基于本体的建筑节能设计方案合规检查与评价

沈策俊 李珊珊

1.青岛德泰建设工程有限公司 山东青岛 266555；2.青岛时代建筑设计有限公司 山东青岛 266555

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。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[1]。

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]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[2]。目前 Studer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、胡海盟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[3]。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，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[4]。

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。

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。

（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[5]。

（2）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。

3 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。