被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统

徐慧敏，翟 辉

（1.吉林建筑科技学院 建筑与规划学院，吉林 长春 130114；2.昆明理工大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650093）

0 引 言

随着社会的不断发展，环境问题、能源问题已经逐渐威胁到人类以及子孙后代的生存，成为世界范围内重点关注的问题之一，所以，改变当前以环境与能源为代价的经济增长模式是势在必行的趋势[1]。经统计研究发现，大部分国家中，建筑能源消耗占据全部能源消耗的一半以上。由此可见，建筑设施在建设、使用过程中消耗了大量的能源，据统计，30%以上的二氧化碳排放量均来自于建筑行业与其相关行业。近几年，我国经济发展迅速，建筑行业规模也在不断扩大，所带来的能源问题逐渐突出，亟待解决[2]。建筑生命周期较长，每个阶段会直接、间接的消耗能源，因此，建筑行业会对能源与环境带来长期的影响，实现建筑行业的绿色可持续发展是至关重要的。

为了满足社会发展的需求，被动式超低能耗绿色建筑应运而生。被动式超低能耗绿色建筑指的是适应自然条件与气候特征，通过气密性能以及保温隔热性能高的围护结构，利用新风热回收技术，并采用可再生能源，提供舒适室内环境的建筑[3]。被动式超低能耗绿色建筑主要采用的是被动式设计策略，包括选取合适朝向、遮阳装置、蓄热材料、自然通风等，可以为人们提供舒适并且节省资源的方式，对人类社会健康发展具有深远的意义[4]。被动式超低能耗绿色建筑建设过程中需要一定的辅助设计才能实现低能耗的目的，现有的被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统仍存在成本较高的缺点。为了满足绿色建筑评价标准，提出被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统设计研究[5]。

1 建筑智能辅助设计系统框架搭建

被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统主要分为两部分，分别为BIM合规性检查插件与Web端信息交互平台[6]。被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统框架如图1所示。

图1 绿色建筑智能辅助设计系统框架图

图1中，设计系统主要由Revit端的合规性检查插件、基于Web的信息交互平台与《绿色建筑评价标准》的知识本体构成。依据搭建的被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统框架设计系统硬件与软件，具体设计过程如下所述[7]。

2 建筑智能辅助设计系统硬件设计

2.1 计算机硬件选取

计算机是实现设计系统的基础，为了提升系统的性能，应该选取合适的计算机硬件[8]。

计算机硬件指的是CPU、主板、内存、光盘驱动器、硬盘驱动器、扩展卡、电源等。计算机硬件结构如图2所示。图2中，计算机硬件关键部件为CPU，全称为中央处理器，其是计算机的运算、控制核心，是信息处理、程序运行的终极执行单元。CPU工作过程可以划分为5个阶段，具体阶段内容如下：

图2 计算机硬件结构图

1）取指令阶段：指令从主存储器到指令寄存器的过程。当主存储器中的指令被取出后，计算机中的数值会依据指令字长进行改动。

2）指令译码阶段：指令编译器依据规定的指令格式对取出指令进行解释与拆分，识别指令的类别，并获取操作数。

3）执行指令阶段：实现指令功能过程。CPU将计算机的不同部分进行有效的连接，以此为基础，执行用户所需的操作。

4）访存取数阶段：计算机依据指令访问主存储器、读取操作数、获取地址过程。

5）结果写回阶段：作为最后一个阶段，该阶段将指令运行结果“写回”到某种存储形式，以此来方便后续的指令存取环节。

CPU结构如图3所示。

图3 CPU结构图

2.2 系统数据接口设计

为了满足系统模块的数据连接，对数据接口进行相应设计。本文的智能辅助设计系统结构为层次递减结构，数据接口主要分为两类，分别为上游模块数据接口与下游模块数据接口[9]。

