基于本体的建筑节能设计方案合规检查与评价

暴颖慧，李 想，刘 莎

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

绿色建筑是传统高能耗建筑向新型节能建筑转型的第一产物。随着节能理念发展的不断深入，控制能源消耗、实现可持续发展已成为建筑业的趋势。研究表明，建筑设计阶段在控制建筑能源消耗工作中占据着举足轻重的地位，是建设项目生命周期中最有效、也是最容易把握的时机[1]。当前，计算机仿真已经成为建筑节能设计的重要工具，仿真模型的参数赋值往往依靠设计规范与设计师的知识储备。如何科学高效地完成模型赋值并为设计师提供建筑设计方案的表现反馈与修正指导是提升设计效果的重要前提。目前，在建筑设计阶段，利用能耗仿真软件进行建筑能耗模拟已成为不可或缺的程序。现有的能耗仿真软件一般遵循“建模—赋值—仿真”的基本流程，但在赋值阶段，往往没有较为完备的常规结构与材料参数参考信息库，因此在操作时需要设计者具备足够的建筑物理和建筑材料等方面的专业知识，否则会存在较大的盲目性。本体技术所具备的能够囊括目标领域内的核心概念及典型实例、以及能够对知识进行快速抽取的特性，可以有效地解决这个问题。另外，仿真操作的繁复性和结果的冗杂性容易导致在对设计方案进行人工检查与对比过程中出现程序繁琐、出错率高等问题，降低方案设计效率并影响最优决策的质量。相较之下，利用计算机语言编写的推理程序具备运算速度快、精度高以及逻辑性强等特性，能够准确快速地弥补人工操作的薄弱之处，实现建筑节能设计方案自动化检查与对比。

基于以上背景，本文着眼于建筑节能设计工作，通过整理建筑节能设计方案中重要的概念、术语与设计参数，运用本体论构建建筑节能设计方案自动修正与评价的本体，将能耗仿真结果作为建筑设计方案的评价依据，并以行业规范标准为基础设计自动推理程序，实现对建筑节能设计方案不合规因素的自动检查以及不同建筑节能设计方案间的自动对比，为设计人员对建筑节能设计方案进行针对性的调整提供更加高效、精确的手段；在节省时间成本与人力成本的同时制定建筑节能设计方案的优化决策，为降低建筑领域能源消耗提供助力。

1 研究方法

本体（Ontology）最初作为解释客观存在事物的本质的哲学概念出现。自20世纪90年代起，部分学者[2~4]突破哲学领域体系，将本体渗透到其他学科，并逐步形成基本的定义。目前 Studer[5]提出的“本体是共享概念模型的明确的形式化规范”被广泛认可且最为成熟的定义。

近年来，随着国内外对本体技术研究的不断深入，本体应用的领域不断扩大。建筑工程领域的相关成果也层出不穷。在建筑工程质量控制方面，岳明宇等[6]根据工程活动中利益相关者与质量信息的关系构建了本体模型，为相关决策者进行质量管理提供帮助；刘欣等[7，8]根据《建筑工程质量通病防治手册》，借助本体技术提出了一种建筑工程质量常见故障诊断模型，用于实现对建筑工程质量常见故障的高效判定；胡云忠[9]、胡海盟[10]立足于建筑工程领域的规范，运用本体技术对规范知识进行抽取与处理，为规范的自动处理提供理论依据。在成本预算方面，刘喆[11]针对建筑工程招投标阶段，结合本体与BIM技术，研究了基于工程量清单计价模式的成本预算的自动化实现；刘欣等[12]根据《建设工程工程量清单计价规范（GB50500-2013）》，对IFC标准进行分析，构建成本估算本体模型，为实现成本估算知识在建筑领域中的共享提出新思路；Lee等[13]利用本体技术构建了基于BIM的建筑成本预算系统，帮助成本估算人员更容易地使用BIM数据。目前，国内外学者利用本体针对建筑工程的质量管理与成本预算的研究较为丰富，但在能耗控制方面的研究较少，因此本文立足于建筑设计阶段对能耗控制进行研究。

