情况下，也能够利用建筑能耗模拟软件进行建筑能耗的计算。本文作为前一方面的关键环节，将分析典型的建筑能耗模拟软件EnergyPlus（以下简称E+）的数据接口，讨论利用建筑信息模型（BIM,BuildingInformationModeling）的主流标准IFC（IndustryFoundationClasses）实现两类软件之间数据交换的可行性，以便为实现两类软件间自动的数据交换打下基础。2建筑能耗模拟软件E+简介经过30多年的发展，建筑能耗模拟软件已相当成熟，其精确度和适用性已得到充分验证。它主要用来模拟建筑及系统的实际运行状况，从而预测年运行能耗和费用。一般来说，建筑能耗模拟软件主要有4种功能：负荷模拟，模拟计算建筑在一定的时间段中的冷热负荷，反映建筑围护结构和外部环境、内部使用状况之间在能量方面的相互影响；系统模拟，模拟空调系统的空气输送设备、风机、盘管及控制装置等功能设备；设备模拟，模拟为系统提供能源的锅炉、制冷机、发电设备等设备；经济模拟，评估建筑在一定时间段为满足建筑负荷所需要的的能源费用。E+是美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在著名的建筑能耗模拟软件DOE-2和BLAST的基础之上开发的新一代软件。E+于1996年开始研制开发，2001年投入使用，目前最新版本是2007年4月12日发布的2.0.0版。除了继承了前两种软件大多数的特点和功能之外，该软件还包括了许多创新性的模拟功能，例如：DOE-2和BLAST均采用顺序模拟的模式，即按照负荷模拟、系统模拟、设备模拟的顺序进行，而E+将负荷模拟、系统模拟、设备模拟集成同步进行，在3个环节中均存在反馈，因此模拟准确性更高。E+的另一个重要特点是其开放性，它既是一个免费的软件，又为开发者开放源代码。程序按照模块化的方式进行组织，E+的开发团队尽可能地保证模拟代码和算法的独立性和模块化，使第三方开发者能够在尽可能少地了解原有程序的情况下方便地为其添加新的模块和功能。E+的开发团队将E+定位为一个模拟内核，其输入文件为文本文件，输出文件主要是文本文件和电子表格文件。简单地说，使用E+的过程包括：准备输入数据文件、运行E+进行模拟、得出输出数据文件。E+本身只提供了相当简单的用户界面，因此，在E+基础上开发第三方界面是被鼓励的。在使用E+进行模拟时，作为数据输入的方法，用户既可通过文本编辑器手动编辑输入数据文件，也可通过其自带的工具IDFEditor进行辅助编辑，还可通过第三方图形用户界面来生成输入数据文件。图1展示了结合了第三方界面和功能模块的E+工作模型，其工作方式如下：用户首先通过第三方用户界面描述建筑信息，生成建筑描述文件（即E+的输入数据文件）；E+作为能耗模拟内核，使用输入数据文件，并根据需要调用各种第三方功能模块和软件，执行模拟计算；E+将包含计算结果的输出数据文件交与第三方用户界面进行加工处理，以更直观的方式显示模拟结果。3E+的数据接口分析E+的输入数据接口包括输入数据文件（后缀名为IDF，是InputDataFile的缩写）和气象数据文件。其中气象数据文件由气象资料处理而成，通常由第三方提供。一个简单的输入数据文件也会包括上千行的数据，对于初学者来说，要看懂输入数据文件是不太容易的，要自己制作更加困难。理解输入数据词典（IDD）是掌握输入数据文件制作方法的关键[3]。输入数据词典是由软件自带的一个文本格式的文件，它定义了输入数据文件中数据的格式与类型。采用面向对象的方法，输入数据词典将输入数据划分为49个组（Group），包含了建筑概况、热区几何描述、建筑材料属性、建筑使用信息、温度调控策略、HVAC系统描述、模拟结果输出定制等多个方面。每个组包含若干类（Class），与C++中的类相似，是具有共性的一系列对象的抽象。每个类具有若干个参数（Field），类似于C++类的数据成员。可由类定义一个或多个具体的对象，例如Zone类是定义热区的类，一个具体的建筑划分为多少热区，就有必要定义多少个具体的Zone类对象。在一个建筑描述文件中，有些类的对象是必须存在的，如Zone类的对象，而有些类是否具有实例化的对象则需要根据具体情况而定。输入数据文件中最为重要的内容是对建筑模型的描述。与建筑设计中建筑模型的概念不同，E+的建筑模型从“热量”的角度来描述建筑。理解E+建筑模型的关键是理解“Zone（热区）”的概念，它是指：具有相同温度的空间区域，包括区域中的空气以及在其内部和形成其边界的热传导表面（HeatTransferSurface）和热存储表面（HeatStorageSurface）。比如，我们可以把具有相同温度调控需求的一系列相邻的房间设为一个热区。该热区中房间与房间之间的墙就是热存储表面，因为墙两侧温度相同，不存在热传导。该热区与温度不同的另一热区之间的墙就是热传导表面。表面对象的参数主要用以描述表面的几何特征、环境特征以及材料组成。用以描述表面材料组成的类是构造（Construction），一个表面只具有一个构造。一个构造可由一个或多个材料（Material）层组成。材料对象的参数则主要描述材料的热工特性。其结构如图2所示。4BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性4.1IFC的潜力BIM是用对象化的方式将建筑信息各组成部分及其相互关系按照一定的标准进行描述的数据模型，它使得建筑信息在各建筑专业间实现真正的共享成为可能。由国际协同工作联盟（IAI）开发制定的IFC是BIM的主流标准，其2xplatform版本已被ISO组织接纳为ISO标准讨论稿（ISO/PAS16739）。IFC提供了一个描述建筑各方面信息的完整体系，它可以全面地描述建筑的组成和层次、建筑构件间的拓扑关系、构件的几何形状、类型定义、材料属性等全方位的信息。由于这些信息完全采用面向对象的方式进行描述和组织，所以通过相应的面向对象的程序设计，可以较为容易地萃取IFC标准数据（即满足IFC标准的数据）中的各种信息，包括E+建筑模型所需的信息。IFC也实现了对HVAC的支持。由LBNL主导开发的IFCHVAC扩展大纲，在IAI项目体系中被称做BS-8（BuildingServicesprojectnumber8），实现了对材料热工性能的描述以及对HVAC系统和设备的定义与以及对其性能的描述[4]。综上可知，从理论上讲，E+建筑模型和HVAC系统描述的信息可从IFC标准数据获得，这两部分构成了IDF格式的E+输入数据文件的主体。4.2行业软件的能力与局限尽管IFC已经包含了E+输入数据文件的主要信息，然而却难以获得能提供这些信息的IFC标准数据。其原因如下：一方面，建筑设计包含建筑、结构、给排水、电气设备、空调等多专业的设计，这些专业的工作虽然通常按照一定的顺序进行，但经常会由于下游专业设计的实际情况而要求上游专业设计对设计方案进行修改，即，实际的设计过程具有分散和迭代的特征。开发集成所有专业设计功能的设计软件既不可能，也不必要，因此没有软件能独自产生完整的IFC标准数据。由于各专业设计领域对数据的细节和侧重点均有不同的要求，随着设计工作的深化，IFC数据可能会包含更多专业的信息，但其中必有取舍，并非所有专业领域数据的简单叠加。另一方面，目前各专业的设计软件对IFC的支持能力存在差异。由于IFC是一个新标准，其较为成熟的版本近两年才出现，标准本身也在不断发