基于本體的建筑節能設計方案合規檢查與評價

沈策俊 李珊珊

1.青島德泰建設工程有限公司 山東青島 266555；2.青島時代建筑設計有限公司 山東青島 266555

綠色建筑是傳統高能耗建筑向新型節能建筑轉型的第一產物。隨著節能理念發展的不斷深入，控制能源消耗、實現可持續發展已成為建筑業的趨勢。研究表明，建筑設計階段在控制建筑能源消耗工作中占據著舉足輕重的地位，是建設項目生命周期中最有效、也是最容易把握的時機。當前，計算機仿真已經成為建筑節能設計的重要工具，仿真模型的參數賦值往往依靠設計規范與設計師的知識儲備。如何科學高效地完成模型賦值并為設計師提供建筑設計方案的表現反饋與修正指導是提升設計效果的重要前提。目前，在建筑設計階段，利用能耗仿真軟件進行建筑能耗模擬已成為不可或缺的程序。現有的能耗仿真軟件一般遵循“建模—賦值—仿真”的基本流程，但在賦值階段，往往沒有較為完備的常規結構與材料參數參考信息庫，因此在操作時需要設計者具備足夠的建筑物理和建筑材料等方面的專業知識，否則會存在較大的盲目性。本體技術所具備的能夠囊括目標領域內的核心概念及典型實例、以及能夠對知識進行快速抽取的特性，可以有效地解決這個問題。另外，仿真操作的繁復性和結果的冗雜性容易導致在對設計方案進行人工檢查與對比過程中出現程序繁瑣、出錯率高等問題，降低方案設計效率并影響最優決策的質量。相較之下，利用計算機語言編寫的推理程序具備運算速度快、精度高以及邏輯性強等特性，能夠準確快速地彌補人工操作的薄弱之處，實現建筑節能設計方案自動化檢查與對比[1]。

基于以上背景，本文著眼于建筑節能設計工作，通過整理建筑節能設計方案中重要的概念、術語與設計參數，運用本體論構建建筑節能設計方案自動修正與評價的本體，將能耗仿真結果作為建筑設計方案的評價依據，并以行業規范標準為基礎設計自動推理程序，實現對建筑節能設計方案不合規因素的自動檢查以及不同建筑節能設計方案間的自動對比，為設計人員對建筑節能設計方案進行針對性的調整提供更加高效、精確的手段；在節省時間成本與人力成本的同時制定建筑節能設計方案的優化決策，為降低建筑領域能源消耗提供助力。

1 研究方法

本體（Ontology）最初作為解釋客觀存在事物的本質的哲學概念出現。自20世紀90年代起，部分學者]突破哲學領域體系，將本體滲透到其他學科，并逐步形成基本的定義[2]。目前 Studer提出的“本體是共享概念模型的明確的形式化規范”被廣泛認可且最為成熟的定義。近年來，隨著國內外對本體技術研究的不斷深入，本體應用的領域不斷擴大。建筑工程領域的相關成果也層出不窮。在建筑工程質量控制方面，岳明宇等根據工程活動中利益相關者與質量信息的關系構建了本體模型，為相關決策者進行質量管理提供幫助；劉欣等根據《建筑工程質量通病防治手冊》，借助本體技術提出了一種建筑工程質量常見故障診斷模型，用于實現對建筑工程質量常見故障的高效判定；胡云忠、胡海盟立足于建筑工程領域的規范，運用本體技術對規范知識進行抽取與處理，為規范的自動處理提供理論依據。在成本預算方面，劉喆針對建筑工程招投標階段，結合本體與 BIM技術，研究了基于工程量清單計價模式的成本預算的自動化實現；劉欣等根據《建設工程工程量清單計價規范（GB50500-2013）》，對IFC 標準進行分析，構建成本估算本體模型，為實現成本估算知識在建筑領域中的共享提出新思路；Lee 等利用本體技術構建了基于BIM的建筑成本預算系統，幫助成本估算人員更容易地使用 BIM數據[3]。目前，國內外學者利用本體針對建筑工程的質量管理與成本預算的研究較為豐富，但在能耗控制方面的研究較少，因此本文立足于建筑設計階段對能耗控制進行研究。

