1、基于BIM技術的建筑設計軟件與建筑能耗模擬軟件EnergyPlus的數據交換分析馬智亮趙毅立（清華大學土木工程系，北京100084）摘要對免費的主流建筑能耗模擬軟件EnergyPlus的數據接口進行分析，探討將建筑信息模型（BIM）標準IFC標準數據轉換為EnergyPlus輸入數據文件格式數據的可行性。采用了文獻閱讀與實例分析相結合的方法。總結了EnergyPlus的數據接口以及IFC標準數據的特點，指出了為實現轉換需解決的關鍵問題及解決方法。結果表明，上游建筑設計軟件與建筑能耗模擬軟件間自動的數據交換是可行的。關鍵詞建筑能耗模擬 EnergyPlus 數據接口 IFCAnalysis of

2、 the Data Exchange between BIM-based Architectural Design Software and Building Energy Simulation Program EnergyPlusMa Zhiliang and Zhao Yili（Tsinghua University, Beijing 100084）Abstract The data interface of EnergyPlus which is a mainstream free building energy simulation software is analyzed and t

3、he feasibility for converting IFC standard data into EnergyPlus Input Data File formatted data is investigated. It is realized by conducting literature survey and analyzing typical examples. The data interface of EnergyPlus and that of IFC standard data were summarized, and the problems for converti

4、ng the data and the solutions to them were put forward. It is included that the automatic data exchange between BIM-based building design software and building energy simulation software is feasible.Key Words Building, Energy simulation, EnergyPlus, Data interface, IFC1 引言目前我國建筑能耗占總能耗的比例已達到約25% 1。導致

5、建筑能耗規模巨大且迅速增長的主要因素有3點：建筑節能水平低下；建筑規模大、增速快；人們對生活質量的要求不斷提高，導致空調、取暖設施的廣泛使用。由于后兩項因素具有必然性，解決建筑能耗問題主要依靠提高建筑節能水平。施行建筑節能設計是提高建筑節能水平的關鍵。它是一項系統工程，對建筑師、建筑環境工程師和設備工程師均提出了挑戰，尤其是對建筑師。在決定建筑能量性能的各種因素中,建筑的體型、方位及圍護結構形式起著決定性作用，直接的影響包括建筑物與外環境的換熱量、自然通風狀況和自然采光水平，且這3方面涉及的內容將構成70%以上的建筑采暖通風空調能耗。因此，建筑設計對建筑的能量性能起著主導作用2。對于建筑節能設

6、計，最關鍵的環節是，在建筑方案設計階段，對建筑的能耗水平進行定性的評估和定量的計算。定性的評估主要是指，檢查建筑設計方案是否滿足節能設計標準中有關的強制性規定，滿足者可稱作是節能建筑設計方案；定量的計算是指，采用建筑能耗模擬軟件動態地計算建筑能耗，從而可比較不同的建筑設計方案的在節能方面的優劣，從中得出的建筑能耗數據也是后續HVAC（暖通空調）系統設計所必需的。當前我國建筑節能設計尚處于初級階段，國家頒布的建筑節能設計標準正在推廣中，新建建筑的節能設計也僅限于滿足建筑節能設計標準的強制性規定，使用建筑能耗模擬軟件來優化建筑節能性能的案例還不多見。其主要原因是，建筑能耗模擬軟件難學難用。這是因為

7、，在使用建筑能耗模擬軟件時，需要首先輸入包括建筑幾何信息、材料熱工性能、暖通空調系統信息等大量復雜且專業化的數據，非常繁瑣且容易出錯。同時，使用建筑能耗模擬軟件需要具備復雜的能耗分析基礎知識。這些困難，阻礙了建筑師對建筑能耗模擬軟件的使用，造成建筑設計和能耗分析嚴重脫節，使在建筑設計階段優化建筑節能性能成為空談。可以從兩方面出發，解決這個問題。一方面是盡可能實現上游建筑設計軟件和建筑能耗模擬軟件間自動的數據交換，避免建筑信息的重復輸入。另一方面是結合建筑設計的特點，簡化建筑能耗模擬軟件的使用方法，使建筑師在不需要花太多精力學習相關知識的情況下，也能夠利用建筑能耗模擬軟件進行建筑能耗的計算。本文

