王豫婉WANG Yu-wan

（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標準定額研究所，北京 100835）

0 引言

已有研究基于建筑能耗監(jiān)測信息，用大數(shù)據(jù)分析方法，提出面向設(shè)計初期的建筑碳排放預測理論框架，從理論層面實現(xiàn)了預測建筑設(shè)計方案的全生命周期碳排放[1]。應用BIM技術(shù)可建立涵蓋工程全生命周期的信息庫，實現(xiàn)建筑項目各個階段、不同專業(yè)間信息集成和共享，為建筑碳排放預測提供全生命周期信息基礎(chǔ)[2]，但當前BIM技術(shù)在低碳預測中的應用研究不足，缺少可支持設(shè)計初期碳排放決策的BIM設(shè)計平臺[3]。

1 建筑碳排放預測信息集成架構(gòu)

1.1 建筑碳排放預測信息需求分析

本節(jié)根據(jù)面向設(shè)計初期的建筑碳排放預測方法原理，分析建筑碳排放預測的信息需求，明確信息模型涵蓋的信息種類，對信息進行分類集群。建筑碳排放預測功能的實現(xiàn)可分為四個功能模塊，每個模塊的信息需求可通過CeData相應的子信息模型實現(xiàn)。

項目信息管理模塊既是建筑碳排放預測系統(tǒng)與BIM平臺信息交互的接口，也是建筑碳排放信息模型各子模型間信息流動的核心；CeData_Pro需要滿足項目信息管理模塊在BIM環(huán)境中功能性、交互性、可擴展性和穩(wěn)定性的需求。熱工分析模塊可快捷高效地分析設(shè)計方案中復合圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)；CeData_Ther可為復合圍護結(jié)構(gòu)的熱工分析提供信息：玻璃庫、填充氣體庫、環(huán)境邊界庫、玻璃體系庫、窗框材料庫、框體系庫、復合圍護結(jié)構(gòu)材料庫和復合圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造庫。冷熱負荷預測模塊應實現(xiàn)建筑冷熱負荷的預測；CeData_Mor需要滿足云平臺實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲形式、分析方法和更新方式，規(guī)范科學地存儲監(jiān)測建筑的空間構(gòu)成、各層級建筑構(gòu)件的特征分類，熱區(qū)逐時的室內(nèi)溫濕度信息、實時人員使用信息和分項能耗信息，并可生成建筑能耗指標，作為建筑冷熱預測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的樣本數(shù)據(jù)。碳排放預測模塊可預測建筑設(shè)計方案的全生命周期碳排放；CeData_Coe需提供：建筑材料碳排放因子庫、能源碳排放因子庫、施工工藝碳排放因子庫、建筑材料庫、建筑構(gòu)件庫、各省市標準年標準日氣候庫等。

1.2 建筑碳排放預測信息集成框架

CeData四個子模型信息有三種數(shù)據(jù)來源：項目信息子模型CeData_Pro可以通過BIM平臺建立并獲取，其中圍護結(jié)構(gòu)熱工屬性等碳排放附加信息可與其它子模型關(guān)聯(lián)后填充；能耗監(jiān)測子模型CeData_Mor來自建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表的形式存儲于數(shù)據(jù)庫中，因此可以通過數(shù)據(jù)交換接口連接到數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)；熱工分析子模型CeData_Ther與碳排放子模型CeData_Coe中主要以系統(tǒng)本地數(shù)據(jù)庫的形式存儲建筑構(gòu)件庫、建筑材料庫、LCA碳排放因子庫等補充數(shù)據(jù)庫，因此可通過程序調(diào)用本地數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。

根據(jù)上述三種數(shù)據(jù)源特點，建筑碳排放預測系統(tǒng)信息集成框架如圖1所示。①通過BIM平臺建立建筑模型：以IFC文件為載體生成CeData_Pro，后續(xù)CeData_Pro中的更新信息亦可存于IFC文件中；②計算分析復合圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)：將建筑模型中復合圍護結(jié)構(gòu)的幾何信息通過BIM平臺轉(zhuǎn)為DWG文件，導入熱工分析工具，通過本地數(shù)據(jù)庫補充復合圍護結(jié)構(gòu)材料種類、屬性等信息，生成CeData_Ther，完成熱工分析后，將復合圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)分析結(jié)果返回CeData_Pro以供后續(xù)分析；③預測建筑冷熱負荷：從CeData_Pro中自動提取當前模型中用于冷熱負荷預測的參數(shù)并設(shè)置篩選條件，從建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)庫CeData_Mor中選取相應的訓練模型，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預測冷熱負荷；④預測建筑全生命周期碳排放：從Data_Pro中獲取建筑全生命周期碳排放預測所需信息，通過CeData_Coe自動根據(jù)參考建筑填充缺損值，并補充LCA數(shù)據(jù)庫，計算建筑全生命周期碳排放。

