基于IFC与gbXML标准的绿色建筑信息模型数据标准及应用研究

(郑州大学土木工程学院，郑州 450001)

随着我国社会经济的发展，近几年房屋建筑业每年竣工面积多达40亿m2，年总投资总额接近10万亿。由于建筑行业整体属于高耗能行业，因此建筑节能和绿色建筑是建筑行业可持续发展的重要因素。传统的绿色建筑分析一般开始于施工图完成以后，能耗分析结果更多注重评估设计效果，而对设计过程并没有起到很好的指导作用。随着信息技术的发展和在土木建筑工程领域的广泛应用，具有统一数据标准的BIM模型拥有保存和管理建筑全生命周期中所有关联信息的能力，支持信息的动态修改和存储，为实现建筑全生命周期信息共享奠定了基础。基于BIM技术的绿色建筑分析能够从早期设计阶段开始，同步进行，协同设计，从方案设计到项目实施完成，不断修订和完善绿色建筑设计，从而使全生命周期的建筑节能与绿色建筑成为可能。

绿色建筑评价需要一整套完整的评价体系和流程，BIM技术在绿色建筑分析方面有一定优势，但是BIM技术涉及软件众多、标准各异、数据格式不尽相同，软件之间的互操作性问题亟待解决。IFC和gbXML均是BIM技术的重要数据标准，IFC标准主要面向建筑全生命周期，数据信息内容丰富，gbXML标准主要面向绿色建筑分析，数据信息具有针对性。因此基于IFC与gbXML的绿色建筑信息模型数据标准的差异、特点以及在解决不同软件互操作性方面的应用，是基于BIM技术的绿色建筑分析的关键和重点。

1 基于BIM技术的绿色建筑分析

随着人们对居住环境舒适性的要求不断提高，对绿色节能和可持续性发展的不断关注，绿色建筑及绿色建筑评价体系越来越受到重视。目前国际上已有的评价体系包括LEED体系、BREEAM体系、GBC体系、CASBEE体系等[1]。我国于2006年6月发布第一版《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)， 2006版绿色建筑评价体系是通过对建筑全寿命周期进行全方位的评价，考虑建筑资源节约、环境保护，材料节约、减少环境污染和环境负荷方面，最大限度的节能、节水、节材和节地[2]。2014年住房和城乡建设部颁布新版《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)，并于2015年1月1日起实施。新标准在评价的准确性、可操作性、覆盖范围及灵活性等方面都有所提升[3]。

传统的绿色建筑性能评价通常是在建筑设计的后期进行分析，如图1所示，传统绿建分析通常在施工图设计完成之后开始，不能在设计早期指导设计，并且后期如果发现原设计方案的绿建性能不能达到国家规范标准或者业主要求，会产生大量的修改甚至否定整个设计方案，增加大量重复的工作量和设计成本。

基于BIM的绿色建筑性能分析与建筑设计过程高度拟合，建筑设计与绿色性能分析协同进行，全过程参与，利用BIM建模软件(如Autodesk Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，通过开放的BIM标准将模型导入绿色性能分析软件(如Ecotect Analysis、EnergyPlus等)，对整个建筑的绿色性能进行分析，分析方法如图2所示。

图1 传统绿色建筑性能分析方法

图2 基于BIM的绿色建筑性能分析方法

与传统绿建分析流程相比，基于BIM的绿色建筑性能分析有如下特点：

(1)传统分析软件所建立的实验模型与实物存在一定的差异，分析项目有限。基于BIM技术的绿色性能分析可以通过开放的BIM数据标准将建模软件创建的BIM模型导入绿建分析软件中，实现一次建模处处使用的思想。

(2)整个设计过程在同一BIM模型基础上进行，不同阶段可直接利用上一阶段的设计成果，以避免设计数据的重复输入，极大地提高了设计与性能分析的效率。

(3)设计信息高效重复利用，设计信息输入实现自动化，设计人员通过“设计、模拟评估、修正设计”等过程，不断优化设计，使设计更加准确与可靠。

虽然BIM技术在绿建分析方面有一定优势，但是分析过程中涉及到多种建模和分析软件，各软件数据格式不尽相同。目前基于BIM的绿建分析存在建筑信息共享难、建模软件与绿色建筑性能分析软件之间互操作性较差、以及分析效率低等问题。因此，需要通过开放性的数据标准来解决软件互操作问题。IFC和gbXML均是BIM开放标准，均具有良好的建筑信息共享性，大部分建模和绿建分析软件支持这两种数据格式。但IFC标准面向的是建筑全生命周期，数据架构丰富，gbXML标准则主要是面向绿色建筑分析，信息携带具有针对性。因此需要建立基于IFC和gbXML标准的绿色建筑信息模型，分析各自绿建性能分析所需信息的表达方式，携带信息的内容以及不同标准BIM模型的适用性。

