被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)

徐慧敏，翟 輝

（1.吉林建筑科技學院 建筑與規(guī)劃學院，吉林 長春 130114；2.昆明理工大學 建筑與規(guī)劃學院，云南 昆明 650093）

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，環(huán)境問題、能源問題已經逐漸威脅到人類以及子孫后代的生存，成為世界范圍內重點關注的問題之一，所以，改變當前以環(huán)境與能源為代價的經濟增長模式是勢在必行的趨勢[1]。經統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，大部分國家中，建筑能源消耗占據(jù)全部能源消耗的一半以上。由此可見，建筑設施在建設、使用過程中消耗了大量的能源，據(jù)統(tǒng)計，30%以上的二氧化碳排放量均來自于建筑行業(yè)與其相關行業(yè)。近幾年，我國經濟發(fā)展迅速，建筑行業(yè)規(guī)模也在不斷擴大，所帶來的能源問題逐漸突出，亟待解決[2]。建筑生命周期較長，每個階段會直接、間接的消耗能源，因此，建筑行業(yè)會對能源與環(huán)境帶來長期的影響，實現(xiàn)建筑行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展是至關重要的。

為了滿足社會發(fā)展的需求，被動式超低能耗綠色建筑應運而生。被動式超低能耗綠色建筑指的是適應自然條件與氣候特征，通過氣密性能以及保溫隔熱性能高的圍護結構，利用新風熱回收技術，并采用可再生能源，提供舒適室內環(huán)境的建筑[3]。被動式超低能耗綠色建筑主要采用的是被動式設計策略，包括選取合適朝向、遮陽裝置、蓄熱材料、自然通風等，可以為人們提供舒適并且節(jié)省資源的方式，對人類社會健康發(fā)展具有深遠的意義[4]。被動式超低能耗綠色建筑建設過程中需要一定的輔助設計才能實現(xiàn)低能耗的目的，現(xiàn)有的被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)仍存在成本較高的缺點。為了滿足綠色建筑評價標準，提出被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)設計研究[5]。

1 建筑智能輔助設計系統(tǒng)框架搭建

被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)主要分為兩部分，分別為BIM合規(guī)性檢查插件與Web端信息交互平臺[6]。被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)框架圖

圖1中，設計系統(tǒng)主要由Revit端的合規(guī)性檢查插件、基于Web的信息交互平臺與《綠色建筑評價標準》的知識本體構成。依據(jù)搭建的被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)框架設計系統(tǒng)硬件與軟件，具體設計過程如下所述[7]。

2 建筑智能輔助設計系統(tǒng)硬件設計

2.1 計算機硬件選取

計算機是實現(xiàn)設計系統(tǒng)的基礎，為了提升系統(tǒng)的性能，應該選取合適的計算機硬件[8]。

計算機硬件指的是CPU、主板、內存、光盤驅動器、硬盤驅動器、擴展卡、電源等。計算機硬件結構如圖2所示。圖2中，計算機硬件關鍵部件為CPU，全稱為中央處理器，其是計算機的運算、控制核心，是信息處理、程序運行的終極執(zhí)行單元。CPU工作過程可以劃分為5個階段，具體階段內容如下：

圖2 計算機硬件結構圖

1）取指令階段：指令從主存儲器到指令寄存器的過程。當主存儲器中的指令被取出后，計算機中的數(shù)值會依據(jù)指令字長進行改動。

2）指令譯碼階段：指令編譯器依據(jù)規(guī)定的指令格式對取出指令進行解釋與拆分，識別指令的類別，并獲取操作數(shù)。

3）執(zhí)行指令階段：實現(xiàn)指令功能過程。CPU將計算機的不同部分進行有效的連接，以此為基礎，執(zhí)行用戶所需的操作。

4）訪存取數(shù)階段：計算機依據(jù)指令訪問主存儲器、讀取操作數(shù)、獲取地址過程。

5）結果寫回階段：作為最后一個階段，該階段將指令運行結果“寫回”到某種存儲形式，以此來方便后續(xù)的指令存取環(huán)節(jié)。

CPU結構如圖3所示。

圖3 CPU結構圖

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設計

為了滿足系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)連接，對數(shù)據(jù)接口進行相應設計。本文的智能輔助設計系統(tǒng)結構為層次遞減結構，數(shù)據(jù)接口主要分為兩類，分別為上游模塊數(shù)據(jù)接口與下游模塊數(shù)據(jù)接口[9]。

