从节能设计IFC数据生成IDF数据的机制及关键算法

1、第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集上海2011从节能设计IFC数据生成IDF数据的机制及关键算法马智亮 曾曾统华 魏振华 冯妍清华大学土土木工程程系，北北京 10000884【摘要】基基于BIM技术的的我国建筑筑节能设设计软件件为进行行能耗模模拟，需需要实现现IFC数据到到能耗模模拟软件件所需数数据的转转换。目目前国内内外已经经有一些些相关研研究，但但其具体体转换机制制和算法法并未公公开，也也没有实实现商业业化应用用。本研研究首先先建立了了建筑节节能设计计信息需需求模型型，然后后通过分分析IFC标准和和主流能能耗模拟拟内核EnnerggyPllus的IDF格式分分别建立立起了基基于IFC标

2、准和IDF格式的的建筑节节能设计计信息模模型，之之后在该该模型的的基础上上，通过过解决一一些关键键算法建建立并实实现了由由节能设设计IFFC数据据生成IIDF数据的的转换机制制。实际际工程的的应用表表明所建建立的机机制能大大大提高高建模效效率。本本研究为为开发基基于BIM技术的的我国建筑筑节能设设计软件件奠定了了基础。【关键词】IFC；IDF；信息模型；模型转化引言随着可持续续发展思思想深入入人心，建建筑节能能问题已已经受到到世界性性的普遍遍关注。目目前，我我国每年年新增建建筑面积积高达18-20亿平方方米参考文献1 姜小明. 高层建筑节能设计J. 四川建材. 2008(5): 17-18.，

3、特别是是近年来来建造了了大量的的大型公公共建筑筑和商业业建筑，节节能问题题尤其突突出。建筑节节能的关关键在于于节能设设计，然然而现有有的建筑筑节能设设计软件件往往不不能直接接利用建建筑设计计结果，参考文献1 姜小明. 高层建筑节能设计J. 四川建材. 2008(5): 17-18.BIM（BBuilldinng IInfoormaatioon MModeelinng，建筑筑信息模模型）技技术的出出现为解解决该问问题提供供了可能能性。因因为利用用BIM技术设设计后得得到的结结果采取取三维模模型数字字表示，并并且包含含了属性性数据，这这样的数数据可被被计算机机程序直直接处理理，生成成建筑节节能分析

4、析模型。目前IFC标准已经成为BIM数据的主流标准，可以用来实现包括节能设计在内的建筑全生命期多阶段及多专业之间的信息共享。进行大型公公共建筑筑和商业业建筑的的节能设设计时往往往需要要进行能能耗模拟拟。目前前的建筑筑节能设设计软件件多使用用已有的的建筑能能耗模拟拟软件，例如主主流能耗耗模拟软软件EneergyyPluus和DeSST等作为模模拟内核核。这些模模拟内核核有自己己的数据据格式，例如EneergyyPluus的IDF格式，DeSST的XML格式等等，因此在开开发基于于BIM技术的的建筑节节能设计计软件时时，首先先需要解解决节能能设计IIFC数数据向能能耗模拟拟软件数数据格式式转化的的

5、问题。目目前国内内外已经经开展了了一些相相关研究究。劳伦伦斯伯克克利国家家实验室室（LBNNL）利用中中间工具具BSPPro COMM-Seerveer开发的IFCCtoIIDF插件，实实现了简单的IFC几何数数据到IDF数据的的转化2 A. Karola, H. Lahtela, R. Hanninen, etc. BSPro COM-Server - Interoperability between software tools using industrial foundation classes J. Energy and Buildings. 2002, 34 (9): 901-90

6、7.；Bazzjannac等人开开发了GSTT/IDDF GGeneerattor和IFCC HVVAC intterffacee，分别别实现IFC几何数数据 Tobias Maile, Martin Fischer, Vladimir Bazjanac. Building energy performance simulation tools: a life-cycle and interoperable perspective R. Center for Integrated Facility Engineering working paper, Stanford University.

7、2007.- V. Bazjanac. Implementation of semi-automated energy performance simulation: building geometry: Proceedings of Managing IT in Construction / Managing Construction for Tomorrow. United Kingdom C. CRC Press, United Kingdom, 2009.和IFCC HVVAC数据到IDF数据的的转化 V. Bazjanac. IFC HVAC INTERFACE to EnergyP

8、lus a case of expanded interoperability for energy simulation: Proceedings of Building Simulation 2004, USA C. USA, 2004.- Chris Wilkins, Arto Kiviniemi. Engineering centric BIM J. ASHRAE Journal. 2008, 12: 44-48.；Greeen Buiildiing Stuudioo和DessignnBuiildeer软件则将IFC文件转化化为gbbXMLL文件，将将其设置热热工属性性后再转转化为ID

