基于本体与BIM的绿色建筑智能评价系统

姜韶华，武 静

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

基于本体与BIM的绿色建筑智能评价系统

姜韶华，武 静

（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

为实现绿色建筑评价标准知识的共享及重用，解决人工进行绿色建筑评价费时、费力且易出错的问题，在对《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）进行分析的基础上提出基于本体与BIM的绿色建筑智能评价系统。利用Protégé3.4.8建立本体模型，根据标准的内容构建本体的类及属性，建立OWL公理及SWRL规则；从BIM模型中提取被评价建筑的相关信息并实例化成个体的属性值；依据OWL公理及SWRL规则，利用Jess规则引擎进行推理，得出被评价建筑的评价指标得分，为其绿色等级划分提供依据。利用该系统可以实现标准知识的结构化表示、共享及重用，在一定程度上解决了人工进行绿色建筑评价所存在的问题，同时也为进一步的研究奠定了基础。

绿色建筑评价；智能评价系统；本体；BIM；推理

绿色建筑已成趋势，许多国家已建立了绿色建筑评价体系，我国也出台了相关标准及规范。现行标准知识的组织存储方式不利于其共享及重用，而评价人员的经验、精力有限，标准规范易发生变化，只依靠人工进行评价费时、费力、易出错。因此实现绿色建筑评价的智能化是一个需要研究的问题。

现有的绿色建筑评价研究大多是以评价体系为对象，对评价方法的研究往往只针对评价体系的某一方面。王敏等［1］对我国新旧版评价体系进行对比分析，将新版评价体系与台湾最新版EEWH体系进行了比较； Mehrbakhsh Nilashi等［2］利用层次分析法及模糊逻辑提出建立基于知识的专家系统以对评价体系进行改进；Farzad Jalaei［3］和I-Chen Wu［4］提出利用能耗分析方法对评价过程进行改进，只针对能源利用评价进行评价方法研究，且不能实现标准知识的共享及重用。

本体可实现领域知识的结构化表示及重用，已被用于建筑领域法规知识的建模及符合性检查［5］。OWL（Ontology Web Language，网络本体语言）作为一种本体描述语言既能够对概念进行很好的描述，又具有一定的推理能力［6］。目前绿色建筑评价标准中涉及的许多建筑信息可以通过BIM工具获得。因此，本文以《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）［7］（以下简称“绿建标准”）为背景，参考元模型CQIEOntology［5］的建立与应用过程，结合BIM技术提出基于本体与BIM的绿色建筑智能评价系统，以实现绿色建筑智能评价。利用Protégé建立OWL本体模型，根据标准规范的要求构建本体的类及属性，建立OWL公理及SWRL （Semantic Web Rule Language，语义网规则语言）规则；从BIM模型中提取被评价建筑物的相关信息并设置为本体模型中个体的属性值；最后利用Jess规则引擎进行推理，得出被评价建筑的评价指标得分，为其绿色等级划分提供依据。

1　绿色建筑智能评价系统的建立

1.1绿建标准解读

绿建标准的应用对象是民用建筑，其中包括居住建筑和公共建筑。标准规定绿色建筑评价包含设计评价及运行评价两种，设计评价包括节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境5项评价指标；除上述5项评价指标外，运行评价还包括施工管理和运行管理两项评价指标。评价指标体系还统一设置了加分项，每项评价指标分为控制项和评分项，对评分项又进一步进行了细致划分，并有相应的分数与之对应。设计评价及运行评价的评价指标有不同的权重。最后将被评价建筑每项评价指标所得的实际分数除以适用于它的该评价指标总分数再乘以100，并与相应的权重相乘得出加权分，将各项评价指标加权分数求和即可得到最终评价分数，根据分数的范围可得出建筑的绿色星级。

本文以绿色建筑的设计评价为例介绍所提出的绿色建筑智能评价系统，并且假设进行评价时控制项要求已经得到满足。

1.2系统的结构框架

为实现绿色建筑的智能评价，根据对绿建标准评分项内容的分析，制定出智能评价系统的结构框架如图1所示。

（1）通过对绿建标准评分项的分析建立本体模型，建立本体的类及属性（包括对象属性和数据类型属性）；利用BIM工具直接或间接获得评价所需的建筑信息并将其实例化为个体的属性值。

（2）通过分析评分项中蕴含的逻辑关系建立本体的公理及推理规则。

图1　系统框架图

（3）用转换工具将本体事实及推理规则转换成Jess规则引擎的事实及规则；根据本体公理及推理规则应用Jess规则引擎进行推理，得出绿色建筑评价结果。

（4）用转换工具将评价结果（Jess新事实）转换成本体事实。

1.3本体的建立

1.3.1本体描述语言

根据本体模型对表达能力及可扩展能力的需求来选择本体描述语言。OWL是W3C推荐的本体描述语言，具有良好的发展空间及应用前景；OWL DL （Description Logic，描述逻辑）在对概念进行描述方面具有一定的优势，并且由于它是基于DL的语言，所以它本身具有一定的推理功能［8］。因此本文选用OWL DL（以下简称OWL）作为所构建本体模型的描述语言。