2 建筑节能设计方案合规检查与评价的本体构建及推理实现

本体是实现领域内知识架构与复用的有力工具。建筑节能设计领域所涵盖的知识体量庞大且驳杂[14]，具有极强的复用性，因此构建建筑节能设计方案合规检查与评价本体具有足够的必要性与可操作性。

建筑节能设计方案的制定一般都着眼于总能耗、分项能耗、影响因素、设计标准和效果评价五大模块，执行“设计并检查初始方案→修改构件参数→调整并检查设计方案→方案对比评价→设计方案决策”的程序。据此，在进行建筑节能设计方案合规检查与评价本体设计时以能耗值的调整作为主轴线，将原建筑总能耗进行分解得到各分项能耗，对相关参数进行有针对性的调整得到调整后的分项能耗，将其合并后得出总能耗。在进行调整时，涉及到两个重要环节：一是建筑节能设计方案的合规检查，需要立足于建筑节能设计方案的各分项能耗进行操作；二是建筑节能设计方案调整效果的评价，与方案调整前后总能耗与分项能耗均有关系。对此，本文构建了建筑节能设计方案合规检查与评价本体，设计框架如图1所示。

图1 建筑节能设计方案合规检查与评价本体设计框架

从整体来看，建筑分项能耗是贯穿本体模型的重要线索。建筑分项能耗直接决定建筑节能设计方案的合规性；建筑总能耗与分项能耗决定建筑节能设计方案的评价水平。但建筑节能设计方案合规检查与评价本体的核心并不是建筑分项能耗。其核心环节是根据影响因素中涵盖子类所涉及的具体参数进行调整。因此本体在影响因素模块中详细罗列了常规项目。另外，设计标准也是本体的重要组成部分。建筑节能设计方案合规检查与评价本体依据《公共建筑节能设计标准（GB50189-2015）》（以下简称《标准》），在本体中录入该标准的相关规定，通过比对建筑节能设计方案的相关数值，实现对调整前后建筑节能设计方案的合规性检查。此外，节能效果评价也很重要。利用EnergyPlus进行仿真并计算得出调整前后建筑节能设计方案的总能耗值与各分项能耗值，以能耗值改变程度为评判标准，对比并分析建筑节能设计方案的调整效果。

2.1 本体构建

结合本体设计框架，本文采用七步法[15]构建本体。在综合考虑本体的拓展性、复用性等因素的前提下，将建筑节能设计方案合规检查与评价本体分为建筑总能耗、建筑分项能耗、影响因素、效果评价、设计标准五大部分，并依靠对象属性相互联结。

2.1.1 定义类和类的层次结构

在 Protégé中建立“原建筑总能耗”“原分项能耗”“影响因素”“调整后建筑总能耗”“调整后分项能耗”“建筑节能设计方案调整后评价”“公共建筑节能设计标准”7个一级子类，再分别在其下建立相应的子类，逐步细化。由于描述内容不同，其细化程度也存在着一定的差异。

取本体模型中一级子类“影响因素”为例，以“影响因素”为起始点，划分出“围护结构”“照明系统”等 5个二级子类，共同构成建筑节能设计方案合规检查与评价本体“影响因素”的基本层。以此为基础，将“围护结构”进一步划分成“外墙”“内墙”等 6个三级子类，与其他二级子类的三级子类共同构成“影响因素”的中间层。再继续细化，从“外墙”引申出“外墙结构层”“外墙砂浆层”等 3个四级子类，设定为“影响因素”的拓展层。上述程序仅详细描述了本体中“影响因素”→“围护结构”→“外墙”类的构建，通过同样方法对其他子类进行构建，从而完成建筑节能设计方案合规检查与评价的本体。图2为该本体类的层次结构图。

2.1.2 定义类的属性

完成本体类和类的结构层次构建后，需要对本体的属性关系进行定义。本体包含两种属性类型，一是对象属性，侧重于描述类与类之间的关系；二是数据属性，用来描述类的自身属性。

