基于BIM的公共建筑能源管理系统研究

黄羹墙

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引言

根据国际能源组织的数据，全球能源消耗总量的1/3被建筑行业所消耗。随着人口的增长以及城市化进程的加快，建筑行业的能源消耗在持续增加。其中，公共建筑在运营过程中的能源浪费现象较为严重，有很大的节能空间。建筑能源管理（Building energy management，BEM）是在建筑运营阶段一项有效的节能管理措施。近年来，我国住房与城乡建设部和地方政府陆续颁布了相应的政策文件，大力推进公共建筑能源管理平台的建设。但是，目前的能源管理系统存在着“信息孤岛”问题，以及监测到的能耗数据没有得到深度挖掘，无法真正实现节能控制等。随着建筑信息模型（Buliding Information Model，BIM）技术的发展，借助BIM技术在三维可视化、信息集成化和模拟分析等方面的优势，可以在一定程度上解决能源管理系统现存的问题。本文将BIM技术融入到公共建筑的能源管理过程中，构建基于BIM的公共建筑能源管理系统，以期达到提高公共建筑能源管理效率的目的。

2 BIM应用在建筑能源管理中的相关研究

BIM技术已被广泛应用于建筑行业，它可以将建设工程项目中各种相关信息集成到三维数字模型中，应用于建筑生命周期的所有阶段，如规划、设计、施工、运营和维护阶段，具有直观性、数据完整性、集中性、可扩展性等特征，可以达到协同工作、提高效率、降低成本的目的。

近年来，BIM与公共建筑能源管理的融合受到越来越多的关注。目前，BIM在能源管理领域的研究主要集中在建筑能源可视化监测和能源统计分析方面。如：文献[1]进行物联网与BIM的集成，搭建基于BIM的智慧运营管理平台，可用于能源的监测和实时反馈；文献[2]以武汉国际博览中心为研究对象，采用BIM技术进行能耗统计分析，在此基础上设计了能耗监测系统的基本功能和系统架构；文献[3]设计的BIM能耗监测与分析系统已经成功应用于上海某电力工程项目中，为楼宇节能运营管理优化提供了科学依据和有效手段；文献[4]表明将能源分析工具与BIM模型联系起来，有助于加快能源分析过程，提供更详细、更准确的结果，有助于预测和优化能源消耗，达到节能的效果。多项研究表明，将BIM应用于能源管理可以有效提高建筑的能源效率，但是，数据集成、能耗分析、能源优化控制的局限性等问题仍需要进一步进行研究。

3 基于BIM的公共建筑能源管理系统

本文基于BIM技术采用三层框架体系：设备层、传输层和应用层构建出公共建筑能源管理系统，其框架如图1所示。

图1 基于BIM的公共建筑能源管理系统框架

设备层负责采集各类相关的能耗数据和环境数据，如用电数据、用水数据、室内温度、室内湿度、室内照度等，以及接收优化控制指令调整设备运行；传输层采用无线传感网络（如zigbee网络）将设备层采集的各项数据传输到应用层，并把应用层的控制指令传输给设备层，起到上下衔接作用；应用层包括BIM 建模、能耗优化、能耗展示及查询模块。

系统的整体工作过程为：首先，建立目标建筑的BIM模型，从中提取建筑本体属性信息。通过目标建筑安装的分项能耗计量装置和环境传感器监测能耗信息和环境信息。将以上信息整合到集成的BIM模型，然后对其进行能耗分析和评估，并提出优化策略，最后控制设备运行实现节能。

3.1 创建或优化BIM模型，并导出建筑本体属性信息

若目标建筑尚无BIM模型，需要采用Autodesk Revit软件创建其建筑本体及其内部相关设备的BIM模型，精度应不低于300LOD，并且在模型中将建筑围护结构元件的所有所需热特性和几何特性正确分配给不同的元件。若目标建筑在设计阶段已经创建BIM模型，需将其优化完善。然后将建筑本体属性信息导出到集成的BIM模型。建筑本体属性信息主要包括：

（1）建筑物的几何特征，包括形状、尺寸、布局和构造组件;

（2）建筑物的环境特征，包括环境条件、空间分布和资源利用;

（3）建筑物的功能特征，包括功能空间、设备设施、管理流程和维护需求;

