基于BIM 的建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與建筑本體模型的集成方法研究

李萬寧 莊典 徐質(zhì)文 金星 周欣 石邢

李萬寧 東南大學(xué)建筑學(xué)院碩士研究生。

莊典 東南大學(xué)建筑學(xué)院博士研究生。

徐質(zhì)文 東南大學(xué)建筑學(xué)院碩士研究生。

金星 東南大學(xué)建筑學(xué)院教授。

周欣 東南大學(xué)建筑學(xué)院副教授。

石邢 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教授，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

隨著綠色建筑的不斷發(fā)展，建筑運(yùn)行階段的性能監(jiān)測(cè)愈發(fā)受到重視，各類建筑性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。然而，這些由建筑性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并未得到有效利用，各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未能形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的系統(tǒng)互不兼容，導(dǎo)致絕大部分的建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法有效集成和融合，造成了數(shù)據(jù)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)，建筑運(yùn)行階段的性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是BIM運(yùn)維階段的重要基礎(chǔ)信息，理應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中被納入BIM的信息庫中。

茩前關(guān)于建筑性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成的研究，一般會(huì)開發(fā)第三方平臺(tái)將建筑模型和建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息分別輸入其中進(jìn)行集成。這一技術(shù)路線的不足體現(xiàn)在：1）開發(fā)第三方信息集成平臺(tái)存在一定技術(shù)難度，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這些平臺(tái)不具備通用性，導(dǎo)致開發(fā)效率低，實(shí)際推廣應(yīng)用困難；2）上述技術(shù)路線需要重新建立建筑模型或?qū)⒁延心Ｐ托畔?dǎo)入第三方平臺(tái)，會(huì)對(duì)建筑模型進(jìn)行大量簡化，并且導(dǎo)出建筑模型信息時(shí)需要采用IFC格式作為信息流轉(zhuǎn)的媒介，然而其效果并不理想，數(shù)據(jù)交互的質(zhì)量低；3）第三方集成平臺(tái)的功能往往針對(duì)具體項(xiàng)目和具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，不具備后續(xù)的可拓展性，在建筑運(yùn)行階段，對(duì)性能數(shù)據(jù)集成后的挖掘、應(yīng)用存在明顯不足。茩前將BIM平臺(tái)提供的可視化編程插件作為參數(shù)化工具已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，如Revit的Dynamo工具、Rhino的Grasshopper平臺(tái)、ArchiCAD的Param—O插件等。這些工具不僅可以有效地提高BIM軟件參數(shù)化建模的效率，也能極大地提高BIM軟件的開發(fā)拓展能力。

鑒于以上原因，本研究基于Revit平臺(tái)，利用Dynamo和MySQL數(shù)據(jù)庫作為集成技術(shù)的開發(fā)工具，構(gòu)建包含建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在內(nèi)的建筑運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)拓展信息模型——P—BIM（Performance Integrated BIM），完整的P—BIM還應(yīng)包含設(shè)計(jì)階段的建筑性能模擬數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)集成的茩的在于更有效地利用數(shù)據(jù)，本文提出的技術(shù)路線在應(yīng)用層面具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新性：1）P—BIM基于BIM提供的完善的建筑本體模型，可在運(yùn)維階段完整準(zhǔn)確地繼承由規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工產(chǎn)生的所有工程信息，避免BIM模型在信息流轉(zhuǎn)中失真，有利于BIM在運(yùn)維階段的推廣應(yīng)用；2）依靠BIM建筑本體模型和標(biāo)準(zhǔn)化的集成方案即可完成性能數(shù)據(jù)集成，不僅可以提高開發(fā)效率，而且較高的標(biāo)準(zhǔn)化程度使其具備通用性，任何項(xiàng)目只要擁有BIM模型和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可搭建P—BIM，有利于該集成技術(shù)的推廣；3）BIM軟件中的可視化編程工具基于節(jié)點(diǎn)包提供模塊化的功能，這些工具為建筑工程設(shè)計(jì)人員和建筑專業(yè)軟件開發(fā)人員搭建了一個(gè)橋梁，改變了曾經(jīng)前者使用、后者開發(fā)的割離局面，使得工程設(shè)計(jì)人員也能夠根據(jù)自己的實(shí)際需要開發(fā)自動(dòng)化的腳本工具，軟件開發(fā)人員僅需提供底層的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)包，并且這些腳本和節(jié)點(diǎn)包都可在統(tǒng)一平臺(tái)上共享，隨時(shí)調(diào)用，極大地推動(dòng)了BIM技術(shù)在實(shí)踐中的推廣應(yīng)用，共同形成BIM應(yīng)用開發(fā)的生態(tài)，進(jìn)一步推動(dòng)其產(chǎn)生更大的應(yīng)用價(jià)值。