2 建筑節能設計方案合規檢查與評價的本體構建及推理實現

本體是實現領域內知識架構與復用的有力工具。建筑節能設計領域所涵蓋的知識體量龐大且駁雜，具有極強的復用性，因此構建建筑節能設計方案合規檢查與評價本體具有足夠的必要性與可操作性。建筑節能設計方案的制定一般都著眼于總能耗、分項能耗、影響因素、設計標準和效果評價五大模塊，執行“設計并檢查初始方案→修改構件參數→調整并檢查設計方案→方案對比評價→設計方案決策”的程序。據此，在進行建筑節能設計方案合規檢查與評價本體設計時以能耗值的調整作為主軸線，將原建筑總能耗進行分解得到各分項能耗，對相關參數進行有針對性的調整得到調整后的分項能耗，將其合并后得出總能耗。在進行調整時，涉及到兩個重要環節：一是建筑節能設計方案的合規檢查，需要立足于建筑節能設計方案的各分項能耗進行操作；二是建筑節能設計方案調整效果的評價，與方案調整前后總能耗與分項能耗均有關系。對此，本文構建了建筑節能設計方案合規檢查與評價本體，設計框架如圖1所示[4]。

圖1 建筑節能設計方案合規檢查與評價本體設計框架

從整體來看，建筑分項能耗是貫穿本體模型的重要線索。建筑分項能耗直接決定建筑節能設計方案的合規性；建筑總能耗與分項能耗決定建筑節能設計方案的評價水平。但建筑節能設計方案合規檢查與評價本體的核心并不是建筑分項能耗。其核心環節是根據影響因素中涵蓋子類所涉及的具體參數進行調整。因此本體在影響因素模塊中詳細羅列了常規項目。另外，設計標準也是本體的重要組成部分。建筑節能設計方案合規檢查與評價本體依據《公共建筑節能設計標準（GB50189-2015）》（以下簡稱《標準》），在本體中錄入該標準的相關規定，通過比對建筑節能設計方案的相關數值，實現對調整前后建筑節能設計方案的合規性檢查。此外，節能效果評價也很重要。

推理實現：

構建建筑節能設計方案合規檢查與評價本體的目的是建立領域內知識的儲備平臺，便于設計者對相關信息進行提取和調用。而要實現建筑節能設計方案合規檢查與評價的自動化運行則必須依靠推理。推理的目標功能包括實現調整前后建筑節能設計方案的自動合規性檢查和自動對比評價。

（1）建筑節能設計方案合規檢查推理。建筑節能設計方案的合規性檢查旨在將建筑節能設計方案中存在的不合規因素從類別和程度兩個方面明確地表達出來，實現與 EnergyPlus仿真結果的銜接，彌補仿真軟件手動操作中的不足。在構建圍護結構合規檢查的推理框架時，主要從如下3個層面出發：第一層為數據輸入層。首先確定要進行檢查的系統，輸入建筑設計方案中的相關數據（例如建筑外表面積、建筑包圍體積、窗戶洞口面積等），計算得到對應的熱工性能參數；第二層為標準檢查層，是推理框架的核心層[5]。

（2）筑節能設計方案評價推理。相較于合規檢查而言，建筑節能設計方案評價推理的實現較為簡單。主要思路為對調整前后總能耗及分項能耗值進行對比，根據計算所得的調整百分比分析方案的調整效果。建筑節能設計方案評價推理設定了從“調整效果差”至“調整效果好”（以±0.1與0為界）5個不同程度的調整效果評價結論。

3 結語

本文借助本體技術，構建了涵蓋建筑節能設計領域內核心概念與典型實例的本體，使得設計者在進行建筑節能設計時，能夠科學高效地利用本體找到所需參數完成仿真模型的賦值，極大地彌補了傳統建筑節能設計操作的盲目性。在此基礎上，利用python 程序設計了建筑節能設計方案的合規檢查與評價推理規則，實現了建筑節能設計方案的圍護結構設計中存在的不合規因素的自動分項輸出及不同方案間總能耗與分項能耗的對比效果的自動輸出，改善了設計者進行人工檢查與對比時存在的程序繁瑣且出錯率高等不足；另外還準確且直觀地為設計者提供建筑節能設計方案的表現反饋與修正建議，在節省時間與人力成本的同時，大幅度降低了制定建筑節能設計方案的復雜程度，使設計者能夠更高效、準確、便捷地完成建筑節能方案的設計與優化，為建筑領域能源節約提供助力。