（4）建筑物的生命周期特征，包括设计、施工、使用、维护和拆除等阶段。

3.2 能耗数据和环境数据采集

依据住房和城乡建设部颁布的《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》[5]，能耗数据采集指标划分为分类能耗和分项能耗两种，分类能耗包括电量、水耗量、燃气量等6项，每一项分类能耗又能分为多种分项能耗，如电量又分为照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电4个分项。在目标建筑的分项用能设备源头安装分项计量装置，可获取具体的能耗数据。此外，安装温度、湿度、照度传感器等分别采集室内温度、湿度、照度等环境信息。分项计量装置和环境传感器应具备以小时的频率实时上传数据的功能。

3.3 在系统中集成BIM数据和传感器数据

集成的BIM模型数据库中包括两个部分的数据，第一个部分是静态数据，主要为建筑本体属性信息，这部分数据可以存储在BIM模型的IFC（Industrial Foundation Classes）格式文件中，IFC是一种用于建筑行业的数字化建模格式，它可以用于存储和交换BIM数据，IFC格式文件可以使BIM模型在多个不同的软件应用程序之间共享，这样就可以实现数字化的建筑数据集成和交换。第二个部分是动态数据，即分项计量装置和传感器采集的时间序列数据，这部分数据可存储在结构化的关系数据库中，使用结构化查询语言（SQL）查询。

动态数据和静态数据的集成方法如图2所示，基本步骤可归纳为以下几点：

图2 数据集成方法

（1）将分项计量装置和传感器采集的时间序列数据存储在关系数据库SQL server中并更新；

（2）在Revit中创建的BIM模型可以采用BIM的可视化编程工具Dynamo导出为关系数据库格式；

（3）定义数据库模式，明确分项计量装置和传感器的虚拟对象和物理实体之间的关系。虚拟对象可以使用全局唯一标识（GUID）与物理实体关联；

（4）通过应用程序编程接口（API）实现关系数据库和BIM模型的双向导入和导出；

（5）通过基于Revit的图形用户界面（GUI）和直接查询SQL数据库访问动态数据。

用这种方法完成BIM数据与传感数据的集成比较简单易行，并且通过定制API，可以让传感器数据在BIM工具中实现自动更新。

3.4 能耗优化

目标建筑的能源消耗量可采用神经网络算法预测。首先进行数据预处理，将原始数据转换为神经网络能够识别的数据格式。根据预处理的数据，构建一个能够预测建筑物能耗的神经网络模型。输入层根据目标建筑的本体属性信息、能耗数据和环境数据设置多个节点；隐藏层的层数和节点数取决于数据的复杂性和预测的精度要求；输出层为未来时段的建筑能耗，这也是系统所要分析的能源需求。然后对神经网络进行训练，并评估预测效果，对模型进行调整和优化，直到得到满意的结果。最后，使用训练好的模型预测目标建筑的能耗。将预测值与实际监测值进行对比分析，得出能耗异常数据，为用户提供优化建议，并可向执行器发送指令，控制设备的运行。

3.5 轻量化展示

由于BIM模型文件包含大量的细节和复杂的几何图形，导致文件过大。轻量化技术可以通过移除冗余数据、压缩数据、优化图形和调整文件结构来减少模型文件的大小，从而有助于提高模型文件的效率和可用性，改善用户体验。BIM轻量化展示的平台主要有两种：一种是基于云端的平台，可以使用在线模型浏览器进行展示；另一种是基于移动端的平台，使用移动设备如平板电脑或智能手机等进行展示。这两种平台都不需要使用者具有较高的软件技术水平，因而可操作性强。将集成的BIM模型接入可用于二次开发的BIM轻量化展示平台（如广联达BIMFACE），可以直观地在三维模型中动态显示当前时段的设备运行状态、能耗数据和环境数据。此外，可在用户友好的界面调出未来时段的能耗趋势图表、历史时段的能耗数据图表，并可生成能源报告。

4 结束语

本文提出基于BIM的公共建筑能源管理系统框架，并说明该系统的工作过程和涉及到的关键技术。基于BIM的公共建筑能源管理系统能够提高能源使用效率，并降低能源消耗，同时还能提高建筑的运行效率，减少维护和管理的费用，提高公共建筑的整体价值。系统的节能效果是由一系列因素决定的，这些因素包括使用BIM技术构建模型的精细程度、能源使用情况的监测和分析、数据集成组件的设计与实现以及相关的管理措施的实施情况等。未来还需要进一步研究，以充分挖掘BIM 技术在能源管理领域的潜力。