基于BIM-Bayes的綠色建筑評價優(yōu)化模型構(gòu)建研究①

李瑤鶴， 陳 力

(1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，湖北 咸寧 437100)

0 引 言

BIM技術(shù)源于建筑行業(yè)，利用互聯(lián)網(wǎng)工具，以數(shù)字化方式對施工項目的全過程進行信息化管理，包括可視化建筑設(shè)計方案、可視化建筑效果以及整合建筑數(shù)據(jù)等，對于建筑經(jīng)濟性以及環(huán)境保護性意義重大[1]。BIM技術(shù)可實施協(xié)調(diào)化手段整合模擬施工項目的建筑性能以及材料構(gòu)造，達(dá)到對建筑項目屬性進行反饋。BIM技術(shù)盡管在我國的應(yīng)用時期較短，但隨著信息化的不斷發(fā)展，BIM技術(shù)已經(jīng)成為我國建筑領(lǐng)域智能化變革的關(guān)鍵技術(shù)，毫無疑問將開啟我國建筑行業(yè)智能化發(fā)展的新時代[2-3]。本文就是在此背景下，以綠色建筑作為研究客體，結(jié)合BIM技術(shù)與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立科學(xué)客觀的綠色建筑綜合評價與優(yōu)化模型，旨在促進我國綠色建筑的發(fā)展。

1 綠色建筑綜合評價優(yōu)化模型

1.1 綠色建筑評價指標(biāo)體系建立

根據(jù)國內(nèi)外綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)與體系，同時結(jié)合BIM技術(shù)的分析特點，初步確立了節(jié)約能源、節(jié)約水資源、節(jié)約土地、節(jié)約建材、室內(nèi)環(huán)境舒適以及房屋運營管理6個方面[4-6]。根據(jù)初步建立的綠色建筑綜合評價體系對評價指標(biāo)進行進一步篩選，篩選的過程以及整體的構(gòu)建思想如圖1所示。

圖1 綠色建筑綜合評價體系建立流程

主要是利用BIM技術(shù)對綠色建筑進行評價，故在上述評價體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM技術(shù)分析特點，綜合選取影響建筑綠色性能較大的因子，而Ecotect是綠色建筑經(jīng)典分析軟件之一，該軟件重點在于分析建筑的能源消耗，因而得到的綠色建筑評價體系以節(jié)能評價為主，一級評價指標(biāo)分別為墻體結(jié)構(gòu)的耐熱性能、通風(fēng)效果、光照效果、日照與庇蔭、陽光輻射以及太陽能利用，以上指標(biāo)作為節(jié)能評價的一級指標(biāo)，接下來將以問卷的形式對一級指標(biāo)進行詳細(xì)劃分[7-8]。研究中共選取五類人作為調(diào)查對象，分別是大學(xué)建筑專業(yè)教授、建筑設(shè)計師、房地產(chǎn)工作人員與政府工作人員，總計發(fā)放問卷110份，回收有效問卷90份，得到的問卷調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 綠色建筑評價問卷調(diào)研結(jié)果

由上表可知該種方法下得到的綠色建筑節(jié)能評價指標(biāo)體系一共有12個二級評價指標(biāo)，分別為外窗材料、屋頂材料、外窗窗墻比例數(shù)、自然通風(fēng)效果、建筑通風(fēng)支持、燈具節(jié)能效果、燈具數(shù)目、建筑間距、建筑朝向、太陽能光電板分布、太陽能光電板材料以及遮陽設(shè)備分布[9]。十二個指標(biāo)中按照重要性排在最前面的依次為遮陽設(shè)備分布、自然通風(fēng)效果、太陽能光電板數(shù)目、外窗材料以及燈具節(jié)能效果[10]。為了更詳細(xì)地評價綠色建筑的節(jié)能效果，在對比分析相關(guān)材料性能的基礎(chǔ)上，將二級指標(biāo)體系進行了細(xì)化，將其按照參數(shù)性能，分為三個級別，具體的分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 綠色建筑節(jié)能評價二級指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)I

由上表可知，綠色建筑的遮陽效果可從中間遮陽、內(nèi)部遮陽與外部遮陽三方面進行評價；太陽能光電板的安裝合理性則從光電板分布數(shù)量與安裝材料兩方面進行衡量；建筑通風(fēng)支持效果從通風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)系統(tǒng)兩方面綜合評價；自然通風(fēng)效果應(yīng)該綜合考慮通風(fēng)設(shè)備的安裝數(shù)量及其分布[11]。

由表3可知，可以根據(jù)屋頂樣式的不同，將綠色建筑的性能分為不同級別；此外外窗材料的傳熱系數(shù)也對建筑的綠色性能有較大影響；而且不同建筑項目具有不同的照明需求，需要根據(jù)建筑用途的不同，將其分為不同的綠色級別，一般來說住宅建筑的照明密度較低，綠色性能較好，公用建筑的照明密度較高，綠色性能相對較差[12]。