8、作為前一方面的關鍵環節，將分析典型的建筑能耗模擬軟件EnergyPlus（以下簡稱E+）的數據接口，討論利用建筑信息模型（BIM, Building Information Modeling）的主流標準IFC（Industry Foundation Classes）實現兩類軟件之間數據交換的可行性，以便為實現兩類軟件間自動的數據交換打下基礎。2 建筑能耗模擬軟件E+簡介經過30多年的發展，建筑能耗模擬軟件已相當成熟，其精確度和適用性已得到充分驗證。它主要用來模擬建筑及系統的實際運行狀況，從而預測年運行能耗和費用。一般來說，建筑能耗模擬軟件主要有4種功能：負荷模擬，模擬計算建筑在一定的時間段中的

9、冷熱負荷，反映建筑圍護結構和外部環境、內部使用狀況之間在能量方面的相互影響；系統模擬，模擬空調系統的空氣輸送設備、風機、盤管及控制裝置等功能設備；設備模擬，模擬為系統提供能源的鍋爐、制冷機、發電設備等設備；經濟模擬，評估建筑在一定時間段為滿足建筑負荷所需要的的能源費用。E+是美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）在著名的建筑能耗模擬軟件DOE-2和BLAST的基礎之上開發的新一代軟件。E+于1996年開始研制開發，2001年投入使用，目前最新版本是2007年4月12日發布的2.0.0版。除了繼承了前兩種軟件大多數的特點和功能之外，該軟件還包括了許多創新性的模擬功能，例如：DOE-2和BLAST

10、均采用順序模擬的模式，即按照負荷模擬、系統模擬、設備模擬的順序進行，而E+將負荷模擬、系統模擬、設備模擬集成同步進行，在3個環節中均存在反饋，因此模擬準確性更高。E+的另一個重要特點是其開放性，它既是一個免費的軟件，又為開發者開放源代碼。程序按照模塊化的方式進行組織，E+的開發團隊盡可能地保證模擬代碼和算法的獨立性和模塊化，使第三方開發者能夠在盡可能少地了解原有程序的情況下方便地為其添加新的模塊和功能。E+的開發團隊將E+定位為一個模擬內核，其輸入文件為文本文件，輸出文件主要是文本文件和電子表格文件。簡單地說，使用E+的過程包括：準備輸入數據文件、運行E+進行模擬、得出輸出數據文件。E+本身只

11、提供了相當簡單的用戶界面，因此，在E+基礎上開發第三方界面是被鼓勵的。在使用E+進行模擬時，作為數據輸入的方法，用戶既可通過文本編輯器手動編輯輸入數據文件，也可通過其自帶的工具IDFEditor進行輔助編輯，還可通過第三方圖形用戶界面來生成輸入數據文件。圖1展示了結合了第三方界面和功能模塊的E+工作模型，其工作方式如下：用戶首先通過第三方用戶界面描述建筑信息，生成建筑描述文件（即E+的輸入數據文件）；E+作為能耗模擬內核，使用輸入數據文件，并根據需要調用各種第三方功能模塊和軟件，執行模擬計算；E+將包含計算結果的輸出數據文件交與第三方用戶界面進行加工處理，以更直觀的方式顯示模擬結果。3 E+的

12、數據接口分析 E+的輸入數據接口包括輸入數據文件（后綴名為IDF，是Input Data File的縮寫）和氣象數據文件。其中氣象數據文件由氣象資料處理而成，通常由第三方提供。一個簡單的輸入數據文件也會包括上千行的數據，對于初學者來說，要看懂輸入數據文件是不太容易的，要自己制作更加困難。理解輸入數據詞典（IDD）是掌握輸入數據文件制作方法的關鍵3。輸入數據詞典是由軟件自帶的一個文本格式的文件，它定義了輸入數據文件中數據的格式與類型。采用面向對象的方法，輸入數據詞典將輸入數據劃分為49個組（Group），包含了建筑概況、熱區幾何描述、建筑材料屬性、建筑使用信息、溫度調控策略、HVAC系統描述、模

13、擬結果輸出定制等多個方面。每個組包含若干類（Class），與C+中的類相似，是具有共性的一系列對象的抽象。每個類具有若干個參數（Field），類似于C+類的數據成員。可由類定義一個或多個具體的對象，例如Zone類是定義熱區的類，一個具體的建筑劃分為多少熱區，就有必要定義多少個具體的Zone類對象。在一個建筑描述文件中，有些類的對象是必須存在的，如Zone類的對象，而有些類是否具有實例化的對象則需要根據具體情況而定。輸入數據文件中最為重要的內容是對建筑模型的描述。與建筑設計中建筑模型的概念不同，E+的建筑模型從“熱量”的角度來描述建筑。理解E+建筑模型的關鍵是理解“Zone（熱區）”的概念，它是

