基于IFC與gbXML標準的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標準及應用研究

(鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001)

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，近幾年房屋建筑業(yè)每年竣工面積多達40億m2，年總投資總額接近10萬億。由于建筑行業(yè)整體屬于高耗能行業(yè)，因此建筑節(jié)能和綠色建筑是建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的綠色建筑分析一般開始于施工圖完成以后，能耗分析結果更多注重評估設計效果，而對設計過程并沒有起到很好的指導作用。隨著信息技術的發(fā)展和在土木建筑工程領域的廣泛應用，具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準的BIM模型擁有保存和管理建筑全生命周期中所有關聯(lián)信息的能力，支持信息的動態(tài)修改和存儲，為實現(xiàn)建筑全生命周期信息共享奠定了基礎?；贐IM技術的綠色建筑分析能夠從早期設計階段開始，同步進行，協(xié)同設計，從方案設計到項目實施完成，不斷修訂和完善綠色建筑設計，從而使全生命周期的建筑節(jié)能與綠色建筑成為可能。

綠色建筑評價需要一整套完整的評價體系和流程，BIM技術在綠色建筑分析方面有一定優(yōu)勢，但是BIM技術涉及軟件眾多、標準各異、數(shù)據(jù)格式不盡相同，軟件之間的互操作性問題亟待解決。IFC和gbXML均是BIM技術的重要數(shù)據(jù)標準，IFC標準主要面向建筑全生命周期，數(shù)據(jù)信息內(nèi)容豐富，gbXML標準主要面向綠色建筑分析，數(shù)據(jù)信息具有針對性。因此基于IFC與gbXML的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標準的差異、特點以及在解決不同軟件互操作性方面的應用，是基于BIM技術的綠色建筑分析的關鍵和重點。

1 基于BIM技術的綠色建筑分析

隨著人們對居住環(huán)境舒適性的要求不斷提高，對綠色節(jié)能和可持續(xù)性發(fā)展的不斷關注，綠色建筑及綠色建筑評價體系越來越受到重視。目前國際上已有的評價體系包括LEED體系、BREEAM體系、GBC體系、CASBEE體系等[1]。我國于2006年6月發(fā)布第一版《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2006)， 2006版綠色建筑評價體系是通過對建筑全壽命周期進行全方位的評價，考慮建筑資源節(jié)約、環(huán)境保護，材料節(jié)約、減少環(huán)境污染和環(huán)境負荷方面，最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和節(jié)地[2]。2014年住房和城鄉(xiāng)建設部頒布新版《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)，并于2015年1月1日起實施。新標準在評價的準確性、可操作性、覆蓋范圍及靈活性等方面都有所提升[3]。

傳統(tǒng)的綠色建筑性能評價通常是在建筑設計的后期進行分析，如圖1所示，傳統(tǒng)綠建分析通常在施工圖設計完成之后開始，不能在設計早期指導設計，并且后期如果發(fā)現(xiàn)原設計方案的綠建性能不能達到國家規(guī)范標準或者業(yè)主要求，會產(chǎn)生大量的修改甚至否定整個設計方案，增加大量重復的工作量和設計成本。

基于BIM的綠色建筑性能分析與建筑設計過程高度擬合，建筑設計與綠色性能分析協(xié)同進行，全過程參與，利用BIM建模軟件(如Autodesk Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，通過開放的BIM標準將模型導入綠色性能分析軟件(如Ecotect Analysis、EnergyPlus等)，對整個建筑的綠色性能進行分析，分析方法如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)綠色建筑性能分析方法

圖2 基于BIM的綠色建筑性能分析方法

與傳統(tǒng)綠建分析流程相比，基于BIM的綠色建筑性能分析有如下特點：

(1)傳統(tǒng)分析軟件所建立的實驗模型與實物存在一定的差異，分析項目有限?；贐IM技術的綠色性能分析可以通過開放的BIM數(shù)據(jù)標準將建模軟件創(chuàng)建的BIM模型導入綠建分析軟件中，實現(xiàn)一次建模處處使用的思想。

(2)整個設計過程在同一BIM模型基礎上進行，不同階段可直接利用上一階段的設計成果，以避免設計數(shù)據(jù)的重復輸入，極大地提高了設計與性能分析的效率。

