基于POE理論和BIM技術(shù)的綠色建筑室內(nèi)環(huán)境后評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)研究

羅濤 LUO Tao；湯惠玲 TANG Hui-ling；黃錦龍 HUANG Jin-long

（①龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，龍巖 364012；②福建才溪建設(shè)集團(tuán)有限公司，龍巖 364000；③福建國強(qiáng)新型環(huán)保建材有限公司，龍巖 364000）

0 引言

建筑使用后評(píng)估始于20世紀(jì)60年代，綠色建筑后評(píng)估是在建筑使用后評(píng)估的理論上，結(jié)合綠色建筑運(yùn)行參數(shù)和要求進(jìn)行的針對(duì)綠色建筑運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)體系和方法。綠色建筑后評(píng)估評(píng)價(jià)指標(biāo)包括環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等客觀指標(biāo)也包括環(huán)境體驗(yàn)人員的主觀評(píng)價(jià)內(nèi)容。綠色建筑是以全生命周期設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)的建筑體系，包括的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、回收等環(huán)節(jié)。目前綠色建筑評(píng)價(jià)集中在前期的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及施工階段，給定的星級(jí)評(píng)價(jià)也主要是針對(duì)前期的內(nèi)容進(jìn)行的指標(biāo)認(rèn)定。建筑后期的維護(hù)運(yùn)行是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和使用人員的體驗(yàn)并沒有有效的保證和評(píng)估措施。POE理論依托綠色建筑的特性，可以有效對(duì)綠建的后期運(yùn)行進(jìn)行全面綜合客觀的評(píng)價(jià)。建筑設(shè)計(jì)及建筑的性能是否能夠達(dá)到預(yù)期的要求，是否能夠有效滿足建筑使用者的需求，需要一套完善的理論和有效的方法進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，這也是POE的目標(biāo)和任務(wù)。通過POE體系的構(gòu)建，可以指導(dǎo)改善建筑使用狀況，為其他綠色建筑的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。

基于POE理論和BIM技術(shù)的綠色建筑室內(nèi)環(huán)境后評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，集成BIM技術(shù)模型和參數(shù)采集硬件系統(tǒng)。利用arduino開源嵌入式硬件平臺(tái)集成環(huán)境感知傳感器進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)錄入到web系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。工程運(yùn)維BIM模型集成數(shù)據(jù)調(diào)取和展示功能，通過BIM模型可以實(shí)時(shí)對(duì)建筑內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)取和查詢。綠色建筑運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)發(fā)生，利用綠色建筑后評(píng)估理論建立數(shù)學(xué)分析模型，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和展示，為建筑運(yùn)行提供優(yōu)化和改進(jìn)數(shù)據(jù)。

1 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量影響著室內(nèi)人員的情緒和身體健康，對(duì)工作效率也有間接的影響，物理參數(shù)測(cè)量值在環(huán)境質(zhì)量評(píng)估中作為控制項(xiàng)，包括溫濕度、采光、空氣流速、甲醛、苯、氨、TVOC等諸多參數(shù)。

對(duì)室內(nèi)使用者在生心上產(chǎn)生影響的各類聲源影響因素的疊加形成我們定義的室內(nèi)聲環(huán)境，包括了正常交流的聲音元素、噪音及背景音樂等各種音源，其中建筑室內(nèi)外各種噪聲源是聲環(huán)境主要研究和控制的對(duì)象。GB 50378-2014《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50118《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》里對(duì)噪聲做了相關(guān)控制并給定了噪聲級(jí)的相關(guān)范圍區(qū)間，系統(tǒng)開發(fā)在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用人員主觀評(píng)判進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并設(shè)定相應(yīng)評(píng)判節(jié)點(diǎn)。

影響室內(nèi)使用者冷熱體感的各種因素，包括溫度、濕度、空氣流速、味道等相關(guān)因素指標(biāo)構(gòu)成室內(nèi)熱環(huán)境?！稛岘h(huán)境人類工效學(xué)—使用主觀判定量表評(píng)價(jià)熱環(huán)境的影響》GBT 18977-2003里對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境做了相關(guān)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)開發(fā)中各項(xiàng)分?jǐn)?shù)的設(shè)定以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，通過傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)定監(jiān)測(cè)閥點(diǎn)。

光照是室內(nèi)環(huán)境采光的主要光源，門窗的材質(zhì)設(shè)置和窗簾的材質(zhì)設(shè)置的合理性關(guān)系到室內(nèi)光環(huán)境的好壞和環(huán)保性。輔助光源的設(shè)置及泛光的運(yùn)用能彌補(bǔ)和改善自然光源環(huán)境，會(huì)影響室內(nèi)使用者在心理、生理及物理人體工效學(xué)方面的功能要求?！督ㄖ彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034對(duì)室內(nèi)照度做了相關(guān)要求和規(guī)定，系統(tǒng)開發(fā)以此為依據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和閾值設(shè)定。

