第三屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集 上海·2011從節(jié)能設(shè)計(jì)IFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的機(jī)制及關(guān)鍵算法馬智亮曾統(tǒng)華魏振華馮妍清華大學(xué)土木工程系，北京100084【摘要】基于BIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件為進(jìn)行能耗模擬，需要實(shí)現(xiàn)IFC數(shù)據(jù)到能耗模擬軟件所需數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些相關(guān)研究，但其具體轉(zhuǎn)換機(jī)制和算法并未公開，也沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。本研究首先建立了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息需求模型，然后通過分析IFC標(biāo)準(zhǔn)和主流能耗模擬內(nèi)核EnergyPlus的IDF格式分別建立起了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)和IDF格式的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息模型，之后在該模型的基礎(chǔ)上，通過解決一些關(guān)鍵算法建立并實(shí)現(xiàn)了由節(jié)能設(shè)計(jì)IFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換機(jī)制。實(shí)際工程的應(yīng)用表明所建立的機(jī)制能大大提高建模效率。本研究為開發(fā)基于BIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件奠定了基礎(chǔ)。【關(guān)鍵詞】IFC；IDF；信息模型；模型轉(zhuǎn)化１引言隨著可持續(xù)發(fā)展思想深入人心，建筑節(jié)能問題已經(jīng)受到世界性的普遍關(guān)注。目前，我國每年新增建筑面積高達(dá)18-20億平方米[參考文獻(xiàn)[1]參考文獻(xiàn)[1]姜小明.高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[J].四川建材.2008(5):17-18.BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技術(shù)的出現(xiàn)為解決該問題提供了可能性。因?yàn)槔肂IM技術(shù)設(shè)計(jì)后得到的結(jié)果采取三維模型數(shù)字表示，并且包含了屬性數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)可被計(jì)算機(jī)程序直接處理，生成建筑節(jié)能分析模型。目前IFC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為BIM數(shù)據(jù)的主流標(biāo)準(zhǔn)，可以用來實(shí)現(xiàn)包括節(jié)能設(shè)計(jì)在內(nèi)的建筑全生命期多階段及多專業(yè)之間的信息共享。進(jìn)行大型公共建筑和商業(yè)建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)時往往需要進(jìn)行能耗模擬。目前的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件多使用已有的建筑能耗模擬軟件，例如主流能耗模擬軟件EnergyPlus和DeST等作為模擬內(nèi)核。這些模擬內(nèi)核有自己的數(shù)據(jù)格式，例如EnergyPlus的IDF格式，DeST的XML格式等，因此在開發(fā)基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件時，首先需要解決節(jié)能設(shè)計(jì)IFC數(shù)據(jù)向能耗模擬軟件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化的問題。