表3 綠色建筑節(jié)能評價二級指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)II

1.2 基于BIM的綠色建筑評價優(yōu)化模型

根據(jù)評價需求和綠色建筑的性能，利用BIM中的Ecotect軟件進行模擬，同時結(jié)合專家經(jīng)驗法，量化各指標(biāo)的具體參數(shù)，并確定相應(yīng)的等級，按照優(yōu)秀、一般、差三個等級評判各指標(biāo)。作為一種數(shù)字處理算法，貝葉斯算法可以快速高效完成評價結(jié)果的參數(shù)化，貝葉斯參數(shù)化評價過程主要基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)與參數(shù)學(xué)習(xí)。故而基于BIM與貝葉斯技術(shù)的綠色建筑節(jié)能評價主要包括4個步驟，分別是打分函數(shù)構(gòu)建、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定、參數(shù)學(xué)習(xí)以及評價值確定。打分函數(shù)的原理為最小描述，即給定假定條件下，被壓縮最多的即為最優(yōu)。若用某種算法將實數(shù)集D進行保存，便于保存編輯實數(shù)，算法與編輯實數(shù)之和即為總長度，詳細(xì)的計算模型如公式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

打分函數(shù)是構(gòu)建最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，搜索算法基于此對最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行確定。搜索算法具有多種表現(xiàn)形式，其中用得最為廣泛的當(dāng)屬貪婪搜索算法。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)所需的數(shù)據(jù)集為先驗數(shù)據(jù)，對應(yīng)的處理過程如后所述。假定初始邊用e進行表示，邊元素集合用E代表，同時有e∈E，從邊元素集合E中進行挑選，找尋最優(yōu)e，將e加入打分函數(shù)，并觀察記錄其變化值，用Δ(e)表示。在確定好初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，挑選最佳邊元素e，使得Δ(e)>Δ(e')成立且滿足?e'∈E，其中有Δ(e)>0，這個過程會一直持續(xù)，一直到在邊元素集合中刪除掉所有不符合條件的e。參數(shù)學(xué)習(xí)需要利用最大似然估計法，在參數(shù)學(xué)習(xí)過程中假定節(jié)點數(shù)值集的子集用D表示，各子集之間相互獨立，由極大似然估計原理可知，可以在D的聯(lián)合概率密度上建立一個值域最大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用S表示，涉及到的計算模型如式(3)。

(3)

上式中Pw(D)代表聯(lián)合概率密度，聯(lián)合概率密為各節(jié)點數(shù)值集的綜合值；wijk表示i子節(jié)點的父節(jié)點于j狀態(tài)時的概率值k；LnPw(D)代表Pw(D)的單調(diào)增加函數(shù)；Zi=(k,j)表示i節(jié)點與其父節(jié)點分別位于k,j狀態(tài)的值；Pw(Zi=(k,j)|Dh)則表示Dh((已知證據(jù))以及各節(jié)點于各狀態(tài)的聯(lián)合概率分布。評價值計算是一個綜合過程，計算中假定終節(jié)點聯(lián)合概率位于狀態(tài)3的評級結(jié)果為優(yōu)秀，位于狀態(tài)2的評級結(jié)果為一般，狀態(tài)1的評價結(jié)果則為差，其中利用P(statei)代表終節(jié)點在各狀態(tài)的條件概率值，利用BIM與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目標(biāo)是量化綠色建筑各項評價指標(biāo)，最終得到關(guān)于綠色建筑的節(jié)能評價效果，對應(yīng)的計算模型如(4)所示。

G=90×P(state3)+60×P(state2)+

30×P(state1)

(4)

由上式可知，當(dāng)G≥60時，某建筑的綠色節(jié)能評價假定為優(yōu)秀；若30≤G<60，則某建筑的節(jié)能綠色評價可以假定為一般；當(dāng)G<30時，某建筑的綠色節(jié)能評價則被認(rèn)定為質(zhì)量差。故而通過上述過程即可實現(xiàn)對綠色建筑的節(jié)能綜合評價，綜合評價可以作為貝葉斯正向推理的結(jié)果，為綠色建筑性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在對綠色建筑節(jié)能性能評價的基礎(chǔ)上，可以對節(jié)能評價影響因子進行優(yōu)化分析，利用Bayes算法的推理功能，通過正向推理，找出節(jié)能評價影響因子之間的關(guān)系，為優(yōu)化綠色建筑節(jié)能性能提供決策支持。正向推理過程需要更改影響因素節(jié)點的概率，保持其他概率固定的條件下，Bayes可通過傳播獲取節(jié)能評價概率值，并對比各節(jié)點的概率變化情況，以驗證網(wǎng)絡(luò)模型的有效性，確定各節(jié)點之間的影響度，對應(yīng)的計算公式如(5)所示。

X2,…,Xn=Xn))X×P(X1=X1,

X2=X2,…,Xn=Xn))Xi∈

{state1,state2,state3}

(5)