(3)設計信息高效重復利用，設計信息輸入實現(xiàn)自動化，設計人員通過“設計、模擬評估、修正設計”等過程，不斷優(yōu)化設計，使設計更加準確與可靠。

雖然BIM技術在綠建分析方面有一定優(yōu)勢，但是分析過程中涉及到多種建模和分析軟件，各軟件數(shù)據(jù)格式不盡相同。目前基于BIM的綠建分析存在建筑信息共享難、建模軟件與綠色建筑性能分析軟件之間互操作性較差、以及分析效率低等問題。因此，需要通過開放性的數(shù)據(jù)標準來解決軟件互操作問題。IFC和gbXML均是BIM開放標準，均具有良好的建筑信息共享性，大部分建模和綠建分析軟件支持這兩種數(shù)據(jù)格式。但IFC標準面向的是建筑全生命周期，數(shù)據(jù)架構豐富，gbXML標準則主要是面向綠色建筑分析，信息攜帶具有針對性。因此需要建立基于IFC和gbXML標準的綠色建筑信息模型，分析各自綠建性能分析所需信息的表達方式，攜帶信息的內(nèi)容以及不同標準BIM模型的適用性。

2 基于IFC的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標準

IFC(Industry Foundation Classes)標準是開放，標準化、和支持可擴展的數(shù)據(jù)模型標準，使在建筑行業(yè)中廣泛應用的建筑信息模型(BIM)應用軟件具有更好的數(shù)據(jù)交換性和互操作性[4]。IFC標準在描述建筑實體信息方面具有很強的能力，是BIM模型在不同的BIM應用軟件之間的數(shù)據(jù)共享與信息傳遞的主要標準，能夠?qū)⒔ㄖO計、施工和運維階段的信息無縫共享，在提高生產(chǎn)效率方面具有很大的潛力。然而IFC標準涵蓋范圍廣泛，存在部分實體定義不精確和部分信息冗余，不能夠完全滿足工程項目各階段的數(shù)據(jù)交換和信息共享的需求[5]。

由于綠色建筑評價是根據(jù)現(xiàn)行《綠色建筑評價標準》進行，因此有必要對綠色建筑評價時所涉及的建筑信息及這些信息在IFC標準中的定義進行分析和總結，并建立起基于IFC標準的綠色建筑信息模型，以解決BIM建模軟件與綠色建筑性能分析軟件之間的互操作性問題。表1總結了綠色建筑性能評價時涉及到的建筑信息在IFC標準中的映射，但是IFC標準中的映射仍存在部分實體參數(shù)不一致，對這些不一致的實體參數(shù)可以通過IFC擴展屬性集的方法進行補充。

表1 綠色建筑性能評價相關信息在IFC標準中的映射

圖3所示為基于IFC標準的綠色建筑信息模型，模型以IfcSite為根節(jié)點，通過IfcRelAggreates與建筑構件實體建立層級關系，IfcSpace是組成建筑空間的基礎，空間元素各組成部分通過IfcRelAggreates進行關聯(lián)，同時IfcBuilding、IfcBuildingStorey也通過IfcRelAggreates形成BIM模型的空間結構。BIM模型中不同系統(tǒng)的劃分是基于IfcSystem及其派生子類實現(xiàn)，建筑暖通設備、給排水等是由IfcDistributionSystem表示，不同系統(tǒng)之間通過屬性IfcRelAssignsToGroup進行關聯(lián)。綠色建筑信息模型中IfcSpace通過屬性IfcRelSpaceBoundary與構件元素之間形成實際或虛擬邊界，通過屬性IfcRelAssignsToGroup相互關聯(lián)形成IfcZone。一個IfcSpace能夠與一個或多個IfcZone相關聯(lián)。IfcMaterialDefinition是模型中所有材料信息的父類型，包括材料的形狀和材料的屬性等，IfcMaterial通過IfcRelAssociatesMaterial關聯(lián)形成構件元素IfcElement。

圖3 基于IFC標準的綠色建筑信息模型

因此，在選擇IFC作為BIM模型軟件和綠色建筑性能分析軟件信息交換的標準時，應采用以下流程：

(1)通過BIM建模軟件(如Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，選擇IFC2x3或IFC4標準導出整個建筑項目BIM模型。