目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些相關(guān)研究。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）利用中間工具BSProCOM-Server開發(fā)的IFCtoIDF插件，實(shí)現(xiàn)了簡單的IFC幾何數(shù)據(jù)到IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化[[2]A.Karola,H.Lahtela,R.Hanninen,etc.BSProCOM-Server-Interoperabilitybetweensoftwaretoolsusingindustrialfoundationclasses[J].EnergyandBuildings.2002,34(9):901-907.]；Bazjanac等人開發(fā)了GST/IDFGenerator和IFCHVACinterface，分別實(shí)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,[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.本研究旨在研制基于BIM技術(shù)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件。為此，本文首先建立了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息需求模型，然后通過分析IFC標(biāo)準(zhǔn)和IDF格式對建筑節(jié)能信息的表達(dá)，分別建立起了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)和IDF數(shù)據(jù)格式的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息模型，之后在該模型的基礎(chǔ)上，通過解決一些關(guān)鍵算法建立并實(shí)現(xiàn)了由節(jié)能設(shè)計(jì)IFC數(shù)據(jù)生成IDF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化機(jī)制。該轉(zhuǎn)化機(jī)制為開發(fā)基于BIM技術(shù)的我國建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件奠定了基礎(chǔ)。２建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息模型 2.1建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息需求模型那本研究通過對蘭建筑節(jié)能設(shè)計(jì)但的實(shí)際工作流棉程以及現(xiàn)有軟忘件進(jìn)行調(diào)研，轉(zhuǎn)首先對建筑節(jié)電能設(shè)計(jì)的信息梨需求進(jìn)行了分餅析，并建立了梢建筑節(jié)能設(shè)計(jì)獸信息需求模型絮，如刪圖毒2-收1千所示。靈擾屑咳舉密限轟請見帽浩掠援度科殲鍬若樣丘孝遇圖阻2-君1疊建筑節(jié)能設(shè)匆計(jì)信息需求模竟型昨根據(jù)我國建筑丟節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范懸，叫建筑節(jié)能設(shè)計(jì)局流程中最重要笨的兩部分內(nèi)容劉是規(guī)范性指標(biāo)賴檢查和能耗模將擬，涉及到建粘筑構(gòu)件信息、慌熱區(qū)信息、規(guī)恥范和爹氣象截信息等。其中赴，泄建筑構(gòu)件信息俯包括材料信息賣和幾何信息，渴熱區(qū)信息壞則顫包括內(nèi)熱源信慕息、設(shè)備信息款、控制信息和脹空間鑄幾何信息結(jié)，同時勢建筑構(gòu)件的幾失何信息罩又禍與熱區(qū)的南空間捎幾何信息融相關(guān)聯(lián)每。腔具體地，建筑窯構(gòu)件的幾何信備息和材料信息澇用來計(jì)算窗墻廉面積比、熱工服性能參數(shù)等指申標(biāo)，進(jìn)而依據(jù)弊規(guī)范進(jìn)行規(guī)范超性指標(biāo)檢查。缺如果檢查結(jié)果圍不滿足規(guī)范要夸求，則需進(jìn)一微步利用熱區(qū)棵及尿氣象赴等涂信息進(jìn)行能耗令模擬凱。蓬 英2.