基于IFC與gbXML標準的綠色建筑信息模型數據標準及應用研究

(鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001)

隨著我國社會經濟的發展，近幾年房屋建筑業每年竣工面積多達40億m2，年總投資總額接近10萬億。由于建筑行業整體屬于高耗能行業，因此建筑節能和綠色建筑是建筑行業可持續發展的重要因素。傳統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。隨著信息技術的發展和在土木建筑工程領域的廣泛應用，具有統一數據標準的BIM模型擁有保存和管理建筑全生命周期中所有關聯信息的能力，支持信息的動態修改和存儲，為實現建筑全生命周期信息共享奠定了基礎。基于BIM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勢，但是BIM技術涉及軟件眾多、標準各異、數據格式不盡相同，軟件之間的互操作性問題亟待解決。IFC和gbXML均是BIM技術的重要數據標準，IFC標準主要面向建筑全生命周期，數據信息內容豐富，gbXML標準主要面向綠色建筑分析，數據信息具有針對性。因此基于IFC與gbXML的綠色建筑信息模型數據標準的差異、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

隨著人們對居住環境舒適性的要求不斷提高，對綠色節能和可持續性發展的不斷關注，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，考慮建筑資源節約、環境保護，材料節約、減少環境污染和環境負荷方面，最大限度的節能、節水、節材和節地[2]。2014年住房和城鄉建設部頒布新版《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，并且后期如果發現原設計方案的綠建性能不能達到國家規范標準或者業主要求，會產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。基于BIM技術的綠色性能分析可以通過開放的BIM數據標準將建模軟件創建的BIM模型導入綠建分析軟件中，實現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，以避免設計數據的重復輸入，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勢，但是分析過程中涉及到多種建模和分析軟件，各軟件數據格式不盡相同。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據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據格式。但IFC標準面向的是建筑全生命周期，數據架構豐富，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據標準

IFC(Industry Foundation Classes)標準是開放，標準化、和支持可擴展的數據模型標準，使在建筑行業中廣泛應用的建筑信息模型(BIM)應用軟件具有更好的數據交換性和互操作性[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應用軟件之間的數據共享與信息傳遞的主要標準，能夠將建筑設計、施工和運維階段的信息無縫共享，在提高生產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據交換和信息共享的需求[5]。

由于綠色建筑評價是根據現行《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不一致，對這些不一致的實體參數可以通過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，同時IfcBuilding、IfcBuildingStorey也通過IfcRelAggreates形成BIM模型的空間結構。BIM模型中不同系統的劃分是基于IfcSystem及其派生子類實現，建筑暖通設備、給排水等是由IfcDistributionSystem表示，不同系統之間通過屬性IfcRelAssignsToGroup進行關聯。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相互關聯形成IfcZone。一個IfcSpace能夠與一個或多個IfcZone相關聯。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，根據需求進行參數設置，設定分析條件，設置分析規則等。例如，光環境分析，應首先開啟分析網格，設置分析網格數量和大小，設置分析條件。對于能耗分析應首先檢查材質設置是否正確、設置區域屬性，計算區域體積和內部相鄰區域，加載氣象數據，設置分析條件等。

(4)按照《綠色建筑評價標準》將評分項目進行數字化轉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據標準

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年發布gbXML標準1.0， 2015年發布最新的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據和模型整合。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格式的數據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個數據類型，基本上涵蓋了建筑的環境、幾何形狀、建筑空間分割、系統設備和人員等信息[6]。其中gbXML的主要節點元素如表2所示。基于gbXML標準的綠色建筑性能分析模型如圖4所示，以Cpmpus為根節點，關聯Building和場地元素，建筑樓層和空間元素之間由BuildingStoreyId進行關聯。構件材質信息和位置氣象信息由Construction和Weather提供，建筑設備系統通過AirLoop、LightingSystem等元素提供[7]。

因此，在選擇gbXML作為BIM模型數據交換的標準時，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，根據需求進行參數設置，例如：能耗分析需要檢查材質； 檢查區域屬性，主要包括區域中設備能耗、運行時間表等； 設置區域體積，執區域體積計算，加載氣象數據資料； 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》將評分項目進行數字化轉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，綠色節能設計按《公共建筑節能標準》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境模擬

根據最新版《綠色建筑評價標準》要求：“場地內風環境有利于室外行走、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進行風環境模擬。

通過設置分析網格數據以及在WINAIR中進行計算，建筑項目場地冬季風環境模結果包括：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1.5m高度建筑在冬季外部風速均在2.0m/s之內，場地內風壓范圍為-1Pa-2Pa，目標建筑外部行人活動區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域風速1.0m/s，根據《綠色建筑評價標準》(GB/T50378-2014)4.2.6條，小于標準規定的5m/s，并且行人活動區域無明顯渦旋，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標準的建筑熱環境分析

建筑熱環境分析通常以區域(Zone)為基礎，首先通過Revit建立實體模型并導通過gbXML標準的數據文件導入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、物理屬性以及厚度信息，以及設置房間人員數量、室內空調系統及溫度等信息。通過將項目地理位置及氣象信息導入Ecotect，根據影響室內熱環境的因素，熱環境分析結果包括該建筑全年逐月室內能耗量(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 建筑項目熱環境分析模型

圖11 建筑項目全年逐月室內能耗量

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，是建筑業實現綠色節能、可持續發展的重要途徑之一。IFC和gbXML均是BIM技術的重要數據標準，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數據標準和gbXML數據標準的綠建信息表達方式，綠建信息的內容以及不同標準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.