基于BIM 的能耗模拟软件功能的测评分析

1 引言

现代的建筑设计在满足建筑自身性能之外，要能实现建筑物关于绿色、环保和低能耗的要求，要全面贯彻建筑全过程设计、集成化和精细化设计与评价的理念【1】。同时随着计算机辅助设计软件的发展与应用，建筑能耗模拟已经是现代建筑设计过程中不可或缺的技术，与之相对应的建筑能耗模拟软件也在不断地发展和进步。

近些年来，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的出现，又给设计者带来一种区别于传统的模拟过程中手动输入建筑构件几何信息的新方法【2】，即基于BIM 技术的建筑能耗分析方法。采用BIM 技术可以将建筑信息模型和建筑能耗模型建立关联，设计者不再需要手动调节建筑能耗模型或者繁琐的重新模拟建筑物的环境以保持设计的更新，建筑能耗模拟的准确性和效率大大提升[3][4]。

本文主要从BIM 向软件的导入过程和不同软件能耗模拟过程参数设置的角度对目前常见的几款能耗模拟软件（见表1）进行对比分析。

表1 目前常用的基于BIM 的能耗模拟软件

1.1 BIM 与能耗模拟软件交互的媒介

BIM 和能耗模拟软件的交互是基于一类中间文件进行的，BIM的核心之一就在于建筑数据的传递和共享。常见的用于BIM 和能耗模拟软件互操作的文件格式（或标准）有rvt、rfa、dxf、dwg、IFC 以及gbXML，其中大部分能耗模拟软件都支持IFC 和gbXML 标准格式文件的输入。

表2 gbXML 和IFC 的主要区别【7】

IFC（Industry Foundation Class）信息模型标准是由IAI 于1995 年提出的，是一种面向建筑对象的信息模型标准，其数据构架丰富，可以较为全面地表征建筑物的整体信息【5】。该标准将IFC 定义为一种服务于建筑数据交换的文件格式。gbXML 也是一种具有良好的建筑信息共享性的BIM 开放标准，最早由BentleySystems 在2000 年发布【6】。gbXML 使用标准模式语言（XML），可以在多种软件平台上进行项目信息的导入与导出。IFC 和gbXML 都是开放性的建筑信息模型标准，均可以作为能耗模拟软件的BIM 信息输入文件，两者的主要区别见表2。

1.2 BIM 与能耗模型要素的对应关系

本文以gbXML 标准文件导入能耗模拟软件为例介绍，在满足能耗模拟软件计算的条件下，gbXML 标准文件需要向能耗模拟软件中输入的信息内容及主要的转化方法。基于gbXML 标准的绿色建筑分析模型将建筑信息存储为建筑位置及几何信息、建筑围护结构参数、建筑作息、热工分区信息以及设备照明系统信息等，见图1。能耗模拟软件可以通过读入BIM 的导出文件，获取能耗模拟计算所需的建筑模型信息，或者对建筑模型信息进行转化，来满足对建筑进行能耗模拟计算的需求，其中BIM 向BEM 转化过程中的要素对应关系，具体内容见表3。

图1 gbXML 标准文件内容框架

2 基于BIM 的能耗模拟软件功能对比

表3 BIM 与建筑能耗模型要素的对应关系表

本文选取某三层办公建筑（见图2）为样例，对Green Building Studio、Ecotect Analysis、PKPMEnergy、HY-EP、DesignBuilder 以及OpenStudio 这6款常用的支持BIM 输入的软件进行BIM 向软件的导入和能耗模拟过程参数设置等功能的评测。

图2 软件功能测试实验样例

2.1 Revit 模型文件直接导入模拟软件测评

测试的软件中支持Revit 模型文件直接导入的主要有DesignBuilder、Green Building Studio 以及PKPMEnergy。Revit 中的BIM 数据传入DesignBuilder 的过程中可以生成两种类型的中间分析模型，即AM（AnalyticalModel）和EAM（Energy Analytical Model）。借助DB-Revit Plugin 插件，Revit 模型信息可以直接导入DesignBuilder 中。Green Building Studio 可以直接从Revit 里面利用建筑图元或者概念体量驱动GreenBuilding Studio 进行模拟。其中的模型转化过程也是从BIM 到EAM，然后进行建筑能耗模拟计算。Revit 中的BIM 数据导入PKPM-Energy 需要借助相关插件，PKPM-Energy 以插件中转化的模型信息为输入进行模拟计算。本文以PKPM-Energy 中模型的参数设置对Revit 模型文件直接导入的功能进行分析（见表4）。