其中根節(jié)點數(shù)目用n進行表示，各根節(jié)點的狀態(tài)值分別用state1,state2,state3表示，共有3n種排列方式；Bayes網(wǎng)絡(luò)的正向傳播條件概率表用P(T=1|P(X1=X1,X2=X2,...,Xn=Xn))進行表示；而終節(jié)點的聯(lián)合概率分布則用哪個P(X1=X1,X2=X2,...,Xn=Xn)進行表示；所在級別概率值用P(T)進行表示。

2 綠色建筑優(yōu)化模型實驗分析

為了對上述模型的有效性進行驗證，實驗中以X建筑作為研究對象。該項目一共有15層，分為地上地下兩個部分，建筑高度約為45m，建筑面積約為8000m2，地上建筑約為7500m2，地下建筑約為500m2。建筑朝向為正南方，建筑外表面積約為15641m2，地上建筑面積約為40231m2，體形系數(shù)0.38。根據(jù)該建筑項目的特點，結(jié)合上述構(gòu)建的基于BIM與Bayes網(wǎng)絡(luò)的綠色建筑節(jié)能評價體系，詳細(xì)分析每一個根節(jié)點，確定對應(yīng)的評價級別，得到了如表4所示的子項評價等級表。

表4 實例評價表

將上述建筑項目作為背景進行驗證，利用第二節(jié)構(gòu)建的評價優(yōu)化模型綜合評價該項目的節(jié)能性能，得到了如圖2所示的分析結(jié)果，由圖2可知，光條件中評價為優(yōu)秀的占80%，光照與庇蔭中評價為優(yōu)秀的占89%，墻體結(jié)構(gòu)的耐熱效果中評價為優(yōu)秀的占48%，陽光輻射與太陽能利用率中評價為一般的占81%，通風(fēng)效果中評價為差的占82%，故而利用上述綜合評價公式可知，該建筑項目的節(jié)能評價綜合結(jié)果為72.6分，等級為優(yōu)秀，節(jié)能效果較好。

圖2 項目評價分析

當(dāng)不考慮各二級指標(biāo)的權(quán)數(shù)時，利用評價模型前得到的評級結(jié)果為優(yōu)秀，與用模型評價得到的評級結(jié)果一致，說明該BIM-Bayes評價模型具有可行性。在進行建筑項目評價指標(biāo)優(yōu)化時，對各評價指標(biāo)進行調(diào)整，一般指標(biāo)調(diào)整為優(yōu)秀，差指標(biāo)調(diào)整為一般。調(diào)整后得到了如圖3所示的評價優(yōu)化結(jié)果。由圖3可知三級評價指標(biāo)的變化較為顯著，表現(xiàn)為差指標(biāo)占比均降為0；光照與庇蔭評價結(jié)果為優(yōu)秀的占比上升至91%，陽光輻射與太陽能利用率評價為優(yōu)秀的則上升至8%，墻體結(jié)構(gòu)的耐熱效果評價為優(yōu)秀的占比上升至71%。由評價優(yōu)化公式可知優(yōu)化后的綠色建筑節(jié)能效果綜合為84.6分，較優(yōu)化前上升了12分，等價于節(jié)能效果提升了16%，由此看出該優(yōu)化模型可提高建筑節(jié)能性能。

圖3 項目優(yōu)化分析

3 結(jié) 語

綠色建筑評價優(yōu)化指標(biāo)較多，考慮到BIM技術(shù)特點，以綠色建筑的節(jié)能性能為重點研究對象，綜合運用文獻(xiàn)資料法、專家經(jīng)驗法以及調(diào)查問卷法得到了綠色建筑的節(jié)能評價指標(biāo)體系，并在結(jié)合BIM技術(shù)與Bayes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了綠色建筑節(jié)能綜合評價與優(yōu)化模型，該模型可以對建筑物的節(jié)能性能進行綜合評分，依據(jù)評分得到對應(yīng)的評級結(jié)果。此外該評價模型還可以依據(jù)評價結(jié)果，對該建筑進行性能優(yōu)化，進一步提高建筑的節(jié)能效率。為了對該模型的可行性進行驗證，研究中以X建筑作為研究對象，進行了相關(guān)實驗。綜合評價結(jié)果表明，光條件評價結(jié)果為優(yōu)的比例為80%；光照與庇蔭評價結(jié)果為優(yōu)的比例為89%；墻體結(jié)構(gòu)耐熱效果評價結(jié)果為優(yōu)的比例為48%；陽光輻射與太陽能利用率評價結(jié)果為一般的比例為81%；通風(fēng)效果評價結(jié)果為差的比例為82%；綜合可知該建筑的節(jié)能評價結(jié)果為72.6分，可劃分為優(yōu)秀等級，具有較高的節(jié)能性能。另外該模型的優(yōu)化結(jié)果顯示，綠色建筑的節(jié)能一級評價指標(biāo)得分較優(yōu)化前均上漲，總體節(jié)能性能上升約16%，由此可知，優(yōu)化后的建筑節(jié)能性能提高。盡管該方法可以為綠色建筑評價優(yōu)化提供方法參考，但是實驗中還存在評價指標(biāo)設(shè)置較少，評價結(jié)果不夠精確的問題。