9、F数据 Autodesk. Using Green Building Studio with Revit Architecture and Revit MEP OL. 2011-10-18 /Green_Building_Studio/enu/2012/Help/0002-Getting_2/0003-Using_Gr3.- Designbuilder Software. DesignbuilderOL. 2011-10-18 http:/www.designbuilder.co.uk/content/view/7/13.；Yunn K2 A. Karola, H. Lahtela, R. H

10、anninen, etc. BSPro COM-Server - Interoperability between software tools using industrial foundation classes J. Energy and Buildings. 2002, 34 (9): 901-907. Tobias Maile, Martin Fischer, Vladimir Bazjanac. Building energy performance simulation tools: a life-cycle and interoperable perspective R. Ce

11、nter for Integrated Facility Engineering working paper, Stanford University. 2007. V. Bazjanac. Implementation of semi-automated energy performance simulation: building geometry: Proceedings of Managing IT in Construction / Managing Construction for Tomorrow. United Kingdom C. CRC Press, United King

12、dom, 2009. V. Bazjanac. IFC HVAC INTERFACE to EnergyPlus a case of expanded interoperability for energy simulation: Proceedings of Building Simulation 2004, USA C. USA, 2004. Chris Wilkins, Arto Kiviniemi. Engineering centric BIM J. ASHRAE Journal. 2008, 12: 44-48. Autodesk. Using Green Building Stu

13、dio with Revit Architecture and Revit MEP OL. 2011-10-18 /Green_Building_Studio/enu/2012/Help/0002-Getting_2/0003-Using_Gr3. Designbuilder Software. DesignbuilderOL. 2011-10-18 http:/www.designbuilder.co.uk/content/view/7/13. Yun Kyu Yi, Jaime Lee, etc. Data-centric simulation interoperability using

14、 the DeST simulation platform: Proceedings of Building Simulation 2007, USAC. USA, 2007.本研究旨在在研制基基于BIM技术的的建筑节节能设计计软件。为此，本文首先建立了建筑节能设计信息需求模型，然后通过分析IFC标准和IDF格式对建筑节能信息的表达，分别建立起了基于IFC标准和IDF数据格式的建筑节能设计信息模型，之后在该模型的基础上，通过解决一些关键算法建立并实现了由节能设计IFC数据生成IDF数据的转化机制。该转化机制为开发基于BIM技术的我国建筑节能设计软件奠定了基础。建筑节能能设计信信息模型型2.1建

15、筑筑节能设设计信息息需求模模型本研究通过过对建筑筑节能设设计的实实际工作作流程以以及现有有软件进进行调研研，首先先对建筑筑节能设设计的信信息需求求进行了了分析，并并建立了了建筑节节能设计计信息需需求模型型，如图图2-1所示。图2-1建筑节节能设计计信息需需求模型型根据我国建建筑节能能设计规规范，建建筑节能能设计流流程中最最重要的的两部分分内容是是规范性性指标检检查和能能耗模拟拟，涉及及到建筑筑构件信信息、热热区信息息、规范范和气象象信息等等。其中中，建筑筑构件信信息包括括材料信信息和几几何信息息，热区区信息则则包括内内热源信信息、设设备信息息、控制制信息和和空间几何何信息，同同时建筑筑构件的的

16、几何信信息又与热区区的空间间几何信信息相关关联。具体地地，建筑筑构件的的几何信信息和材材料信息息用来计计算窗墙墙面积比比、热工工性能参参数等指指标，进进而依据据规范进进行规范范性指标标检查。如如果检查查结果不不满足规规范要求求，则需需进一步步利用热热区及气象等信息进进行能耗耗模拟。2.2基于于IFC标准的的建筑节节能设计计信息模型型为了从建筑筑设计结结果IFC数据中中抽取用用于建筑筑节能设设计的信息，需需要用IFCC标准表达达建筑节节能设计计信息，并形成基于IFC标准的建筑节能设计信息模型。经分析归纳，本研究建立了相关模型，如图2-2所示。图2-2基于IFC标准的的建筑节节能设计计信息模模型该

17、模型包包括了建建筑节能能设计信信息需求求模型所所包含的的6个方面信信息，其中用IFC对象实实体来表表达信息息，并用用实体属属性或者者IFC关系实实体将不不同的IFC对象实实体联系系起来。例例如，几几何信息息作为建建筑构件件的属性性，直接接与其相相关联；建筑构件件与空间间之间通通过表示示空间边界界的关系系实体IfccRellSpaaceBBounndarry建立关关联以表表达两者者之间的的空间位位置关系系，而空间间又通过过关系实实体IffcReelAsssiggnsttoGrroupp组织为为热区。值值得说明明的是，当前IFC中没有专门表达内热源的实体，这里通过扩展属性集的方式定义空间（IfcS