(2)將IFC文件導入綠色建筑性能分析軟件(如Ecotect、EnergyPlus等)。

(3)模型導入綠色建筑性能分析軟件后，根據(jù)需求進行參數(shù)設置，設定分析條件，設置分析規(guī)則等。例如，光環(huán)境分析，應首先開啟分析網(wǎng)格，設置分析網(wǎng)格數(shù)量和大小，設置分析條件。對于能耗分析應首先檢查材質(zhì)設置是否正確、設置區(qū)域?qū)傩?，計算區(qū)域體積和內(nèi)部相鄰區(qū)域，加載氣象數(shù)據(jù)，設置分析條件等。

(4)按照《綠色建筑評價標準》將評分項目進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并進行項目整體綠色建筑分析。

3 基于gbXML的綠色建筑信息模型數(shù)據(jù)標準

IFC作為當前主流的BIM開放標準，仍存在綠建分析軟件與BIM模型之間互操作性較差問題。針對這些問題，Bentley Systems在2000年發(fā)布gbXML標準1.0， 2015年發(fā)布最新的gbXML標準6.01。gbXML標準主要作用是促進建筑信息模型的互操作性，使不同的BIM設計軟件和工程分析軟件之間能夠傳遞數(shù)據(jù)和模型整合。例如，常見的BIM工具和建筑性能分析軟件(Green Building Studio、Ecotect、VE等)均支持gbXML標準。由于gbXML格式的數(shù)據(jù)包含詳細的綠色建筑性能相關信息，因此在BIM設計軟件導出gbXML格式的模型，能夠在分析工具中直接進行分析。

表2 gbXML標準中主要節(jié)點元素

圖4 基于gbXML標準的綠色建筑信息模型

gbXML V-6.01共包含346個元素和167個數(shù)據(jù)類型，基本上涵蓋了建筑的環(huán)境、幾何形狀、建筑空間分割、系統(tǒng)設備和人員等信息[6]。其中gbXML的主要節(jié)點元素如表2所示?；趃bXML標準的綠色建筑性能分析模型如圖4所示，以Cpmpus為根節(jié)點，關聯(lián)Building和場地元素，建筑樓層和空間元素之間由BuildingStoreyId進行關聯(lián)。構件材質(zhì)信息和位置氣象信息由Construction和Weather提供，建筑設備系統(tǒng)通過AirLoop、LightingSystem等元素提供[7]。

因此，在選擇gbXML作為BIM模型數(shù)據(jù)交換的標準時，應采用以下流程：

(1)通過BIM建模軟件建立BIM模型，并對BIM模型進行簡化處理，例如刪除模型中非主要構件，簡化gbXML文件，設置模型詳細程度等；

(2)檢查簡化模型及房間信息設置是否正確，導出gbXML文件；

(3)將gbXML文件導入綠色建筑性能分析軟件；

(4)模型導入綠色建筑性能分析軟件后，根據(jù)需求進行參數(shù)設置，例如：能耗分析需要檢查材質(zhì)； 檢查區(qū)域?qū)傩?，主要包括區(qū)域中設備能耗、運行時間表等； 設置區(qū)域體積，執(zhí)區(qū)域體積計算，加載氣象數(shù)據(jù)資料； 最后進行建筑總能耗和冷熱負荷分析；

(5)按照《綠色建筑評價標準》將評分項目進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并進行項目整體綠色建筑分析。

4 基于IFC與gbXML標準的綠色建筑性能分析實例驗證

驗證項目為某中學整體搬遷項目，選取其中行政樓和圖書館作為綠色建筑性能分析實例。行政樓為四層框架結構，建筑高度16.8m，建筑面積3 643.04m2。圖書館為三層框架結構，建筑高度16.20m，建筑面積3 426.56m2。該項目為公共建筑，綠色節(jié)能設計按《公共建筑節(jié)能標準》GB50189-2015進行設計，項目分析模型及周邊情況見圖5。

圖5 驗證項目分析模型及周邊建筑情況

(1)基于IFC標準的建筑外部風環(huán)境模擬

根據(jù)最新版《綠色建筑評價標準》要求：“場地內(nèi)風環(huán)境有利于室外行走、活動舒適和建筑的自然通風，評分總分為6分”。本項目首先利用ArchiCAD建立BIM模型，如圖6所示。并且對模型做簡化處理，只保留基本的幾何信息，將簡化模型以IFC標準格式導入到Ecotect中生成所需分析模型，最后在Ecotect軟件中建立周邊建筑的體量模型。風環(huán)境模擬分析采用流體動力學計算方法CFD，利用插件WINAIR4進行風環(huán)境模擬。