1.3.2本体构建工具

通过对目前已有本体构建工具的对比分析，本文最终选择由斯坦福大学医学信息化研究小组所开发的Protégé［9］作为本体构建工具，因为它所扩展的OWL插件所具有的功能可以满足本文构建本体的要求，此外它还具有用户操作界面简单、灵活且学习资源丰富的特点。

1.3.3本体构建的方法及步骤

在开始构建本体模型之前，首先要明确构建本体的目标、范围。为达到系统实施的目的，通过对标准条文进行分析可得出本文通过构建本体所要实现的目标有3个:一是利用所构建的本体进行绿色建筑检查及评价；二是实现绿色建筑评价标准知识的结构化表示、共享与重用；三是法规知识更新时能够简便地对本体进行改进。

为实现上述3个目标，所构建的本体不仅要包括所研究范围内的所有概念，而且概念层次结构要简单且具有良好的结构。作为系统实施关键的一个步骤，本文采用“七步法”［10］进行本体构建。具体步骤如图2所示。

图2　方法步骤

（1）在明确了构建本体的目标之后，本体的专业领域及重复使用现有本体的可能性就已经确定，本文需要根据实际需求构建智能评价本体模型。

（2）通过对标准的分析确定所构建本体的重要术语。由于数量较多，而本文篇幅有限，所以在此只做部分列举:如可再利用材料（Reusable Material）、可再循环材料（Recyclable Material）、可再生能源（Renewable Energy）。

（3）定义类及类的等级体系。本体模型中的4个主要的类分别为EvaluatedBuilding（被评价建筑），EvaluationTask（评价任务），EvaluationCriteria（评价标准），EvaluationActor（评价人员）。

（4）确定类的属性（对象属性和数据类型属性）。对象属性的作用是将本体的类联系起来:由评价人员对被评价建筑进行检查评价；每个被评价建筑的评价过程都由一系列的评价任务组成；进行每项评价任务都要以相应的评价标准为依据。根据这种分析思路，本文所构建的OWL本体一级类及二级类的等级体系及类与对象属性的关系如图3所示。

对象属性确定之后，将评价标准的各评分项涉及的指标设置成本体类的数据类型属性。其中标准中的允许值设置成EvaluationCriteria子类的数据类型属性，相对应的被评价建筑的指标实际值设置成EvaluatedBuilding或其子类的数据类型属性，为后文建立推理规则及推理奠定基础。

1.4推理规则的建立

虽然本文选择的本体描述语言OWL能够对概念进行详细描述且具有一定的推理能力，但是其推理能力有限，只能进行一些简单的、基本的推理［8］。随着绿建标准的不断发展和完善，本体模型的结构也必将越来越复杂，对推理能力的要求也会越来越高，要实现更加复杂的推理，还需要在OWL本体的基础上另外建立推理规则。

图3　对象属性及类的等级体系

本文选择SWRL规则作为本体推理的规则。由于SWRL是对OWL的扩展，它包含基本的算数内置函数（如x+y）和比较内置函数（如x＜y），所以它除了能够定义规则还能够进行推理，并且SWRL规则可以与OWL相集成，两者结合使用可以产生更强大的约束和更直观的推理能力［11～14］，因此本文采用SWRL规则和OWL公理来进行本体的推理。

每条SWRL规则都由前件和后件两部分组成，每部分包括一个或者多个元素。SWRL规则所表达的逻辑关系可以这样理解:如果前件中的条件为真，那么后件中的情况就会发生。推理规则的表达形式如式（1）所示［14］。

atom代表规则前件及后件中的元素，其表达形式如式（2）所示［14］。

term代表表达式中的术语或参数，atom的形式可以为C（x），P（x，y），sameAs（x，y），differentFrom （x，y）等。C指本体的类，P代表本体的属性，x、y可以是变量、OWL个体或者是OWL数据值，sameAs（x，y）、differentFrom（x，y）为SWRL内置函数。

以绿建标准第7.2.12条的内容为例，利用编辑工具建立的SWRL规则如表1所示。

7.2.12条文内容是采用可再利用材料和可再循环材料，评价总分值为10分，并按下列规则评分:

（1）住宅建筑中的可再利用材料和可再循环材料用量比例达到6%，得8分；达到10%，得10分。

表1　SWRL规则示例

（2）公共建筑中的可再利用材料和可再循环材料用量比例要达到10%，得8分；达到15%，得10分。

利用SWRL规则可以实现将评价指标信息从标准规范知识中分离出来，方便用户添加、修改规则约束，由于标准规范可能经常变动，所以SWRL规则的这一特点是非常实用的。此外，SWRL是一种独立于任何规则引擎的规则描述语言［15］，可以与多种规则引擎协同工作，因此利用SWRL规则进行推理时用户可以根据习惯选用规则引擎。