14、指：具有相同溫度的空間區域，包括區域中的空氣以及在其內部和形成其邊界的熱傳導表面（Heat Transfer Surface）和熱存儲表面（Heat Storage Surface）。比如，我們可以把具有相同溫度調控需求的一系列相鄰的房間設為一個熱區。該熱區中房間與房間之間的墻就是熱存儲表面，因為墻兩側溫度相同，不存在熱傳導。該熱區與溫度不同的另一熱區之間的墻就是熱傳導表面。表面對象的參數主要用以描述表面的幾何特征、環境特征以及材料組成。用以描述表面材料組成的類是構造（Construction），一個表面只具有一個構造。一個構造可由一個或多個材料（Material）層組成。材料對象的參數則主要

15、描述材料的熱工特性。其結構如圖2所示。4 BIM數據轉換為E+建筑模型數據的可行性4.1 IFC的潛力BIM是用對象化的方式將建筑信息各組成部分及其相互關系按照一定的標準進行描述的數據模型，它使得建筑信息在各建筑專業間實現真正的共享成為可能。由國際協同工作聯盟（IAI）開發制定的IFC是BIM的主流標準，其2x platform版本已被ISO組織接納為ISO標準討論稿（ISO/PAS 16739）。IFC提供了一個描述建筑各方面信息的完整體系，它可以全面地描述建筑的組成和層次、建筑構件間的拓撲關系、構件的幾何形狀、類型定義、材料屬性等全方位的信息。由于這些信息完全采用面向對象的方式進行描述和組

16、織，所以通過相應的面向對象的程序設計，可以較為容易地萃取IFC標準數據（即滿足IFC標準的數據）中的各種信息，包括E+建筑模型所需的信息。IFC也實現了對HVAC的支持。由LBNL主導開發的IFC HVAC擴展大綱，在IAI項目體系中被稱做BS-8（Building Services project number 8），實現了對材料熱工性能的描述以及對HVAC系統和設備的定義與以及對其性能的描述4。綜上可知，從理論上講，E+建筑模型和HVAC系統描述的信息可從IFC標準數據獲得，這兩部分構成了IDF格式的E+輸入數據文件的主體。4.2 行業軟件的能力與局限盡管IFC已經包含了E+輸入數據文件的

17、主要信息，然而卻難以獲得能提供這些信息的IFC標準數據。其原因如下：一方面，建筑設計包含建筑、結構、給排水、電氣設備、空調等多專業的設計，這些專業的工作雖然通常按照一定的順序進行，但經常會由于下游專業設計的實際情況而要求上游專業設計對設計方案進行修改，即，實際的設計過程具有分散和迭代的特征。開發集成所有專業設計功能的設計軟件既不可能，也不必要，因此沒有軟件能獨自產生完整的IFC標準數據。由于各專業設計領域對數據的細節和側重點均有不同的要求，隨著設計工作的深化，IFC數據可能會包含更多專業的信息，但其中必有取舍，并非所有專業領域數據的簡單疊加。另一方面，目前各專業的設計軟件對IFC的支持能力存在

18、差異。由于IFC是一個新標準，其較為成熟的版本近兩年才出現，標準本身也在不斷發展中，各專業軟件對IFC的支持需要時間。建筑設計軟件（即建筑專業用的設計軟件）對IFC的支持在各專業軟件中是最好的。盡管如此，在其生成的IFC中性文件中也主要只能提供建筑幾何形狀信息和部分材料使用與屬性信息。僅有極少數HVAC系統設計軟件在一定程度上支持IFC。因此，在目前階段，IFC標準數據向IDF格式數據的轉換僅限于由建筑設計軟件（主要指Revit和ArchiCAD）所提供的建筑幾何信息和部分材料使用方面的信息。4.3 IFC標準數據應用于E+時尚存的技術問題及解決思路基于IFC的BIM與E+的建筑模型雖然都采用