表4 PKPM-Energy 使用Revit 模型文件直接导入模型功能分析

通过该方式导入PKPM-Energy 软件的模型，必须设置系统后才能进行负荷计算或能耗模拟，其计算过程有房间数量的上限。软件的负荷计算输出结果中仅有全年总负荷逐时计算结果EXCEL 表格、系统逐时计算结果DOE2 原文件、以及各房间总负荷，无各房间逐时负荷计算结果且其能耗计算结果根据负荷进行公式计算而不是模拟结果。

2.2 gbXML 标准文件导入模拟软件测评

测试的软件中支持gbXML 标准文件导入的主要有DesignBuilder、OpenStudio、HY-EP 以及Ecotect Analysis（见图3）。接下来文章将从几何参数、围护结构参数、热区的设置、建筑作息时间表以及空调系统设置几个方面对gbXML 标准文件导入能耗模拟软件过程的参数读入及设置进行分析（见表5、表6）。

表5 DesignBuilder 和OpenStudio 使用gbXML 标准文件导入软件功能分析

表6 HY-EP 和Ecotect Analysis 使用gbXML 标准文件导入软件功能分析

图3 gbXML 标准文件导入DesignBuilder（图a）和OpenStudio（图b）几何模型展示

图4 gbXML 标准文件导入HY-EP（图c）和EcotectAnalysis（图d）几何模型展示

2.3 IFC 标准文件导入模拟软件测评

在IFC 标准文件中，建筑的模型是按照项目（Project）、场地（Site）、建筑物（Building）、建筑楼层（BuildingStorey）、建筑空间（Space）的不同等级来描述的，需要自下而上在不同等级中对元素信息进行数据的读取，这给软件的信息输入增加了难度，目前兼容IFC 标准文件读入的能耗模拟软件功能尚不完善【2】。

将IFC 标准文件导入OpenStudio 中需要配合JavaJDK、BIM server 等，而且导入的几何结构中目前surface 部分属性边界条件不全，对于几何结构中的倾斜面的参数读取和参数设置仍待开发。将IFC 标准文件导入Ecotect Analysis 中，软件可以正确地读取IFC 中建筑几何结构信息，但是建筑结构细节的处理与原模型存在差距，建筑的围护结构热工参数、房间功能、建筑作息时间以及建筑空调系统等参数缺失，需要手动对模型参数进行调节。

3 结论

建筑信息模型（BIM）向建筑能耗模型（BEM）转化的过程还不完善。从BIM 建模软件中导出的文件格式及存储的信息内容不同，而不同的能耗模拟软件又有各自不同的数据标准，这使得BIM 导入能耗模拟软件的过程中存在信息转化的障碍。BIM 导出的文件中的数据标准还需继续开发，BIM 向BEM 转化的过程中能耗模拟软件对数据格式的兼容性有待提高。

不同的软件对于BIM 信息的读取内容存在差异。基于BIM 的能耗模拟软件计算的初始条件应尽可能地从BIM 中获取，但是受限于BIM 导出文件的数据完整性和数据质量，目前能耗模拟软件在识别BIM 信息时会存在信息丢失和错误识别的问题。

能耗模拟软件从BIM 中获得的能耗模拟信息并对其进行初始条件设定的方式存在差异。目前软件基本还是以手动设置参数为主，部分软件实现了一键填充模板信息，如HY-EP 中采用了预先设定模板进行参数信息填充以实现自动化参数设置的过程，这大大简化了部分需要人工进行参数设置的工作流程。基于BIM 的能耗模拟软件参数设置应当尽可能来源于BIM 的参数，最终希望实现基于BIM 信息的完全自动化能耗模拟计算过程。

国内能耗模拟软件对于BIM 向BEM 转化过程中的参数设置依据的标准不同。国内开发者开发的软件以国标为依据进行参数设置，更符合我国建筑设计规范的要求。

参考文献：

[1] 孙红三, 吴如宏, 燕达. 建筑能耗模拟软件的BIM数据接口开发与应用[J]. 建筑科学,2013,29(12):11-15+71.

[2] 梁思雨. 面向EnergyPlus 的BIM 数据处理方法研究[D]. 西安建筑科技大学,2018.

[3] 梁波. 基于BIM 技术的建筑能耗分析在设计初期的应用研究[D]. 重庆大学,2014.

[4] 首灵丽. 基于BIM 技术的建筑能耗模拟分析与传统建筑能耗分析对比研究[D]. 重庆大学,2013.

[5] 杨志伟, 许鹏, 陈喆. 基于BIM 的暖通空调自动设计[J]. 建设科技,2018(23):44-48.

[6] 范运昌. 基于IFC 的BIM 模型与绿色建筑分析软件互操作性研究[D]. 郑州大学,2017.

[7]Ehsan Kamel,Ali M. Memari. Review of BIM’s application in energy simulation: Tools, issues, and solutions[J]. Automation in Construction,2019,97.

作者

同济大学王鸿鑫许鹏郭明月顾洁帆肖桐陈喆杨一昆