通過設置分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及在WINAIR中進行計算，建筑項目場地冬季風環(huán)境模結果包括：擬風速等值線、風壓等值線、三維風向分布等，如圖7、圖8和圖9所示。通過模擬分析結果可以看出，場地內(nèi)1.5m高度建筑在冬季外部風速均在2.0m/s之內(nèi)，場地內(nèi)風壓范圍為-1Pa-2Pa，目標建筑外部行人活動區(qū)域風場等值線分布較均勻，無明顯渦旋。目標建筑冬季周邊行人區(qū)域風速1.0m/s，根據(jù)《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)4.2.6條，小于標準規(guī)定的5m/s，并且行人活動區(qū)域無明顯渦旋，因此滿足綠色建筑要求。

圖6 建筑項目BIM模型

圖7 建筑項目場地風速等值線分布圖

圖8 建筑項目場地風壓分布

圖9 建筑項目場地風向分布圖

(2)基于gbXML標準的建筑熱環(huán)境分析

建筑熱環(huán)境分析通常以區(qū)域(Zone)為基礎，首先通過Revit建立實體模型并導通過gbXML標準的數(shù)據(jù)文件導入Ecotect中，如圖10所示。通過前文分析，gbXML標準的綠建模型不包含建筑物理屬性、構件厚度以及材料材質(zhì)等信息。因此需要在Ecotect中手工添加和設置綠建性能分析所需信息。例如，添加分析所需的建筑構件信息，設置墻的材質(zhì)、物理屬性以及厚度信息，以及設置房間人員數(shù)量、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及溫度等信息。通過將項目地理位置及氣象信息導入Ecotect，根據(jù)影響室內(nèi)熱環(huán)境的因素，熱環(huán)境分析結果包括該建筑全年逐月室內(nèi)能耗量(圖11)、逐月不舒適度分析(圖12)、被動組分的熱分析(圖13)等。

圖10 建筑項目熱環(huán)境分析模型

圖11 建筑項目全年逐月室內(nèi)能耗量

圖12 建筑項目逐月不舒適度分析

圖13 建筑項目被動組分的熱分析

5 結論

BIM技術是一種全新的信息技術，是建筑業(yè)實現(xiàn)綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。IFC和gbXML均是BIM技術的重要數(shù)據(jù)標準，也是解決建模軟件和綠色建筑分析軟件之間互操作性的關鍵和重點。本文詳細分析了IFC數(shù)據(jù)標準和gbXML數(shù)據(jù)標準的綠建信息表達方式，綠建信息的內(nèi)容以及不同標準BIM模型的適用性，提出了基于IFC和gbXML標準的綠色建筑信息模型的綠色建筑性能分析流程。同時將IFC和gbXML標準與綠色建筑性能分析相結合，探索不同軟件間信息共享的途徑，對解決BIM模型在信息交換過程中的“信息孤島”問題提出了參考建議，也為拓寬BIM技術的應用范圍提供了技術路線。

參考文獻

[1] Soebarto V I，Williamson T J.Multi-criteria assessment of building performance：theory and implementation[J].Building and Environment， 2001, 36(6): 681-690.

[2] 中國建筑科學研究院.《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2006)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2006.

[3] 王敏， 張行道，秦旋.我國新版《綠色建筑評價標準》縱橫比較研究[J].工程管理學報， 2016(01)： 1-6.

[4] Venugopal M，Eastman C M，Sacks R，et al.Semantics of model views for information exchanges using the industry foundation class schema[J].Advanced Engineering Informatics， 2012, 26(2): 411-428.

[5] Venugopal M，Eastman C，Sacks R，et al.Improving the robustness of model exchanges using product modeling′concepts′ for IFC schema[J].Computing in Civil Engineering， 2011.

[6] Version G.http：//www.gbxml.org/schema/6-01/GreenBuildingXML_Ver6.01.xsd.

[7] Guzmán Garcia E，Zhu Z.Interoperability from building design to building energy modeling[J].Journal of Building Engineering， 2015， 1： 33-41.