CO2濃度、甲醛含量、苯烴類含量、PM2.5、P10等指標(biāo)在室內(nèi)空氣品質(zhì)控制中作為主要因素和閾值控制節(jié)點(diǎn)，直接關(guān)系到對(duì)人體主觀和客觀方面的體驗(yàn)。系統(tǒng)開發(fā)以這幾個(gè)參數(shù)作為主要監(jiān)測(cè)參數(shù)，利用終端傳感器感知相關(guān)數(shù)據(jù)，并依據(jù)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》和《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和閾值設(shè)定。

2 基于POE理論的BIM平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

平臺(tái)開發(fā)依托網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分軟件開發(fā)和硬件開發(fā)兩部分。硬件開發(fā)包括終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建和開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的搭建和開發(fā)已經(jīng)WEB服務(wù)器的搭建和開發(fā)。在終端數(shù)據(jù)采集部分，考慮到成本和精度的問題，利用樹莓派電腦平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳感器的搭建基礎(chǔ)平臺(tái)，利用anduino開發(fā)小板作為分布端的數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)，技能控制成本有很好的保證了精度和靈活性。

2.1 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建

Web端開發(fā)采用B/S架構(gòu)，客戶借助終端瀏覽器向BIM+WebServer服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器接受請(qǐng)求依托程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)更新并將結(jié)果傳回客戶端。BIM模型在服務(wù)器中運(yùn)行時(shí)，考慮到負(fù)載和元件有效性的因素，根據(jù)數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)顯示的需求進(jìn)行輕量化處理以減小對(duì)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的壓力。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建

2.2 BIM服務(wù)器構(gòu)建

BIM服務(wù)器以BIM模型為服務(wù)對(duì)象，結(jié)合IFC或STEP標(biāo)準(zhǔn)特性，通過簇元素的建庫管理，BIM數(shù)據(jù)的建庫管理等方法形成以BIM模型數(shù)據(jù)為中心，數(shù)據(jù)分析處理為工作條件的服務(wù)器平臺(tái)架構(gòu)。終端用戶可以通過web瀏覽器提出需求，BIM服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行模型分析和輕量化計(jì)算，檢索匯總所需要的信息，然后將擴(kuò)展的模型信息重新提交到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、交換和應(yīng)用。

結(jié)合服務(wù)器建設(shè)，采用網(wǎng)絡(luò)型室內(nèi)環(huán)境參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)采集相關(guān)參數(shù)。利用樹莓派電腦做數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)，結(jié)合aduino+傳感器的數(shù)據(jù)采集終端，將實(shí)時(shí)采集的溫濕度、光照、噪音等參數(shù)以CSV文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)更新到BIM模型和WEB數(shù)據(jù)庫中。考慮到該采集是以一定頻率穩(wěn)定采集的，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新到服務(wù)器中會(huì)增大服務(wù)器負(fù)荷，降低WEB終端使用效率。數(shù)據(jù)更新以樹莓派系統(tǒng)做中介平臺(tái)，可以設(shè)定每天或每周進(jìn)行數(shù)據(jù)更新操作，或者以WEB終端需求為觸點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)由市內(nèi)環(huán)境檢測(cè)采集系統(tǒng)和web交互數(shù)據(jù)處理兩部分組成。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)，利用搭建的硬件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集、記錄功能模塊，主觀數(shù)據(jù)采集記錄功能模塊和BIM模型數(shù)據(jù)分析處理模塊。針對(duì)BIM模型，主要利用revit軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行階段的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和顯示及模型的數(shù)據(jù)更新。另一部分主要是Web服務(wù)器后臺(tái)及前端信息交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參與各方在網(wǎng)頁端上瀏覽輕量化模型并進(jìn)行信息交互。開發(fā)流程如圖2。

圖2 開發(fā)流程圖

4 平臺(tái)界面功能開發(fā)

平臺(tái)功能包括：BIM模型瀏覽展示模塊，利用實(shí)現(xiàn)Revit端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示。BIM模型數(shù)據(jù)處理模塊，利用Revit端室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)閾值報(bào)警及文件報(bào)告生成。Web端模型及數(shù)據(jù)展示、Web端評(píng)估報(bào)表顯示、Web端信息交互等相關(guān)功能界面。平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如表1。

表1 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)表

系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面設(shè)計(jì)

5 后評(píng)估參數(shù)設(shè)計(jì)

