Development of integrated building and HVAC design surport environment

1 前言 　　世界性的能源危机给建筑业的发展带来了很大的影响。针对建筑能耗占能源总消耗量比例相当大这个现实，世界各国投入大量人力、财力来研究节能建筑，对建筑的节能设计、性能评价、节能运行提出了更高的要求。基于这种情况，各种模拟评价软件应运而生。 　　但是近年来对世界各国的设计、研究单位的调查表明，在实际工程设计中已开发出的模拟软件并未被充分利用。其原因主要有以下几个： 　　①现有的分析模拟软件都是"面向程序"的软件，用户为了使用模拟程序来评价一个具体的建筑或空调设计，需要按照程序的要求准备相应的输入数据文件。这个过程既耗时又费精力，而且一量几个数据的输入错误可能导致完全错误的结果，并且错误很难查找。 　　②一个实际的设计过程由几个不同阶段构成，由于模拟程序是针对解决某一方面的问题而设计的，它仅支持一个或某向个阶段的设计，所以当用户需要跨越几个阶段来评价设计时，就需要使用几个模拟程序，这意味着对同一个建筑的空调设计，要为这几个不同的模拟程序准备不同的输入文件。显然这大大限制了这些模拟程序的使用范围。 　　③当使用模拟程序评价具体设计时，程序需要有对所分析对象的全面细致的描绘。但设计初期很难得到所有的详细数据，即使在施工图阶段有的详细数据可以得到，但一些经济数据的取值会在很大程度上影响模拟程序得出的结果。因而对一般工程设计人员来讲，使用模拟程序正确分析评价设计并不是件容易的事。 　　④由于模拟程序只对简化的模型进行模拟，而不同的简化模型会导致不同的结果。因此，如何正确选取简化模型以及由简化模型选择合适的模拟程序又是一大困难。 　　综上所述，繁杂的数据输入工人、不确定性的数据取值和模型简化而导致的结果的不确定性是导致模拟分析技术未能广泛地在实际设计中使用的主要原因。 　　但是，正确地使用模拟分析技术是保证实际设计质量的唯一途径。显然，上面的问题并不在于模拟程序本身的计算性能不够好，而是外部界面的问题。围绕着如何解决这些问题，80年代后期，国际上开始出现集成化的建筑空调设计支持环境的概念，继而许多因家陆续投入大量经费与全国各地开发此类系统。 　　这类集成化系统的共同特点是将各种有关的分析模拟软件集成于一个环境下，建立统一数据库，各个软件通过与统一数据库传输数据，从而达到互相交换数据的目的，这样可以解决各个模拟软件之间通讯问题。 　　用户在储存系统中模拟建筑，只需将建筑向系统描绘一次（如用CAD系统），然后集成系统可以将描绘数据转换为模拟程序所需的输入文件格式。而且如果集成系统进一步具有智能功能，系统可以对不同的实际应用提供默认值，及时指导建筑模型的简化过程，从而不但大减轻输入文件的准备工作对用户的负担，并且增强了数据的可靠性及结果的正确性。 　　与单纯的模拟软件相比，集成系统具有以下优点： 　　·允许用户进行不同设计阶段的分析计算。 　　·用统一的系统数据描述方法得到数据之后可转换为适合不同程序的输入文件，可作不同的分析计算工作，从而大减轻了人工准备数据的负担。 　　·将一些基本知识，诸如标准部件知识、基本规则等装入系统，便于查找，以利于系统作出正确决定。 　　·人机关系与以往的不同。以往的模拟程序是以机为主，机器要求什么，人就要做什么。机时集成设计系统的人机充分地配合，按人的意志，借助机器来计算、推理，并可作判断和决定。 　　·结合CAD绘图，使设计、计算合为一体。在一个系统中完成。 　　·系统针对具体情况为用户提供默认值及选取简化模型，这可在很大程度上帮助用户模拟分析建筑，同时增强数据的可靠性。 　　图1描绘了所设想的这种集成化设计系统中的各功能块及其相互关系。用户利用CAD辅助设计，同时检索各种设计资料和产品信息，然后设计结果传输到中心系统描述数据库中，由知识库指导数据转化、再处理模拟程序的选择。各阶段模拟分析均可这同一环境下进行，它们各自的分析结果均可进入数据库为设计的一部分，最后可以得出设计的总评价结果。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　图1 　　为了发展这种集成化的设计环境，必须解决下面3个问题：①统一数据库结构和数据转换机制，②知识库结构，③系统平台设计。 　　本文先介绍国外在数据转换方面的发展以及知识库的开发研究情况，然后介绍欧美国家目前已开发或正在开发的一些集成化设计支持系统，最后对我国开展这方面研究提出几点建议。 2 集成系统中的数据传输问题 　　各种集成化的建筑空调设计支持环境各有不同的结构、不同的侧重点，但却共有一个基本的特征，那就是将一些担任不同任务的模块通过一个中央处理环节来完成信息传输和信息处理。 　　要实现这一点，信息传输显得非常重要。比如用户在CAD系统下设计建筑图形，数据以CAD系统内表达格式存贮，而为了用模拟程序来评价其性能质量，集成环境必须将其转换为模拟程序所要求的输入文件，这不仅是数据存储方式的转化，而且包括对数据的理解和一些再处理过程。 　　为适应CAD图形系统的需要，1979年出现最早作为标准的图形数据交换标准（IGES），起初仅为交换图形和几何数据。但随着CAD系统应用于越来越多的工业生产部门，已构成强大的计算机集成制造系统（CIMS），工业产品数据的复杂性和数据的频繁传递，使得IGES已不满足要求了。怎样准确完满地传递和交换数据成为当今计算机与信息领域中亟待解决问题[1]。 　　