上游模块数据接口设计如表1所示。

表1 上游模块数据接口设计表

下游模块数据接口设计如表2所示。

表2 下游模块数据接口设计表

系统数据接口示意图如图4所示。

图4 系统数据接口示意图

上述过程完成了系统硬件的设计，但是无法完成被动式超低能耗绿色建筑的辅助设计，为此设计智能辅助设计系统软件[10]。

3 建筑智能辅助设计系统软件设计

3.1 知识本体建模

智能辅助设计系统主要依据的是《绿色建筑评价标准》本体，为了简化系统，将知识本体实体化，依据BIM相关概念对知识本体评价对象赋予参数，构建知识本体模型[11]。该模型中本体属性如表3所示。

表3 本体属性表

3.2 评价标准条目评估

依据上述构建的知识本体模型，采用定量与定性结合方法评估评价标准条目[12]。由于评价标准条目过多，此文只选取其中15个评价标准条目，具体评估情况如表4所示。

表4 评价标准条目评估表

3.3 系统主要技术细节设计

智能辅助设计系统最关键的技术为Revit端合规性插件检查技术与建筑信息交互技术。其中，Revit端合规性插件检查技术流程如图5所示[13]。

图5 Revit端合规性插件检查技术流程

建筑信息交互技术采用Autodesk公司的Large Mode Viewer技术来实现建筑信息交互，该技术具有无需安装插件、强大的API功能等优势，建筑信息交互技术主要包括四部分，分别为数据库、项目和人员信息维护、角色信息维护以及评估管理[14]。

通过上述系统硬件与软件的设计，实现了被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统的运行，为被动式超低能耗绿色建筑的建设提供有力的支持[15]。

4 建筑智能辅助设计系统性能测试

上述过程实现了被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统的设计与运行，为了验证系统性能，设计仿真对比测试，具体测试过程如下所示。

4.1 系统可行性检测

系统可行性检测主要是Revit端合规性检查以及Web端信息交互平台检测。Revit端合规性检查流程为：开启插件→隐藏提示→开启消息提醒→合规详情→上传模型。Web端信息交互平台检测包括项目文件、构建参数信息等检测，Web端信息交互平台检测界面如图6所示。

图6 Web端信息交互平台检测界面图

通过上述流程验证了设计系统的可行性，为下述仿真对比测试做准备。

4.2 测试环境参数设置

为了保障测试结果的准确性，设置测试环境参数，具体内容如表5所示。

表5 测试环境参数设置表

4.3 测试结果分析

选择面积为100 m2，200 m2以及300 m2的被动式超低能耗绿色建筑为实验对象，依据设置的测试环境参数，进行仿真对比测试。得到的成本情况对比如表6至表8所示。

表6至表8数据显示，当被动式超低能耗绿色建筑面积为100 m2时，设计系统总体建筑成本为7.00万元，传统系统总体建筑成本为8.91；当被动式超低能耗绿色建筑面积为200 m2时，设计系统总体建筑成本为12.66万元，传统系统总体建筑成本为17.90；当被动式超低能耗绿色建筑面积为300 m2时，设计系统总体建筑成本为25.71万元，传统系统总体建筑成本为28.88万元。通过对比研究发现，设计系统每个建筑阶段的成本均低于传统系统。

表6 面积为100 m2的成本对比情况表 万元

表8 面积为300 m2的成本对比情况表 万元

通过上述测试结果显示，设计系统极大地降低了被动式超低能耗绿色建筑成本，充分说明设计系统具备更好的智能辅助设计功能。

表7 面积为200 m2的成本对比情况表 万元

5 结 语

本文设计的被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统极大地降低了成本，可以为被动式超低能耗绿色建筑的建设提供有力的支持。但是测试过程中，只针对面积为100 m2的被动式超低能耗绿色建筑进行测试，测试对象较少，无法判断设计系统的适用范围，为此将来需要对设计的被动式超低能耗绿色建筑智能辅助设计系统进行进一步的研究。