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
1 清华大学土木工程系，北京 100084
汇报内容
1.引言
2.建筑能耗模拟软件E+简介
3.E+的数据接口分析
4.BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
5.结语
引言（1/3）
⏹
建筑能耗规模大、增长快的主要原因
•建筑节能水平低下 •建筑规模大、增速快
•人们对生活质量要求的提高导致空调取暖设施的广泛使用 •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 •建筑设计对建筑的能量性能起着主导作用 •建筑节能设计的关键：建筑设计阶段的节能设计
⏹
提高建筑节能水平的关键
具有必然性
具有必然性
引言（2/3）
建筑设计阶段的节能设计
是否达到是否达到修改原设计
性能化设计
对比评定法
标准要求
是
否
修改设计指标
标准要求
所设计建筑是节能建筑
否
是
规定性设计
所设计建筑是节能建筑
设计指标检查
定性的评估
定量的计算
引言（3/3）
⏹性能化节能设计的障碍
建筑动态能耗模拟软件难学难用
需要输入大量复杂且专业化的数据
需要具备能耗分析专业知识
⏹解决建筑动态能耗模拟软件使用问题的思路
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
结合建筑设计的特点，简化建筑能耗模拟软件的使用方法
⏹本文的研究内容
分析典型的建筑能耗模拟软件EnergyPlus的数据接口，讨论利用建筑信息模型（BIM, Building Information Modeling）的主流标准IFC
（Industry Foundation Classes）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。

汇报内容
1.引言
2.建筑能耗模拟软件E+简介
3.E+的数据接口分析
4.BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
5.结语
建筑能耗模拟软件E+简介（1/3）
建筑能耗模拟软件
负荷模拟
系统模拟 设备模拟 经济模拟
•E+由美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)在DOE-2和BLAST 的基础上开发，为新一代能耗模拟软件 •1996年开始研发，2001年投入使用
•最新版本：2007年4月12日发布的2.0.0版
⏹
建筑能耗模拟软件的功能
⏹
E+的发展史
建筑能耗模拟软件E+简介（2/3）
E+的新特性
集成化模拟
负荷模拟
系统模拟 设备模拟
开放性
免费 开放源码
模块化
第三方开发者
定位为模拟内核
准备输入数据文件
运行E+进行模拟
得出输出数据文件
建筑能耗模拟软件E+简介（3/3）
E+的工作模型
第三方 用户界面
描述建筑
显示结果
数据
数据
第三方模块
EnergyPlus 模拟管理器
EnergyPlus 模拟功能模块
建筑描述 第三方软件
计算结果
数据
数据
汇报内容
1.引言
2.建筑能耗模拟软件E+简介
3.E+的数据接口分析
4.BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
5.结语
E+的数据接口分析（1/2）
IDD Group Class Field
Group Group Class Class Field
Field
...
...
...
⏹
输入数据词典（IDD ）
输入数据文件(IDF 文件）
气象数据文件
⏹
E+的输入数据接口
建筑
概况
热区几何描述
建筑材料属性
建筑
使用性信息
温度调控策略
HVAC
系统描述
模拟结果输出定制
Input Data Dictionary Input Data Dictionary
HVAC ——Heating, Ventilating and Air Conditioning
Input Data File
E+的数据接口分析（2/2）
E+建筑模型
建筑
热区······
······
······<每个表面只有一种构造，但一种构造可被多个表面使用>
<一种材料可被多个构造使用>
热区
热区表面
表面表面
构造
材料
材料
材料
汇报内容
1.引言
2.建筑能耗模拟软件E+简介
3.E+的数据接口分析
4.BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
5.结语
BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性 4.1 IFC 标准的潜力（1/1）
⏹
IFC 标准
IFC 标准概况
⏹建筑信息模型（BIM ） IFC 标准对HVAC 的支持
•是BIM 的主流标准
•由国际协同工作联盟（IAI ）开发制定 •提供了描述建筑各方面信息的完整体系
•采用面向对象的方式对信息进行描述和组织
•通过面向对象的程序设计，可萃取IFC 标准数据中的各种信息，包括E+建筑模型所需的信息 •IFC HVAC 扩展大纲，即BS-8(Building Services project number 8),由LBNL 主导开发，实现了对HVAC 的支持 Building Information Modeling
Industry Foundation Classes
E+的输入数据文件的主体——E+建筑模型和HVAC 系统描述，可从IFC 标准数据获得
BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性 4.2 行业软件的能力与局限（1/1）
⏹
行业软件的能力
没有软件能提供包含E+输入数据文件所有信息的IFC 标准数据
⏹
行业软件的局限
各专业的设计软件对IFC 的支持能力存在差异
•建筑的设计是多专业的设计，具有分散和迭代的特征，不存在集成所有
专业设计功能的设计软件。