（1）定义本体的对象属性。针对建筑节能设计方案合规检查与评价本体中类与类、类与子类、子类与子类等之间的关系进行整理，本文定义了Comprise（组成）、Determine（决定）、Influence（影响）、Obey（服从）及其子属性与逆属性共16种对象属性，如表1所示。

图2 建筑节能设计方案合规检查与评价本体类的层次结构图

表1 建筑节能设计方案合规检查与评价本体中对象属性

（2）确定本体的数据属性。与对象属性不同的是，数据属性必须由类的具体实例指向具体的数值，因此数据属性只针对于不同子类的实例设置。针对建筑节能设计方案合规检查与评价本体中各个类及子类涵盖的不同实例，本文建立了“SHGC”“U-factor”等14种与之对应的数据属性。

2.1.3 创建类的实例

从宏观角度来看，类和类的层次结构、类的属性构成了本体的框架；而添加领域内的具体实例、确定其类型并添加正确的属性及约束才是一个具有实际意义与应用价值的本体。在添加实例时，选择该实例的所属类型，并定义相应的数据属性即可。本文针对建筑节能设计方案的设计与调整中常规结构与材料、设备与行为等进行了搜集与归纳，形成了基本参考信息库，供设计人员读取相关信息。至此，建筑节能设计方案合规检查与评价本体模型基本建立完成。

图3展示了本体中7个一级子类以及各类之间的关系。设计人员可以迅速了解本体的框架信息。利用 Protégé还可得到表达各类及子类之间直接与间接关联的类及子类间关系图，为建筑节能设计方案的设计、调整、检查、评价提供指导。将其进行扩展还可得到添加了实例的所有类及子类之间的关系图，囊括了本体模型的全部信息，设计人员可以直接读取所需实例的对象属性与数据属性。该本体为使用者提供了一个基本的常规结构与材料参数信息库。目前该本体模型还未完善，这也印证了本体可以不断扩充与优化的特点。在后期不断地修改与更新之后，本体会趋于全面和完善。

图3 建筑节能设计方案合规检查与评价本体中类间关系图

2.2 推理实现

构建建筑节能设计方案合规检查与评价本体的目的是建立领域内知识的储备平台，便于设计者对相关信息进行提取和调用。而要实现建筑节能设计方案合规检查与评价的自动化运行则必须依靠推理。推理的目标功能包括实现调整前后建筑节能设计方案的自动合规性检查和自动对比评价。

2.2.1 建筑节能设计方案合规检查推理

建筑节能设计方案的合规性检查旨在将建筑节能设计方案中存在的不合规因素从类别和程度两个方面明确地表达出来，实现与EnergyPlus仿真结果的衔接，弥补仿真软件手动操作中的不足。在构建围护结构合规检查的推理框架时，主要从如下3个层面出发：第一层为数据输入层。首先确定要进行检查的系统，输入建筑设计方案中的相关数据（例如建筑外表面积、建筑包围体积、窗户洞口面积等），计算得到对应的热工性能参数；第二层为标准检查层，是推理框架的核心层。以《标准》为基础，利用Python编写可被读取并运行的代码，这是实现合规检查自动化的关键程序。结合《标准》中围护结构热工设计中的规定，本文以气候分区为检查主路径，延伸并细化相对应的分支，输入相关热工性能的限制要求，将第一层中的计算参数与《标准》对比，实现预期检查功能；第三层为结果输出层。通过核心层的系列程序完成方案的检查后，本文将各项热工性能的检查结论以列表形式输出，使设计者能够快速发现设计方案中不合规因素及其与《标准》的偏差程度。具体框架如图4所示。

图4 建筑节能设计方案合规检查推理框架

在实现建筑节能设计方案合规检查推理的过程中，程序编写是最核心的环节。程序编写要立足于详细、严谨的算法与流程。以严寒地区（A、B两地）甲类建筑围护结构外窗部分的热工性能合规判定为例，该方案合规检查的推理流程如图5所示。