上游模塊數(shù)據(jù)接口設計如表1所示。

表1 上游模塊數(shù)據(jù)接口設計表

下游模塊數(shù)據(jù)接口設計如表2所示。

表2 下游模塊數(shù)據(jù)接口設計表

系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口示意圖

上述過程完成了系統(tǒng)硬件的設計，但是無法完成被動式超低能耗綠色建筑的輔助設計，為此設計智能輔助設計系統(tǒng)軟件[10]。

3 建筑智能輔助設計系統(tǒng)軟件設計

3.1 知識本體建模

智能輔助設計系統(tǒng)主要依據(jù)的是《綠色建筑評價標準》本體，為了簡化系統(tǒng)，將知識本體實體化，依據(jù)BIM相關概念對知識本體評價對象賦予參數(shù)，構建知識本體模型[11]。該模型中本體屬性如表3所示。

表3 本體屬性表

3.2 評價標準條目評估

依據(jù)上述構建的知識本體模型，采用定量與定性結合方法評估評價標準條目[12]。由于評價標準條目過多，此文只選取其中15個評價標準條目，具體評估情況如表4所示。

表4 評價標準條目評估表

3.3 系統(tǒng)主要技術細節(jié)設計

智能輔助設計系統(tǒng)最關鍵的技術為Revit端合規(guī)性插件檢查技術與建筑信息交互技術。其中，Revit端合規(guī)性插件檢查技術流程如圖5所示[13]。

圖5 Revit端合規(guī)性插件檢查技術流程

建筑信息交互技術采用Autodesk公司的Large Mode Viewer技術來實現(xiàn)建筑信息交互，該技術具有無需安裝插件、強大的API功能等優(yōu)勢，建筑信息交互技術主要包括四部分，分別為數(shù)據(jù)庫、項目和人員信息維護、角色信息維護以及評估管理[14]。

通過上述系統(tǒng)硬件與軟件的設計，實現(xiàn)了被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)的運行，為被動式超低能耗綠色建筑的建設提供有力的支持[15]。

4 建筑智能輔助設計系統(tǒng)性能測試

上述過程實現(xiàn)了被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)的設計與運行，為了驗證系統(tǒng)性能，設計仿真對比測試，具體測試過程如下所示。

4.1 系統(tǒng)可行性檢測

系統(tǒng)可行性檢測主要是Revit端合規(guī)性檢查以及Web端信息交互平臺檢測。Revit端合規(guī)性檢查流程為：開啟插件→隱藏提示→開啟消息提醒→合規(guī)詳情→上傳模型。Web端信息交互平臺檢測包括項目文件、構建參數(shù)信息等檢測，Web端信息交互平臺檢測界面如圖6所示。

圖6 Web端信息交互平臺檢測界面圖

通過上述流程驗證了設計系統(tǒng)的可行性，為下述仿真對比測試做準備。

4.2 測試環(huán)境參數(shù)設置

為了保障測試結果的準確性，設置測試環(huán)境參數(shù)，具體內容如表5所示。

表5 測試環(huán)境參數(shù)設置表

4.3 測試結果分析

選擇面積為100 m2，200 m2以及300 m2的被動式超低能耗綠色建筑為實驗對象，依據(jù)設置的測試環(huán)境參數(shù)，進行仿真對比測試。得到的成本情況對比如表6至表8所示。

表6至表8數(shù)據(jù)顯示，當被動式超低能耗綠色建筑面積為100 m2時，設計系統(tǒng)總體建筑成本為7.00萬元，傳統(tǒng)系統(tǒng)總體建筑成本為8.91；當被動式超低能耗綠色建筑面積為200 m2時，設計系統(tǒng)總體建筑成本為12.66萬元，傳統(tǒng)系統(tǒng)總體建筑成本為17.90；當被動式超低能耗綠色建筑面積為300 m2時，設計系統(tǒng)總體建筑成本為25.71萬元，傳統(tǒng)系統(tǒng)總體建筑成本為28.88萬元。通過對比研究發(fā)現(xiàn)，設計系統(tǒng)每個建筑階段的成本均低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

表6 面積為100 m2的成本對比情況表 萬元

表8 面積為300 m2的成本對比情況表 萬元

通過上述測試結果顯示，設計系統(tǒng)極大地降低了被動式超低能耗綠色建筑成本，充分說明設計系統(tǒng)具備更好的智能輔助設計功能。

表7 面積為200 m2的成本對比情況表 萬元

5 結 語

本文設計的被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)極大地降低了成本，可以為被動式超低能耗綠色建筑的建設提供有力的支持。但是測試過程中，只針對面積為100 m2的被動式超低能耗綠色建筑進行測試，測試對象較少，無法判斷設計系統(tǒng)的適用范圍，為此將來需要對設計的被動式超低能耗綠色建筑智能輔助設計系統(tǒng)進行進一步的研究。