1.5规则引擎

目前还没有一种有效的规则引擎可以支持OWL本体和SWRL规则之间进行交互操作，但是由于SWRL规范不限制如何利用SWRL规则进行推理，所以用户可以自己选择规则引擎利用存储在OWL知识库中的SWRL规则进行推理［15］。本文选择Jess规则引擎进行推理。应用规则引擎进行推理的关键是利用转换工具将OWL本体和SWRL规则转换成所使用的规则引擎的事实和规则，例如可以利用 XSLT［16］（ eXtensible Stylesheet Language Transformation）将OWL语义和SWRL语义映射成Jess事实和规则，基于XSLT的两种工具OWL2Jess 和SWRL2Jess可以将这两种语言和Jess联系起来。本文使用Protégé 3.4.8构建本体，选择Jess规则引擎进行推理，其本身所包含的插件（SWRLJessTab）可以满足本文推理所需的转换与推理要求。

2　系统的实施

利用上述建立的绿色建筑智能评价系统，在Revit等BIM工具的支持下，可以实现绿色建筑智能评价。

通过对标准条文的分析，使用Protégé 3.4.8建立本体，从BIM工具中直接或间接获得建筑信息并输入到本体模型中，使用SWRLEditor在OWL本体中进行推理规则的编辑、存储，利用转换工具将本体事实和SWRL规则转换成Jess事实和规则，使用SWRLJessTab插件运行规则引擎，处理由转换工具得到的规则库以获得新的Jess事实，然后再利用转换工具将其转换成新的OWL本体事实，最终推理结果以本体模型中个体属性值的形式向用户展现。

以绿建标准第7.2.12条为例进行说明，从Revit中获得某被评价公共建筑可再利用材料和可再循环材料用量比例为9%（＜10%），将其作为个体EvaluatedPublicBuilding_1的数据类型属性值输入到本体中，运行Jess后得到被评价公共建筑的该项评价指标的得分为0，与标准规定相符合，并且这个过程用时260毫秒左右（i3-2330M，2G内存，Win7平台），与人工进行检查相比节省了很多时间。

3　结语

本文构建了一种基于本体与BIM的绿色建筑智能评价系统。该系统在评价过程中需要利用BIM工具直接或者间接地获取被评价建筑的相关信息，核心部分是本体模型的构建及推理。本体的构建实现了对标准知识的结构化表示、共享及重用。由于标准知识具有易变性，利用本体对其进行管理有利于评价系统维护的便捷性。利用该评价系统进行绿色建筑评价可以弥补评价人员经验不足、精力有限的缺陷，有效减少人工进行绿色建筑评价费时、费力、易出错情况的发生。

但是另一方面，该评价系统还有一些不足。首先，目前能够从BIM中获得的信息只能以个体属性值的形式手工输入到本体模型中，该系统还不能实现从BIM模型中自动获取所需要的知识，并将其转化成本体事实，因此该过程只实现了半自动化评价；其次，为方便说明，在确定本文对《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）的分析范围时提出了几项假设，这使得本文所构建的本体模型结构比较简单，本体中所包含的类、属性不能涵盖标准中所涉及的全部信息。这两方面的不足也是今后研究工作的努力方向。

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Intelligent Green Building Evaluation System Based on Ontology and BIM

JIANG Shao-hua，WU Jing
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China，E-mail:shjiang@dlut.edu.cn）

In order to share and reuse the information in Green Building Evaluation Standard GB/T50378-2014 and to solve the time-consuming，laborious and error-prone issues emerged in manual green building evaluation process，an intelligent green building evaluation system based on ontology and BIM is proposed after analyzing the details in this criteria. Firstly，with the help of Protégé3.4.8，according to the requirements in the criteria，an ontology evaluation model is established by building classes，properties，OWL axioms and SWRL rules. Secondly，by extracting the information needed for the evaluation process from BIM，datatype property values of the individuals in the ontology model are determined. Based on OWL axioms and SWRL rules，execute reasoning using Jess rule engine to obtain the evaluation index scores of the evaluated building，which can provide the basis for ranging the building. With the help of this system，regulations can be represented in a structured way，and they can be shared between different parties and reused in another evaluation process and to some extent，problems associated with manual green building rating process can be solved. Also，the proposed system may provide foundation for further researches.

green building evaluation；intelligent evaluation system；ontology；BIM；reasoning

TU17

A

1674-8859（2016）04-035-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.007

姜韶华（1971-），男，副教授，硕士生导师，研究方向:基于建筑信息模型的工程管理，基于互联网与物联网的智能化管理，风险管理与决策分析，基础设施的可持续性；

2016-06-16.

国家自然科学基金项目（51178084）.

武 静（1990-），女，硕士研究生，研究方向:工程项目的信息管理。