18、pace）的自定义属性集来实现。2.3基于于IDF数据格格式的建建筑节能能设计信信息模型型IDF格式式是目前主主流的能能耗模拟拟软件EEnerrgyPPluss的数据据格式。它它采用面面向对象象的组织织方式来来表达能能耗模拟拟所需要要的各方方面信息息，共包括括4000多个实体体。为了了实现节节能设计计IFC数据到IDF数据的的转化，也也需要相相应地分分析IDF对节能能设计信信息的表表达方法法。本研研究在信信息需求求模型的的基础上上，通过过分析IDF相关实实体，建建立起了了基于IDF数据的的建筑节节能设计计模型，如如图2-3所示。图2-3基于IDF数据格格式的建建筑节能能设计信信息模型型该模型也

19、包包括了建建筑节能能设计信信息需求求模型所所包含的的6个方面面信息，其其中用IDF实体来来表达信信息，信信息之间间的关联联均是通通过属性性的方式式来实现现。例如如，热区区之间的的相邻关关系通过过其OuttsiddeBoounddaryy和Outtsidde FFacee Ennvirronmmentt Obbjecct属性表表示，热热区的空空调系统统之间的的联接通通过热区区间的ZZoneeOuttlettNodde及ZonneInnlettNodde属性来表表示。值值得注意意的是，由由于IDF对热区区空间几几何信息息的表达达直接利利用了其其外围护护建筑构构件的几几何信息息，因此此在模型型中将两

20、两部分信信息合并并表达。转换机制制及关键键算法 3.11IFCC-IDDF转换换机制概概述根据之前建建立的建建筑节能能设计信信息需求求模型和基于IFC和IDF的建筑筑节能设设计信息息模型，要实现现节能设设计IFFC数据据到IDDF数据据的转换换，需要要完成几几何信息息（包括括建筑构构件几何何信息和和热区空间间几何信信息）、建筑筑构件材材料信息息、热区区内热源源信息、热热区设备备信息、热热区控制制信息共共5类信息息的转换换。其中，几几何信息息的转换换是完成成数据转转换的重重点，限限于篇幅幅，本文文仅阐述几何何信息转转换机制制及其关关键算法法作为示示例。3.2 几何信信息转换换机制及及关键算法法从

21、前面基于于IFC和IDFF的建筑筑节能设设计信息息模型可可知，IIFC标准与IDF数据对对热区和建建筑构件件的几何何描述方方法不同同。首先先，如前前所述，IFC标准中热区和建筑构件的几何信息分开表达并通过关系实体实现关联，而IDF中两部分信息是作为一类信息进行表达的。其次，IFC标准中建筑构件均是以三维实体的形式来表达，而IDF中建筑构件则是以三维平面的形式来表达。综上所述，几何信息转换的关键是提取建筑构件三维实体的特征平面。对于特征平平面的选选择，通通常取为为三维实实体的中中心平面面。这种种方式在在概念上上简单直直观，转转化后的的IDF文件中中两个相相邻热区区共享同同一个平平面。然然而该方方

22、式主要要存在三三个问题题。首先先，实际际相邻热热区之间间并非紧紧密邻接接，而是是相隔中中间墙体体的厚度度，该方方式实际际上改变变了热区区的体积积。其次次，相邻邻热区并并非共享享同一个个平面，而而是建筑筑构件的的不同表表面。最最后，几几何转换换算法和和编程实实现较为为复杂，特特别是转转换后热热区的封封闭性处处理较为为复杂。图3-1IIFC标准空空间和建建筑构件件关联几几何信息息模型图3-2墙墙体几何何转换的的算法流流程本研究通通过建立立一个快快速简便便的关键键算法解解决了上上述问题题。如图图3-1所示，关关系实体体IfccRellSpaaceBBounndarry不仅表表达了空空间和建建筑构件件

23、之间的的关联关关系，还还通过其其ConnnecctioonGeeomeetryy属性具具体地表表达了两两者之间间关联表表面的几几何信息息。用于于表达该该属性的的实体IfccConnnecctioonSuurfaaceGGeommetrry定义了了多种平平面几何何信息表表达方式式，例如如IfccBouundeedSuurfaace，这些表表达方式式均可以以通过简简单编程程转换为为三维平平面点集集。这里里将关联联表面作作为特征征平面，这这样一来来，很容容易得到到特征表表面的表表征数据据。据此此本研究究建立了了如图3-2所示的的算法流流程，其其转换结结果是，同同一个建建筑构件件被转换换为多个个特征平平面，分分别作为为其关联