2 基于IFC的绿色建筑信息模型数据标准

IFC(Industry Foundation Classes)标准是开放，标准化、和支持可扩展的数据模型标准，使在建筑行业中广泛应用的建筑信息模型(BIM)应用软件具有更好的数据交换性和互操作性[4]。IFC标准在描述建筑实体信息方面具有很强的能力，是BIM模型在不同的BIM应用软件之间的数据共享与信息传递的主要标准，能够将建筑设计、施工和运维阶段的信息无缝共享，在提高生产效率方面具有很大的潜力。然而IFC标准涵盖范围广泛，存在部分实体定义不精确和部分信息冗余，不能够完全满足工程项目各阶段的数据交换和信息共享的需求[5]。

由于绿色建筑评价是根据现行《绿色建筑评价标准》进行，因此有必要对绿色建筑评价时所涉及的建筑信息及这些信息在IFC标准中的定义进行分析和总结，并建立起基于IFC标准的绿色建筑信息模型，以解决BIM建模软件与绿色建筑性能分析软件之间的互操作性问题。表1总结了绿色建筑性能评价时涉及到的建筑信息在IFC标准中的映射，但是IFC标准中的映射仍存在部分实体参数不一致，对这些不一致的实体参数可以通过IFC扩展属性集的方法进行补充。

表1 绿色建筑性能评价相关信息在IFC标准中的映射

图3所示为基于IFC标准的绿色建筑信息模型，模型以IfcSite为根节点，通过IfcRelAggreates与建筑构件实体建立层级关系，IfcSpace是组成建筑空间的基础，空间元素各组成部分通过IfcRelAggreates进行关联，同时IfcBuilding、IfcBuildingStorey也通过IfcRelAggreates形成BIM模型的空间结构。BIM模型中不同系统的划分是基于IfcSystem及其派生子类实现，建筑暖通设备、给排水等是由IfcDistributionSystem表示，不同系统之间通过属性IfcRelAssignsToGroup进行关联。绿色建筑信息模型中IfcSpace通过属性IfcRelSpaceBoundary与构件元素之间形成实际或虚拟边界，通过属性IfcRelAssignsToGroup相互关联形成IfcZone。一个IfcSpace能够与一个或多个IfcZone相关联。IfcMaterialDefinition是模型中所有材料信息的父类型，包括材料的形状和材料的属性等，IfcMaterial通过IfcRelAssociatesMaterial关联形成构件元素IfcElement。

图3 基于IFC标准的绿色建筑信息模型

因此，在选择IFC作为BIM模型软件和绿色建筑性能分析软件信息交换的标准时，应采用以下流程：

(1)通过BIM建模软件(如Revit、ArchiCAD等)建立BIM模型，选择IFC2x3或IFC4标准导出整个建筑项目BIM模型。

(2)将IFC文件导入绿色建筑性能分析软件(如Ecotect、EnergyPlus等)。

(3)模型导入绿色建筑性能分析软件后，根据需求进行参数设置，设定分析条件，设置分析规则等。例如，光环境分析，应首先开启分析网格，设置分析网格数量和大小，设置分析条件。对于能耗分析应首先检查材质设置是否正确、设置区域属性，计算区域体积和内部相邻区域，加载气象数据，设置分析条件等。

(4)按照《绿色建筑评价标准》将评分项目进行数字化转换并进行项目整体绿色建筑分析。

3 基于gbXML的绿色建筑信息模型数据标准

IFC作为当前主流的BIM开放标准，仍存在绿建分析软件与BIM模型之间互操作性较差问题。针对这些问题，Bentley Systems在2000年发布gbXML标准1.0， 2015年发布最新的gbXML标准6.01。gbXML标准主要作用是促进建筑信息模型的互操作性，使不同的BIM设计软件和工程分析软件之间能够传递数据和模型整合。例如，常见的BIM工具和建筑性能分析软件(Green Building Studio、Ecotect、VE等)均支持gbXML标准。由于gbXML格式的数据包含详细的绿色建筑性能相关信息，因此在BIM设计软件导出gbXML格式的模型，能够在分析工具中直接进行分析。

表2 gbXML标准中主要节点元素

图4 基于gbXML标准的绿色建筑信息模型

gbXML V-6.01共包含346个元素和167个数据类型，基本上涵盖了建筑的环境、几何形状、建筑空间分割、系统设备和人员等信息[6]。其中gbXML的主要节点元素如表2所示。基于gbXML标准的绿色建筑性能分析模型如图4所示，以Cpmpus为根节点，关联Building和场地元素，建筑楼层和空间元素之间由BuildingStoreyId进行关联。构件材质信息和位置气象信息由Construction和Weather提供，建筑设备系统通过AirLoop、LightingSystem等元素提供[7]。

因此，在选择gbXML作为BIM模型数据交换的标准时，应采用以下流程：

(1)通过BIM建模软件建立BIM模型，并对BIM模型进行简化处理，例如删除模型中非主要构件，简化gbXML文件，设置模型详细程度等；

(2)检查简化模型及房间信息设置是否正确，导出gbXML文件；

(3)将gbXML文件导入绿色建筑性能分析软件；

(4)模型导入绿色建筑性能分析软件后，根据需求进行参数设置，例如：能耗分析需要检查材质； 检查区域属性，主要包括区域中设备能耗、运行时间表等； 设置区域体积，执区域体积计算，加载气象数据资料； 最后进行建筑总能耗和冷热负荷分析；