5.1 后評(píng)估系統(tǒng)在建筑能耗方面的參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)的通用性，能耗參數(shù)以電和熱為主要的參數(shù)計(jì)量指標(biāo)。從新技術(shù)監(jiān)控，節(jié)能降耗，綠色能源等方面進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和提取。并設(shè)置了自主設(shè)置接口，依據(jù)不同的建筑運(yùn)行方式來進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。電耗部分包括采光、空調(diào)、動(dòng)力維護(hù)等部分，另外允許標(biāo)定電的綠色態(tài)性滿足運(yùn)行評(píng)估的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。熱主要針對(duì)北方的取暖方式會(huì)和電有交叉，參數(shù)設(shè)置過程中進(jìn)行特殊標(biāo)定，滿足參數(shù)讀取計(jì)算要求。

5.2 后評(píng)估系統(tǒng)室內(nèi)物理參數(shù)設(shè)計(jì)

基于POE理論引入環(huán)境質(zhì)量參數(shù)設(shè)計(jì)，將物理環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50376、空氣品質(zhì)評(píng)估參考《健康建筑評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》T/ASC02-2016等國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及實(shí)際調(diào)研情況，以達(dá)標(biāo)率的計(jì)算形式體現(xiàn)出來。

V：達(dá)標(biāo)率；n：滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的參數(shù)點(diǎn)數(shù)量；N總參數(shù)點(diǎn)數(shù)量；考慮系統(tǒng)運(yùn)營的特點(diǎn)，達(dá)標(biāo)率覆蓋的時(shí)段包括工作時(shí)段和非工作時(shí)段，根據(jù)建筑自身運(yùn)行特性進(jìn)行選擇，前提是要統(tǒng)一。

5.3 環(huán)境質(zhì)量用戶滿意度后評(píng)估

借鑒美國LEED認(rèn)證的相關(guān)調(diào)研方法和思想進(jìn)行問卷調(diào)查設(shè)計(jì)，對(duì)主管感受、舒適度體驗(yàn)、環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行用戶主觀調(diào)研。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮的人員性別、年齡、工作性質(zhì)等因素的設(shè)定，并進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，方便調(diào)研人員在系統(tǒng)上的錄入體驗(yàn)，以盡量避免人員的主觀應(yīng)付和排斥。

5.4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果評(píng)價(jià)

通過對(duì)某綠色建筑教學(xué)辦公樓的系統(tǒng)試運(yùn)行取得的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境的客觀參數(shù)調(diào)查結(jié)果顯示：45歲以下的年輕人群有60%對(duì)環(huán)境參數(shù)敏感，其中女性占比超70%。45歲以上的中年人群對(duì)環(huán)境參數(shù)不敏感，有30%左右甚至不關(guān)心，對(duì)環(huán)境的需求率主觀上沒有要求。

在所有的人群中，空氣流速、溫度兩個(gè)指標(biāo)是比較敏感指標(biāo)，其次濕度主觀敏感性也較強(qiáng)，直接影響工作環(huán)境的舒適性，對(duì)工作人員的情緒和工作效率影響較大。

建筑功能設(shè)置和建筑基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)置方便面的數(shù)據(jù)調(diào)研，數(shù)據(jù)偏差性較大，沒有明顯正太規(guī)律性。建筑空間的設(shè)計(jì)、建筑層高的影響、公共區(qū)的設(shè)置、樓梯、樓道、電梯等分別做了調(diào)研參數(shù)設(shè)計(jì)和分值設(shè)置。年輕男性相對(duì)打分偏高，年輕女性打分居中，中年男性滿意度偏低，分值分布不均，滿意度跨度維度較廣，但基本體現(xiàn)了建筑運(yùn)行的基本狀態(tài)和人為使用的關(guān)系。

6 結(jié)論與改進(jìn)

通過開發(fā)基于BIM模型數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)綠色建筑運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，對(duì)綠色建筑的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、能耗配比、舒適性主觀數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，為綠色建筑的節(jié)能運(yùn)行提供數(shù)據(jù)參考支撐，并通過Web交互實(shí)時(shí)分享和分析數(shù)據(jù)，滿足綠色建筑的長期運(yùn)營監(jiān)控和優(yōu)化機(jī)制。

①通過系統(tǒng)驗(yàn)證評(píng)分細(xì)則和各部分權(quán)重的合理性，為綠色建筑綠色運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。②通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色建筑的精細(xì)化的運(yùn)營和管理，今后可以通過收集其他同類型建筑的信息形成系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)，方便不同類型建筑的后期運(yùn)營比對(duì)和分析。③對(duì)Web端功能進(jìn)行擴(kuò)展，直接連接傳感器數(shù)據(jù)等各類信息，完全實(shí)現(xiàn)B/S構(gòu)架，方便人員操作。④目前系統(tǒng)平臺(tái)集成了后評(píng)估所需的各類參數(shù)信息，需要完善界面顯示關(guān)聯(lián)信息（如將具體評(píng)估條目與所需的參數(shù)及設(shè)備集中顯示），同時(shí)在Web端為不同角色用戶提供相應(yīng)的功能服務(wù)。