19、面向對象的方法來描述建筑，但它們之間的復雜性、范圍、抽象程度不同。IFC采用了非常復雜的架構，以IFC 2x3 Final版本為例，它包括44個模塊共653個實體定義，具有復雜的繼承和引用關系，幾乎囊括了與建筑相關的各專業的內容，對建筑組成和構件的描述非常具體和詳細；而E+建筑模型的層次架構相對簡單（參見圖2），范圍也僅限于建筑幾何與材料屬性方面的內容，并且對建筑的幾何構造進行了一定程度的抽象和簡化，具體的建筑空間和形態復雜的建筑構件被抽象為熱區和表面。兩種模型之間的差異導致了將IFC標準數據轉換為E+的IDF格式數據的復雜性。作者對由Revit 8和ArchiCAD 10產生的IFC中性文件

20、分別進行了分析，并結合E+ Documentation中典型范例“Monmouth 教育中心一層”的E+建筑模型創建方法3，歸納了將IFC標準數據轉化為IDF格式數據時需要解決的主要技術問題，并提出了解決思路。（1）熱區的設置。在E+建筑模型中，通常需要將具有相同溫度調控要求的相鄰房間歸并為一個熱區。特殊情況下，相鄰兩個熱區的溫度調控要求也可以相同。對于用途單一，各房間溫度調控要求基本相同的建筑，例如辦公樓、商場等，甚至可以將整棟建筑定義為一個熱區，這種簡化對于計算建筑總冷熱負荷來說，并不會帶來明顯的誤差。在開發用于實現從IFC標準數據向E+的IDF格式數據轉換的軟件時，需要提供根據溫度調控要

21、求智能化設置熱區的功能，以及為用戶提供通過交互式操作，將多個房間合并為熱區的功能。熱區的設置意味著IFC標準數據中的多個空間需要被歸并為單個的空間，跨越多個熱區的墻體需要被拆分為多個屬于不同熱區的表面。（2）熱區表面幾何形態的簡化。對于熱量傳導計算而言，熱區表面幾何形態的準確描述是不必要的，程序只需要知道每個表面向哪個熱區傳導熱量，它就可以正確地計算所有的熱平衡。表面幾何形態的簡化表現在以下幾個方面：首先，表面必須是多邊形平面，在建筑設計軟件中具有復雜幾何形態的墻體，例如曲面墻在E+的IDF格式數據文件中應處理為多個多邊形表面。其次，需要將屋頂和地板表面簡化為矩形。第三，應將在同一個熱區中具有

22、相同構造的所有熱存儲表面定義為一個單一的等效表面，這個等效表面的面積應等于暴露于該熱區的所有單個表面面積之和。第四，從屬于一個表面的所有同類窗戶應歸并為一個。應研究簡化表面幾何形態的模式與算法，在界面軟件中對表面幾何形態進行簡化處理。（3）表面類型和外部環境特征的確定。表面通常有熱存儲表面和熱傳導表面兩種類型，處于一個熱區空間內部的表面是熱存儲表面，形成熱區邊界的表面則兩者均有可能，如果表面所分隔的兩個熱區溫度不同，則表面內存在熱傳導，是熱傳導表面，否則是熱存儲表面。同時還需要確定表面的外部環境和環境對象。E+建筑模型中的表面類型與環境特征不能從IFC標準數據中直接獲取，需要根據溫度調控要求以

23、及熱區設置的結果進行判斷。在界面軟件中需要將判別表面類型和外部環境特征的方法轉化為計算機可以理解的程序邏輯，以解決該問題。（4）材料熱工性能參數的確定。現有的建筑設計軟件所使用的構件對象比如墻體在導出為IFC中性文件時可以包含墻體材料層的相關信息，但不包含材料的熱工性能數據。在界面軟件中可以考慮設計熱工性能數據輸入的功能模塊，或者在界面軟件中使用包含材料熱工性能的標準庫。值得說明的是，國外的研究機構LBNL已經開發了基于BSPro COM-Server的客戶端組件IFCtoIDF5，它利用BSPro所提供的簡化IFC的功能，較好的解決了熱區表面幾何形態的簡化問題。然而，IFCtoIDF只是一個單向的、無交互地將BSPro處理過的IFC模型轉化為E+的IDF格式數據文件所需要的部分數據的工具，并未解決上述（1）、（3）、（4）問題，離成熟的解決方案之間仍然具有相當大的距離。5 結語利用基于BIM技術的建筑設計軟件和建筑能耗模擬軟件之間的數據交換是解決建筑設計階段節能設計問題的有效途