(5)按照《绿色建筑评价标准》将评分项目进行数字化转换并进行项目整体绿色建筑分析。

4 基于IFC与gbXML标准的绿色建筑性能分析实例验证

验证项目为某中学整体搬迁项目，选取其中行政楼和图书馆作为绿色建筑性能分析实例。行政楼为四层框架结构，建筑高度16.8m，建筑面积3 643.04m2。图书馆为三层框架结构，建筑高度16.20m，建筑面积3 426.56m2。该项目为公共建筑，绿色节能设计按《公共建筑节能标准》GB50189-2015进行设计，项目分析模型及周边情况见图5。

图5 验证项目分析模型及周边建筑情况

(1)基于IFC标准的建筑外部风环境模拟

根据最新版《绿色建筑评价标准》要求：“场地内风环境有利于室外行走、活动舒适和建筑的自然通风，评分总分为6分”。本项目首先利用ArchiCAD建立BIM模型，如图6所示。并且对模型做简化处理，只保留基本的几何信息，将简化模型以IFC标准格式导入到Ecotect中生成所需分析模型，最后在Ecotect软件中建立周边建筑的体量模型。风环境模拟分析采用流体动力学计算方法CFD，利用插件WINAIR4进行风环境模拟。

通过设置分析网格数据以及在WINAIR中进行计算，建筑项目场地冬季风环境模结果包括：拟风速等值线、风压等值线、三维风向分布等，如图7、图8和图9所示。通过模拟分析结果可以看出，场地内1.5m高度建筑在冬季外部风速均在2.0m/s之内，场地内风压范围为-1Pa-2Pa，目标建筑外部行人活动区域风场等值线分布较均匀，无明显涡旋。目标建筑冬季周边行人区域风速1.0m/s，根据《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)4.2.6条，小于标准规定的5m/s，并且行人活动区域无明显涡旋，因此满足绿色建筑要求。

图6 建筑项目BIM模型

图7 建筑项目场地风速等值线分布图

图8 建筑项目场地风压分布

图9 建筑项目场地风向分布图

(2)基于gbXML标准的建筑热环境分析

建筑热环境分析通常以区域(Zone)为基础，首先通过Revit建立实体模型并导通过gbXML标准的数据文件导入Ecotect中，如图10所示。通过前文分析，gbXML标准的绿建模型不包含建筑物理属性、构件厚度以及材料材质等信息。因此需要在Ecotect中手工添加和设置绿建性能分析所需信息。例如，添加分析所需的建筑构件信息，设置墙的材质、物理属性以及厚度信息，以及设置房间人员数量、室内空调系统及温度等信息。通过将项目地理位置及气象信息导入Ecotect，根据影响室内热环境的因素，热环境分析结果包括该建筑全年逐月室内能耗量(图11)、逐月不舒适度分析(图12)、被动组分的热分析(图13)等。

图10 建筑项目热环境分析模型

图11 建筑项目全年逐月室内能耗量

图12 建筑项目逐月不舒适度分析

图13 建筑项目被动组分的热分析

5 结论

BIM技术是一种全新的信息技术，是建筑业实现绿色节能、可持续发展的重要途径之一。IFC和gbXML均是BIM技术的重要数据标准，也是解决建模软件和绿色建筑分析软件之间互操作性的关键和重点。本文详细分析了IFC数据标准和gbXML数据标准的绿建信息表达方式，绿建信息的内容以及不同标准BIM模型的适用性，提出了基于IFC和gbXML标准的绿色建筑信息模型的绿色建筑性能分析流程。同时将IFC和gbXML标准与绿色建筑性能分析相结合，探索不同软件间信息共享的途径，对解决BIM模型在信息交换过程中的“信息孤岛”问题提出了参考建议，也为拓宽BIM技术的应用范围提供了技术路线。

参考文献

[1] Soebarto V I，Williamson T J.Multi-criteria assessment of building performance：theory and implementation[J].Building and Environment， 2001, 36(6): 681-690.

[2] 中国建筑科学研究院.《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2006)[S].北京：中国建筑工业出版社， 2006.

[3] 王敏， 张行道，秦旋.我国新版《绿色建筑评价标准》纵横比较研究[J].工程管理学报， 2016(01)： 1-6.

[4] Venugopal M，Eastman C M，Sacks R，et al.Semantics of model views for information exchanges using the industry foundation class schema[J].Advanced Engineering Informatics， 2012, 26(2): 411-428.

[5] Venugopal M，Eastman C，Sacks R，et al.Improving the robustness of model exchanges using product modeling′concepts′ for IFC schema[J].Computing in Civil Engineering， 2011.

[6] Version G.http：//www.gbxml.org/schema/6-01/GreenBuildingXML_Ver6.01.xsd.

[7] Guzmán Garcia E，Zhu Z.Interoperability from building design to building energy modeling[J].Journal of Building Engineering， 2015， 1： 33-41.