1 建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其屬性

1.1 文獻(xiàn)綜述

為建立科學(xué)合理的建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，首先從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和研究文獻(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。

從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來看，我國自2008年頒布《國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、驗(yàn)收與運(yùn)行管理規(guī)范》，開始對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出要求，而后相繼出臺(tái)了各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，逐步擴(kuò)大對(duì)建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)的范圍，監(jiān)測(cè)內(nèi)容也從建筑能耗擴(kuò)充到涵蓋建筑環(huán)境品質(zhì)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)等各個(gè)方面。國外方面，發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)末開始提出對(duì)商業(yè)建筑的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，推廣智能電表和分項(xiàng)計(jì)量，并不斷采用新的信息技術(shù)手段加強(qiáng)對(duì)建筑運(yùn)行性能的監(jiān)測(cè)。

從相關(guān)研究文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行過理論和應(yīng)用研究。國內(nèi)方面，崔富義等提出了一套綠色建筑全周期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括能耗參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和設(shè)施參數(shù)；李晉秋等構(gòu)建了包含7個(gè)一級(jí)指標(biāo)和39個(gè)二級(jí)指標(biāo)的綠色建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)庫，并針對(duì)所有二級(jí)指標(biāo)列出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)。國外方面，各國學(xué)者都對(duì)建筑環(huán)境評(píng)估和監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）進(jìn)行了研究，提出了各自的指標(biāo)體系，如Alwaer等人提出衡量可持續(xù)建筑的16個(gè)指標(biāo)，包含6個(gè)與建筑環(huán)境性能相關(guān)的指標(biāo)；Kylili等人提出與環(huán)境相關(guān)的12類監(jiān)測(cè)指標(biāo)。這些學(xué)者提出的關(guān)鍵性能指標(biāo)涉及能耗、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、廢物排放、水、噪聲等各個(gè)方面，具有很大的參考價(jià)值。

從文獻(xiàn)綜述的結(jié)果可以看出，對(duì)于建筑運(yùn)行監(jiān)測(cè)到底應(yīng)該監(jiān)測(cè)什么，國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范涉及到了一些內(nèi)容，研究學(xué)者也提出了一些指標(biāo)體系。但是，尚未有一部專門針對(duì)建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來系統(tǒng)、全面地指導(dǎo)相關(guān)實(shí)踐，且國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究多針對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系的建立，缺少從數(shù)據(jù)集成角度對(duì)具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)屬性進(jìn)行分析的研究。因此，下文將針對(duì)以上兩個(gè)問題，提出建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，并對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的集成屬性進(jìn)行詳細(xì)的分析，為研究建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM的集成方法奠定基礎(chǔ)。

1.2 建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系及屬性分析

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果并結(jié)合建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)的要求，提出建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，具體包括建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)的7個(gè)方面（一級(jí)指標(biāo)）：室外環(huán)境品質(zhì)、室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)、資源消耗、用戶行為、暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和可再生能源系統(tǒng)，每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下又分為若干二級(jí)指標(biāo)，每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下包括具體的監(jiān)測(cè)參數(shù)。從與建筑本體模型集成的角度而言，這些監(jiān)測(cè)參數(shù)具有不同的內(nèi)在屬性，具體分析如下。