图5 基于Python的建筑节能设计方案合规检查推理流程

2.2.2 建筑节能设计方案评价推理

相较于合规检查而言，建筑节能设计方案评价推理的实现较为简单。主要思路为对调整前后总能耗及分项能耗值进行对比，根据计算所得的调整百分比分析方案的调整效果。建筑节能设计方案评价推理设定了从“调整效果差”至“调整效果好”（以±0.1与0为界）5个不同程度的调整效果评价结论。建筑节能设计方案评价推理流程如图6所示。

图6 基于Python的建筑节能设计方案评价推理流程

3 案例研究

为了验证建筑节能设计方案合规检查与评价自动推理系统功能，本文基于本体模型中的部分实例，提取了相关的结构与材料参数，对3个建筑节能设计方案进行分析。

案例建筑位于我国辽宁省大连市（寒冷地区），建筑面积为 6795.61m2，建筑体积为43452.24m3，建筑外表面积（含窗）为 7489.86m2，外窗总面积为 1412.15m2，设计层数为地上五层，首层层高5.2m，标准层层高3.9m，建筑用途为甲类办公建筑。

3.1 合规检查

建筑节能设计方案合规检查推理程序的目标功能是实现设计方案的合规与否及偏差程度结论的自动输出。结合国内建筑的设计方案与本体模型中围护结构的相关参数，本文拟定了一个基本方案（方案I）进行分析。具体设计信息如表2所示。将相关参数值输入合规检查推理程序中，输出结果如表3所示。

表2 建筑节能设计方案Ⅰ参数设计表（围护结构）

表3 建筑节能设计方案Ⅰ合规检查结果

方案I合规检查结果显示：屋面、外墙、外窗的传热系数以及外窗的SHGC值不合格，不能继续进行能耗仿真。因此对方案进行修正。修正后的方案II的设计如表4所示。将方案II输入合规检查推理程序，结果如表5所示。

表4 建筑节能设计方案Ⅱ参数设计表（围护结构）

表5 建筑节能设计方案Ⅱ合规检查结果

由运行结果可知，经调整得到的方案II中围护结构的设计完全满足标准。

3.2 效果评价

根据合规检查结论，可以继续进行能耗仿真模拟计算。将方案 II的相关数据输入至 EnergyPlus软件中获得其分项能耗值。为了实现对建筑节能设计方案评价推理程序的验证，本文将不同的设计方案输入程序中运行。因此，将方案II中的部分参数值进行调整，得到方案III，设计信息如表6所示。

同样，针对方案 III的首要操作是自动完成合规性检查，运行结果（见表 7）说明该方案符合标准。

将方案III再次输入EnergyPlus进行仿真，提取各分项能耗值。把方案II和方案III的能耗信息输入评价推理程序，运行结果如表8所示。

表6 建筑节能设计方案Ⅲ参数设计表（围护结构）

表7 建筑节能设计方案Ⅲ合规检查结果

表8 建筑节能设计方案评价推理结果

据此，经调整所得的方案 III在能耗评价方面优于方案 II，调整比大于-0.1，调整效果较好，因此方案Ⅲ是较优的建筑节能设计方案。

综上，实例的运行与分析过程验证了建筑节能设计方案合规检查与评价推理程序的目标功能，该程序可行，能够高效、准确地完成建筑节能设计方案自动合规检查与评价。

4 结语

本文借助本体技术，构建了涵盖建筑节能设计领域内核心概念与典型实例的本体，使得设计者在进行建筑节能设计时，能够科学高效地利用本体找到所需参数完成仿真模型的赋值，极大地弥补了传统建筑节能设计操作的盲目性。在此基础上，利用python程序设计了建筑节能设计方案的合规检查与评价推理规则，实现了建筑节能设计方案的围护结构设计中存在的不合规因素的自动分项输出及不同方案间总能耗与分项能耗的对比效果的自动输出，改善了设计者进行人工检查与对比时存在的程序繁琐且出错率高等不足；另外还准确且直观地为设计者提供建筑节能设计方案的表现反馈与修正建议，在节省时间与人力成本的同时，大幅度降低了制定建筑节能设计方案的复杂程度，使设计者能够更高效、准确、便捷地完成建筑节能方案的设计与优化，为建筑领域能源节约提供助力。