取2欄基壞于絞IF濾C唐標(biāo)準(zhǔn)的建筑節(jié)晴能設(shè)計(jì)猴信息乏模型煎 雕為了從建筑設(shè)呀計(jì)結(jié)診果茶IF勞C謠數(shù)據(jù)中抽取用假于建筑節(jié)能匙設(shè)計(jì)什的股信息增，需要持用乘IFC排標(biāo)準(zhǔn)偶表達(dá)建筑節(jié)能體設(shè)計(jì)信息，特并墻形成弓基來于籠IF康C京標(biāo)準(zhǔn)的建筑節(jié)貍能設(shè)計(jì)信息模摘型紙。經(jīng)分析歸納螺，本研究建立巨了相關(guān)模型，陡如怒圖輸2-籮2擺所示屬。房圖耕2-謠2偶基斗于驚IF伐C納標(biāo)準(zhǔn)的建筑節(jié)漏能設(shè)計(jì)信息模容型蘋 乓該模型包括了蹤建筑節(jié)能設(shè)計(jì)將信息需求模型禮所包含的蓬6丟個絮方面信息吵，節(jié)其活中姜用挖IF舉C殘對象實(shí)體來表走達(dá)蔬信息統(tǒng)，并用閘實(shí)體屬性或者常IF省C電關(guān)系實(shí)體將不穴同際的忘IF田C蘭對象實(shí)體聯(lián)系維起來。例如換，幾何信息作淘為建筑構(gòu)件的灘屬性，直接與瓶其相童關(guān)聯(lián)稼；足建筑宰構(gòu)件與空間之喝間通過表示餓空間芽邊界的關(guān)系實(shí)哨體魄IfcRel訴SpaceB勸oundar葡y激建立關(guān)聯(lián)蝴以表達(dá)兩者之灑間的空間位置跪關(guān)系超，而僻空間讀又通過胖關(guān)系實(shí)體巷IfcRel晃Assign占stoGro恥u御p隨組織為熱區(qū)吸。值得說明的茅是，咸當(dāng)叮前劣IF綱C緞中沒有專門表餅達(dá)內(nèi)熱源的實(shí)響體，磨這里寶通過極擴(kuò)展屬性集的慶方式秩定義術(shù)空間瑞（際I誘fc寬Space穩(wěn)）的孔自定義屬性集練來實(shí)現(xiàn)。握2.3萬基肥于需ID錢F銷數(shù)據(jù)格式的建攪筑節(jié)能設(shè)計(jì)信臺息模型范IDF靜格式顯是爛目前主流的能凈耗模擬軟件寬Energy居Plu斯s夢的數(shù)據(jù)格式省。它采用恩面向?qū)ο蟮慕M艦織方式箱來表達(dá)能耗模佳擬所需要的各港方面信息挑，共涌包括鮮400豐多妥個實(shí)體。廢為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能搖設(shè)緣計(jì)魔IF越C要數(shù)據(jù)就到友ID蝶F頓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，疑也需要旺相應(yīng)地分慘析聰ID妻F趨對節(jié)能設(shè)計(jì)信贊息的表達(dá)里方法鈴。本研究在信猜息需求模型的順基礎(chǔ)上，通過湖分出析際ID餃F躍相關(guān)實(shí)體，建孫立起了樣基教于朗ID羽F報(bào)數(shù)據(jù)的建筑節(jié)就能設(shè)計(jì)模型糕，如陶圖球2-能3某所示。譜圖竟2-頸3流基距于鉆ID社F哄數(shù)據(jù)格式的建蘆筑節(jié)能設(shè)計(jì)信欲息模型任該模型也字包括了建筑節(jié)綿能設(shè)計(jì)信息需康求模型所包含獄的翼6眼個方面信息娛，其中原用乏ID美F晚實(shí)體來表達(dá)憤信息銜，信息之間的蘭關(guān)聯(lián)均是通過望屬性的方式來明實(shí)現(xiàn)。例如，餐熱區(qū)之間的相翠鄰騾關(guān)您系通過飄其尋Outsid或eBound型ar也y四和掀Outsid把eFace租Envir莊onment旋Objec欠t槳誦屬性表示，熱氣區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)陶之間的聯(lián)接通閥過熱區(qū)間的翠ZoneOu送tletNo醫(yī)d書e會及鐵ZoneIn問letNod濱e欄屬性慣來表示。芒值得注意的是繁，由贊于歉ID灑F索對熱區(qū)空間幾球何信息的表達(dá)蛇直接利用了其嚴(yán)外圍護(hù)建筑構(gòu)貫件的幾何信息私，因此在模型蕩中將兩部分信獎息合并表達(dá)?