（1）參數(shù)從屬屬性，即某一監(jiān)測(cè)參數(shù)所監(jiān)測(cè)的內(nèi)容與建筑本體模型的從屬關(guān)系。每項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)均從屬于建筑本體模型的某一建筑構(gòu)件、設(shè)備組件或建筑空間，如門窗的啟閉狀態(tài)從屬于建筑構(gòu)件、空調(diào)末端出風(fēng)口溫度從屬于設(shè)備組件、室溫參數(shù)從屬于建筑空間等，集成時(shí)將其分別關(guān)聯(lián)到建筑本體模型中相應(yīng)的部分。此外，將描述整個(gè)建筑或建筑群屬性的參數(shù)關(guān)聯(lián)到該模型項(xiàng)目層級(jí)。

（2）數(shù)據(jù)格式屬性，即某一監(jiān)測(cè)項(xiàng)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特性，可分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是指每隔一段時(shí)間就采集一個(gè)值的數(shù)據(jù)，即時(shí)序數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量較大，建筑運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大多數(shù)屬于此類，如溫濕度監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)、照度監(jiān)測(cè)等；靜態(tài)數(shù)據(jù)是指非時(shí)序數(shù)據(jù)，如建筑能耗監(jiān)測(cè)中的建筑基本信息描述數(shù)據(jù)、全年資源消耗指標(biāo)和資源總耗數(shù)據(jù)等，這類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小。

（3）讀取頻率屬性，即某一動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)在單位時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)值的讀取次數(shù)。一般而言，某一監(jiān)測(cè)參數(shù)的讀取頻率取決于參數(shù)本身的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)儀器的硬件性能。茩前，除室內(nèi)污染物（如甲醛、TVOC等）監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性稍差外，監(jiān)測(cè)頻率在硬件上幾乎不存在限制，故而各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的數(shù)據(jù)讀取頻率一般是根據(jù)其穩(wěn)定性進(jìn)行人為設(shè)定，通過行業(yè)實(shí)踐逐漸形成監(jiān)測(cè)參數(shù)讀取頻率的范圍。本文將監(jiān)測(cè)參數(shù)的讀取頻率屬性分為高、中、低、無4個(gè)等級(jí)，其中“無”表示該監(jiān)測(cè)項(xiàng)為靜態(tài)數(shù)據(jù)。

從以上3個(gè)方面對(duì)各項(xiàng)具體監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行集成性分析，結(jié)果如表1所示。

1 集成方案

2 基于BIM的建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成方法

2.1 性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成方法與P-BIM模型構(gòu)建

根據(jù)前文對(duì)性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的屬性分析，可對(duì)靜態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取不同的集成方案來構(gòu)建P-BIM，集成方案如圖1所示。

首先將收集到的建筑運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（一般為Excel格式）進(jìn)行從屬屬性分析，明確其與建筑本體模型的從屬關(guān)系。接著，對(duì)于靜態(tài)數(shù)據(jù)，直接利用Dynamo對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)從屬關(guān)系將數(shù)據(jù)與BIM中建筑本體模型一一映射，然后在Revit中創(chuàng)建參數(shù)并寫入數(shù)據(jù)，即可將靜態(tài)數(shù)據(jù)直接集成進(jìn)Revit模型中；對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在完成屬性分析的同時(shí)，還需完成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫模式（Schema）的設(shè)計(jì)，然后通過Dynamo提取Revit中建筑本體模型的信息，通過預(yù)處理在MySQL數(shù)據(jù)庫中建立性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與建筑本體模型的關(guān)聯(lián)，最后將性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)寫入MySQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，即可完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的集成。

本研究對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計(jì)如下方案：

（1）將Revit模型中所有被關(guān)聯(lián)到的實(shí)例提取出來，單獨(dú)建立表格，存儲(chǔ)該實(shí)例的相關(guān)信息（表2）。

（2）每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可根據(jù)其從屬關(guān)系關(guān)聯(lián)到Revit模型的相應(yīng)實(shí)例上，用該實(shí)例的唯一ID進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以實(shí)例ID作為表名創(chuàng)建表，表中數(shù)據(jù)即為與該實(shí)例相關(guān)的所有性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（表3）。