•下游专业设计会包含上游专业的设计信息，但由于侧重点不同，其中必
有取舍，并非所有专业领域数据简单的叠加。

•IFC 是新生事物，各专业软件对IFC 的支持需要时间 •建筑专业设计软件对IFC 的支持最好
•仅有极少数HVAC 系统设计软件在一定程度上支持IFC
目前阶段，IFC 标准数据向IDF 格式数据的转换仅限于由建筑设计软件（主要指Revit 和ArchiCAD ）所提供的建筑几何信息和部分材料使用方面的信息。

BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（1/6）
相同点
基于IFC的BIM与E+的建筑模型的异同
•都采用面向对象的方式描述建筑
不同点
基于IFC的BIM E+的建筑模型
复杂性采用了非常复杂的架构，其实体
定义具有复杂的继承和引用关系
层次架构相对简单
范围几乎囊括了与建筑相关的各专业
的内容
仅限于建筑几何与材料属性方面的内容
抽象程度对建筑组成和构件的描述非常具
体和详细对建筑的几何构造进行了一定程度的抽象和简化，具体的建筑空间和形态复杂的建筑构件被抽象为热区和表面。

两种模型之间的差异导致了将IFC标准数据转换为E+的IDF格式数据的复杂性
BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC 标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（2/6）
热区的设置
将IFC 标准数据转化为IDF 格式数据时需要解决的 主要技术问题及解决思路
•在E+建筑模型中，通常需要将具有相同温度调控要求的相邻房间归并为一个热区。

•热区的设置意味着IFC 标准数据中的多个空间需要被归并为单个的空间，跨越多个热区的墙体需要被拆分为多个属于不同热区的表面。

•需要提供根据温度调控要求智能化设置热区的功能，以及为用户提供通过交互式操作，将多个房间合并为热区的功能。

Fort Monmouth 教育中心建筑平面简图
根据系统（风机系统或热辐射系统）设置热区
BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC 标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（3/6）
热区表面几何形态的简化
将IFC 标准数据转化为IDF 格式数据时需要解决的主要技术问题及解决思路
•对于热量传导计算而言，热区表面几何形态的准确描述是不必要的。

•表面必须是多边形平面，在建筑设计软件中具有复杂几何形态的墙体，例如曲面墙在E+的IDF 格式数据文件中应处理为多个多边形表面。

•应将在同一个热区中具有相同构造的所有热存储表面定义为一个单一的等效表面，这个等效表面的面积应等于暴露于该热区的所有单个表面面积之和。

•从属于一个表面的所有同类窗户应归并为一个。

•应研究简化表面几何形态的模式与算法，在界面软件中对表面几何形态进行简化处理。

单热区模型中表面的简化
BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC 标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（4/6） 表面类型和外部环境特征的确定
将IFC 标准数据转化为IDF 格式数据时需要解决的主要技术问题及解决思路
•表面通常有热存储表面和热传导表面两种类型，需指明表面的类型。

•需要指明表面的外部环境和环境对象。

•E+建筑模型中的表面类型与环境特征不能从IFC 标准数据中直接获取，需要根据温度调控要求以及热区设置的结果进行判断。

•在界面软件中应将判别表面类型和外部环境特征的方法转化为计算机可以理解的程序逻辑。

BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC 标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（5/6） 材料热工性能参数的确定
将IFC 标准数据转化为IDF 格式数据时需要解决的主要技术问题及解决思路
•现有的建筑设计软件所使用的构件对象比如墙体在导出为IFC 中性文件时可以包含墙体材料层的相关信息，但不包含材料的热工性能数据。

•在界面软件中可以考虑设计热工性能数据输入的功能模块，或者在界面软件中使用包含材料热工性能的标准库。

BIM 数据转换为E+建筑模型数据的可行性
4.3 IFC标准数据应用于E+时尚存的技术问题及解决思路（6/6） 国外的研究
成果
•国外的研究机构LBNL已经开发了基于BSPro COM-Server的客户端组件IFCtoIDF，它利用BSPro所提供的简化IFC的功能，较好的
解决了热区表面几何形态的简化问题。

局限
•IFCtoIDF只是一个单向的、无交互地将BSPro处理过的IFC模型转化为E+的IDF格式数据文件所需要的部分数据的工具，并未解决
上述第一、三、四问题，离成熟的解决方案之间仍然具有相当大
的距离。

汇报内容
1.引言
2.建筑能耗模拟软件E+简介
3.E+的数据接口分析
4.BIM数据转换为E+建筑模型数据的可行性
5.结语
结语
结语利用BIM技术实现建筑设计软件和建筑能耗模拟软件之间的数据
交换是解决建筑设计阶段节能设计问题的有效途径。

借鉴国外的经验，开发适合我国国情、基于BIM技术的新一代建筑节能设计软件是我们“十一五”期间的研究重点。

为E+开发基于BIM
技术的界面软件是这项研究的重要环节，进一步的研究结果将在原型系统开发之后给出。

汇报完毕谢谢！。