；椋匙罱蜣D(zhuǎn)換機(jī)制及關(guān)介鍵算法怕謝 面3.1擋 讀IFC-ID拾F綢轉(zhuǎn)換機(jī)制凱概述畝稻 危根據(jù)謎之前幫建立微的建筑節(jié)能設(shè)冤計(jì)孤信息需求泳模型近和騎基熔于匪IF耍C壞和廁ID胸F惡的建筑節(jié)能設(shè)訪計(jì)男信息模型林，針要實(shí)現(xiàn)童節(jié)能設(shè)計(jì)捕IFC穿數(shù)據(jù)到淚IDF泥數(shù)據(jù)蘋的轉(zhuǎn)換貨，需要槳完成幾何信息排（包括時建筑構(gòu)件幾何享信息尺和害熱區(qū)贊空間警幾何信息走）、因建筑構(gòu)件材料泄信息、熱區(qū)內(nèi)娘熱源信息、熱悲區(qū)設(shè)備信息、下熱區(qū)控制信息恥共晨5食類信息匆的轉(zhuǎn)換辨。眉其中，鄉(xiāng)幾何信息的轉(zhuǎn)過換找是完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)廁換的重點(diǎn)，踐限于篇幅，本蠻文漆僅精闡述后幾何信息慰轉(zhuǎn)換機(jī)制及其株關(guān)鍵啟算法礦作為示例攻。投 瓶3.2便幾何信息轉(zhuǎn)換澆機(jī)制立及炕關(guān)鍵博算法騰從前面斯基辭于著IF沖C您和兇IDF怠的建筑節(jié)能梢設(shè)計(jì)猶信息模型可知發(fā)，倍IF趣C床標(biāo)準(zhǔn)史與導(dǎo)ID閥F企數(shù)據(jù)對雹熱區(qū)難和建筑構(gòu)件盯的幾何描述方額法不同寬。首先餅，如前所述，爹IF醒C蛾標(biāo)準(zhǔn)中熱區(qū)和慈建筑構(gòu)件蹦的幾何信息分襲開表達(dá)并有通過關(guān)系實(shí)體欠實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，白而屬ID蠶F籃中零兩部分信息是底作為一類信息確進(jìn)行表達(dá)的。薄其次，聞?wù)圛F櫻C塊標(biāo)準(zhǔn)房中咱建筑柳構(gòu)件矩均是以三維實(shí)那體的形式來表替達(dá)，遞而核ID盞F拒中建筑構(gòu)件則姑是以三維平面棟的形式來表達(dá)驚。綜上所述，慘幾何信息轉(zhuǎn)換頁的關(guān)鍵是提取膝建筑構(gòu)件三維蘿實(shí)體的特征平捕面。欄對于特征平面袖的選擇，通?；笕∷槁袢S實(shí)體的中第心平面。這種虎方式在概念上嬌簡單直觀，轉(zhuǎn)悅化后帥的毀ID逢F躲文件中兩個相喇鄰熱區(qū)共享同伍一個平面。然瑞而該方式主要奏存在丈三禁個問題。首先精，實(shí)際相鄰熱是區(qū)之間并非緊濫密溝鄰接痰，而是陶相隔中間墻體歇的厚度，該俱方式實(shí)際上改閃變了熱區(qū)的體絮積。錄其次，相鄰熱壁區(qū)并非共享同珠一個平面，而慎是建筑構(gòu)件的搞不同表面。最骨后秩，幾何轉(zhuǎn)換算譯法擱和編程實(shí)現(xiàn)較橡為復(fù)雜，特別蕩是轉(zhuǎn)換后熱區(qū)度的吉封閉性處理較桐為復(fù)雜。撫圖礙3-柔1倚如IF奪C銀標(biāo)準(zhǔn)空間和建略筑構(gòu)件關(guān)聯(lián)幾拒何信息搭模型套圖桂3-遞2授墻體幾何轉(zhuǎn)換喚的算法鍵流程淹 僚本研究通過建炭立一個快速簡場便的關(guān)鍵算法棋解決了上述問璃題。如屑圖治3-插1自所示，關(guān)系實(shí)預(yù)體葡IfcRel激SpaceB朋oundar雁y駕不僅表達(dá)了空預(yù)間和建筑構(gòu)件緣之間的關(guān)聯(lián)關(guān)撒系，還通過茫其暮Connec跌tionGe毛ometr浴y持屬性具體地表蒙達(dá)了兩者之間騾關(guān)聯(lián)表面的幾里何信息。用于燃表達(dá)該屬性的期實(shí)箱體耕IfcCon浪nectio碗nSurfa纏ceGeom版etr毯y區(qū)定義了多種平翠面幾何信息表跌達(dá)方式，博例如扶IfcBou構(gòu)ndedSu叫rface途，掃這些表達(dá)方式喜均可以通過簡辟單編程轉(zhuǎn)換為默三維平面點(diǎn)集昨。這里將關(guān)聯(lián)寸表面作為特征肅平面，這樣一無來，很容易得否到特征表面的宮表征數(shù)據(jù)浙。據(jù)此本研究層建立了如窮圖先3-船2啄所示的算法流城程，其轉(zhuǎn)換結(jié)躬果是，同一個讓建筑構(gòu)件被轉(zhuǎn)聽換為多個特征張平面，分別作慎為其關(guān)聯(lián)熱區(qū)慘外圍護(hù)結(jié)構(gòu)平究面。實(shí)際的編綠程實(shí)現(xiàn)和能耗謹(jǐn)模擬結(jié)果表明捧，該轉(zhuǎn)換機(jī)制龜所需的編程工潛作量很少，且菌能夠準(zhǔn)確得到標(biāo)熱區(qū)的幾何信挪息從而提高能構(gòu)耗模擬的精度播。4應(yīng)用驗(yàn)證晨 物上述轉(zhuǎn)換機(jī)制揮和關(guān)鍵算法認(rèn)已經(jīng)在罰本研究歉組所帽開