2.2 集成案例及P-BIM應(yīng)用展望

上海電氣“零能耗太陽能示范建筑”項(xiàng)目是上海電氣集團(tuán)為展示其研發(fā)的薄膜太陽能電池產(chǎn)品而設(shè)立，位于南京湯山展示基地。該項(xiàng)目采用了太陽能建筑一體化技術(shù)來達(dá)到“零能耗”的茩標(biāo)，并設(shè)計(jì)了包含太陽能發(fā)電系統(tǒng)、室內(nèi)外環(huán)境、用能系統(tǒng)和用戶行為的綜合顯示及控制系統(tǒng)。集成的數(shù)據(jù)包括室內(nèi)逐時(shí)溫度、能耗及太陽能發(fā)電量，這些數(shù)據(jù)與Revit模型集成后，即可在Revit中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和顯示。圖2展示了室內(nèi)逐時(shí)溫度，以及根據(jù)能耗及發(fā)電數(shù)據(jù)計(jì)算出的分項(xiàng)能耗占比和逐月的發(fā)電量盈余。

表1 建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系及監(jiān)測(cè)參數(shù)集成性分析

表2 Elements表的列

表3 Element ID表的列

上述案例簡單地展示了P—BIM的數(shù)據(jù)查詢可視化應(yīng)用，未來隨著該項(xiàng)目的投入使用，還會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將會(huì)有更多的功能和使用場景。根據(jù)P—BIM的特點(diǎn)，其應(yīng)用場景展望如下：

（1）可視化應(yīng)用

可視化是BIM技術(shù)的特點(diǎn)之一，P—BIM直接基于Revit平臺(tái)，利用Revit成熟的三維模型顯示功能以及完善的原始建筑模型信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)集成，使用Dynamo實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相互查詢，并在此基礎(chǔ)上顯示三維模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。上述案例已對(duì)可視化功能進(jìn)行了簡單展示，未來可根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)出更豐富的可視化功能。

（2）綠色建筑運(yùn)行標(biāo)識(shí)評(píng)價(jià)審查應(yīng)用

P—BIM集成了建筑運(yùn)行階段各項(xiàng)性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可在綠色建筑運(yùn)行評(píng)價(jià)以及建筑后評(píng)估等建筑運(yùn)行階段的評(píng)價(jià)審查中直接發(fā)揮作用，按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相應(yīng)檢驗(yàn)程序，即可利用P—BIM快速完成審查并出具評(píng)估報(bào)告，相比傳統(tǒng)的評(píng)估模式，大大提高了評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性。

（3）建筑的綜合運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)與診斷

P—BIM能綜合各類建筑性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用一定的評(píng)價(jià)算法，對(duì)建筑當(dāng)前的綜合運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和診斷，以便維護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑運(yùn)行存在的問題，進(jìn)一步利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)集成數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中所隱藏的異常狀態(tài)，為保障建筑的綠色健康運(yùn)行提供更先進(jìn)的技術(shù)手段。

（4）基于建筑運(yùn)行性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綠色建筑設(shè)計(jì)方法挖掘

隨著P—BIM模型的數(shù)量逐漸累積，可形成P—BIM數(shù)據(jù)庫，將不同建筑間性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法找出差異并分析原因，可尋找出更有效的綠色建筑設(shè)計(jì)方法，對(duì)既有建筑的節(jié)能改造和新建建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)都將具有應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

針對(duì)茩前建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法得到有效共享和利用的現(xiàn)狀，本研究首先基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和文獻(xiàn)研究，提出了建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，并進(jìn)一步從數(shù)據(jù)集成的角度，對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)的集成屬性進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索了基于BIM的建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與建筑本體模型的集成方法，初步建立了包含建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的P—BIM模型，并對(duì)集成結(jié)果和可視化應(yīng)用進(jìn)行案例應(yīng)用展示。結(jié)果表明，本文采取的技術(shù)路線能夠?qū)崿F(xiàn)建筑運(yùn)行階段性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM建筑本體模型的集成，P—BIM可成為建筑運(yùn)行階段性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、集成、挖掘、應(yīng)用的基礎(chǔ)模型，并且在可視化和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用等方面具有廣闊的前景。

2 Revit 中集成后軟件操作界面截圖

圖表來源

1,2 作者自繪

表1-3 作者自繪