圖1 建筑碳排放預測系統(tǒng)信息集成框架圖

2 建筑碳排放預測信息模型

2.1 項目信息子模型CeData_Pro

項目信息子模型CeData_Pro的信息模型如圖2所示，用以描述建筑空間、建筑構(gòu)件、暖通設(shè)備等對象及其關(guān)聯(lián)和屬性。CeData_Pro的建筑空間包括CeSite，CeBuilding，CeZone，CeRoom四個層級，各層級間依次通過CeReaggegate關(guān)聯(lián)。CeData_Pro中建筑構(gòu)件包括圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件和暖通設(shè)備構(gòu)件。其中，圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件統(tǒng)稱為CeSurface，包括CeWall、CeFloor和CeRoof。對一特定CeZone，可通過CeBoundary關(guān)聯(lián)獲取構(gòu)成該空間的CeSurface，CeSurface可通過 CeEmbed關(guān)聯(lián)獲取CeWindow。CeConstruction通過 CeReaggegate關(guān)聯(lián)CeMaterial，以描述每層材料的性能。暖通設(shè)備構(gòu)件包括冷熱源對象CeEquip、運送對象CeHydronic、照明對象CeLight和空氣循環(huán)對象CeAirLoop，每個暖通設(shè)備構(gòu)件均通過CeBelong關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)其所屬熱區(qū)對象CeZone。CeSchedule和CeConstruction為屬性對象，CeSchedule描述所屬空間對象CeZone暖通設(shè)備使用時間，CeConstruction描述所屬CeSurface的材料組成以及熱工性能等信息。

圖2 CeData_Pro信息結(jié)構(gòu)圖

CeData_Pro滿足IFC、gbXML等數(shù)據(jù)標準，一方面，可通過科學的信息融合和轉(zhuǎn)換機制，由上游信息模型（如IFC模型）生成CeData_Pro；另一方面，也使得CeData_Pro可供后續(xù)信息模型（如IFC模型或gbXML模型）融合轉(zhuǎn)換。

2.2 熱工分析子模型CeData_Ther

熱工分析子模型有玻璃體系模塊、框體系模塊、窗框體系模塊和圍護體系模塊組成。玻璃體系模塊可載入玻璃數(shù)據(jù)庫Glass、氣體數(shù)據(jù)庫Gases和環(huán)境邊界數(shù)據(jù)庫Bound，生成的玻璃體系的構(gòu)造及熱工屬性存至玻璃體系數(shù)據(jù)庫GlassSys中?？蝮w系模塊可載入窗框材料數(shù)據(jù)庫FrameSolid和FrameCavi，以及環(huán)境邊界數(shù)據(jù)庫Bound，將新生成的框體系構(gòu)造及熱工屬性存至框體系數(shù)據(jù)庫Frame中。窗框體系模塊中窗框體系由窗體系和框體系組合而成，該模塊可載入玻璃體系數(shù)據(jù)庫GlassSys和框體系數(shù)據(jù)庫Frame，并將新生成的窗框體系的構(gòu)造及傳熱系數(shù)存至窗框體系數(shù)據(jù)庫WindFrame中。圍護體系可載入圍護結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫WallMat，并將新生成的圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)存至圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫WallConst中。

2.3 能耗監(jiān)測子模型CeData_Mor

CeData_Mor的信息結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括三個數(shù)據(jù)子庫：建筑模型子庫（BuildingInfo）、實時采集信息子庫（CollectionInfo）和建筑能耗指標子庫（MonitorInfo）。其中，建筑信息子庫（BuildingInfo）主要存儲監(jiān)測對象建筑的空間構(gòu)成、各層級建筑構(gòu)件的特征分類等信息，是建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)科學檢索的核心子庫，也是建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)信息模型與BIM模型集成的關(guān)聯(lián)信息子庫。建筑實時采集信息子庫（MonitorInfo）主要存儲每個被監(jiān)測熱區(qū)逐時的室內(nèi)溫濕度信息、實時人員使用信息和分項能耗信息，是直接通過物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器及智能設(shè)備獲取的監(jiān)測值。建筑能耗指標子庫（CollectionInfo）旨在將以熱區(qū)為單位的建筑能耗監(jiān)測信息整合為以建筑為單位的建筑能耗指標，進而作為建筑冷熱負荷預測樣本數(shù)據(jù)庫。

圖3 CeData_Mor信息結(jié)構(gòu)圖

2.4 碳排放子模型CeData_Coe

碳排放子模型CeData_Coe信息結(jié)構(gòu)如圖4所示。System Data存放建筑碳排放預測所需的各類對象屬性和分析參數(shù)，供設(shè)計人員選擇參考，Local Data存儲本項目選用的對象屬性和分析參數(shù)。System Data中存有材料性質(zhì)補充信息：建筑材料信息MaterialList、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造信息ConstructionList、窗戶種類信息WindowList，熱區(qū)使用參數(shù)信息：熱區(qū)標準日作息信息ScheduleDList、熱區(qū)標準年作息信息ScheduleYList、設(shè)備信息EquipList、熱區(qū)信息ZoneList，碳排放因子補充信息：能源碳排放系數(shù)EnergyCoe等子表。Local Data中存有設(shè)備LocalZoneList子表、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造LocalConstructionList子表和窗戶種類LocalWindowList子表。

圖4 CeData_Coe信息結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文研究了建筑碳排放預測信息集成技術(shù)，首先，根據(jù)建筑碳排放預測信息需求，提出建筑碳排放預測信息集成架構(gòu)；而后，建立集成的建筑碳排放預測信息模型CeData，并提出項目信息子模型CeData_Pro、熱工分析子模型CeData_Ther、能耗監(jiān)測子模型CeData_Mor和碳排放子模型CeData_Coe四個子模型的信息結(jié)構(gòu)。CeData基于IFC標準與gbXML數(shù)據(jù)格式，可在BIM環(huán)境中高效獲取和傳遞信息，為建筑碳排放預測系統(tǒng)的研發(fā)提供了信息基礎(chǔ)。