美国空军部开发了产品数据定义界面，首次提出产品建模的概念，从而使数据交换技术进入了一个新的阶段。正是为了从根本上解决CIMS中各种产品的复杂性、多样性，各个子系统之间数据的表达、理解、传递等问题，80年代中期，国际标准化组织着手开发产品数据标准ISO STEP，它将发展成国际上唯一通行的数据交换标准。这就意味着不久的将来，世界各国各种计算机应用系统都应与该标准兼容。为了实现这上目标，需要许多国家不同行业的专家共同合作，使STEP具有表达所有数据模型的能力。目前参与开发STEP的国家有美国、澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、法国、芬兰、德国、匈牙利、英国、瑞士、瑞典、挪威、荷兰、日本、俄罗斯。 　　为了避免语言不通造成的困难，以及为了集成各地开发的模型，需要一种建模工具，以使表达标准EXPRESS。NIAM和IDEFIX是图形工具，易用、易读，尤其于建模初期。NIAM是一个二元数据模型，采用类似于自然语言的方式描述真实世界[1]，[2]。举一简单的例子："table"和"height"是两个概念，它们之间的关系称为"role"，这里，"has-height"和"is-height-of"是两个role，它们互为一对反关系，"?"是在role的限制（constraints），比如一个"table"有唯一确定的一个"height"，"唯一"就是限制。 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 　　IDEFIX也是图形建模工具，其数据模型是实体关系模型，基本元素是物体与物体之间的关系以及物体的属性。它与NIAM是两个平行的建模工具，如何选择很大程度上取决于不同的工业需要和专家手中的知识。在建筑方面，目前广泛采用的是NIAM。 　　EXPRESS是一种数据定义语言，图形建立模型最终都要转换为EXPRESS相应的实体结构。因而从某种方面可以说，NIAM和IDEFIX是图形工具，使概念化的模型为人所能理解，而EXPRESS是为计算机所能理解的数据定义语言。实际上EXPRESS中的实体结构（以及各种关系）是一种概念型结构。它的核心是实体（entity），实体既可以看作抽象的，也可以定义为具有清晰属性的实在的物体，每一个属性有特定的名称，以表示该属性表达的含义，属性也是实体，这个实体的数据类型表示属性的数据是什么样的类型[2][3]。 　　EXPRESS还允许以函数和过程的形式定义属性的操作，并且提供多种规则。比如关于属性取值的规则，关于几个属性关系的规则等等。值得一提的是实体和属性可在数据库中实现，而规则和操作则是由作为集成的应用程序和数据库管理软件部分来实现。 　　STEP 中这三种建模方法各有不相同，但EXPRESS能支持NIAM和IDEFIX的所有功能，后者应能够很简单地转换为EXPRESS定义。 　　一旦语义在要领型模型里定义之后，不同系统之间数据就可以STEP具体数据文件来进行传递了。STEP转换文件形式是顺序文件，不同数据通过特征词（或字）来区分。STEP文件并非采用最高效的方法尽可能密集地收入信息，而是重点保证信息表达转换的普遍性、通用性[2]。信息传输的前提条件是接收系统和发送系统都必须能够查阅概念模型，因为概念模型容纳着实体的定义，如果没有这个字典的定义、说明，传输的实体只不过是一堆毫无意义的字符或数字。因此概念模型与具体数据文件必须结合起来才能真正表达信息，传输信息。 　　因此，STEP与其他数据交换方法不同之点在于别的方法仅考虑有限的一类数据表达，仅在具有类似功能的系统（如在相似的CAD系统）之间交换数据，而STEP则允许不同功能系统（如在图形系统与计算程序系统）之间能够畅通无阻地进行信息传递。显然它们的数据形式迥然不同，但STEP在产品概念模型定义的支持下，使得两类系统能够充分"理解"所传递的数据。其实STEP是一种中间数据形式，各个系统需要有接口与STEP相连，并能够将自己的数据形式与STEP相互转化，从而与其它系统建立通讯联系。目前，STEP版本1.0已问世，对EXPRESS、通用产品数据模型、形状表达等几部分内容作了定义，试图以提供等价的功能来代替IGES，DXF，SET，VDA等数据形式[2]。 　　在集成化环境中，中央统一数据库象一个大容器，接收来自不同系统信息，它的数据结构可以是固定的，开发者提供如词典一样定义的数据的语言模型，也可以是灵活的，提供语言由用户定义所研究对象有数据模型。而这些数据模型都应支持STEP文件，并以STEP文件形式与下属的各子系统互相传输信息。 　　尽管STEP将是唯一的标准，但在短期内不可能在的有的应用中使用，不过它最终会成为国际标准。为了与国际上这种发展动向保持一致，我国的计算机应用系统开发者们应该考虑到与国际标准兼容问题，我们才能使开发的系统便于在世界上交流参建筑行业，集成化的建筑空调设计支持环境是将CAD与模拟环境集成一体，使CAD绘图系统与模拟程序的产品数据模型及模拟程序之间的数据模型均能以STEP文件交流信息。

3 知识库的研究
　　在集成化设计支持系统中，为了指导数据的取值、再处理、数据的流向、数据结果的解释、分析以及指导用户开展模型分析，知识库的建立是很重要的，随着知识库的功能日益完善，也就使集成系统更具智能化。
　　知识库中应该包括的知识内容有：
　　·默认值：由于一般物理过程很复杂，实际应用者如果对物理过程和物理概念没有较为细致的了解，就很难为一些参数取值，因此，象大地反射率、墙表面对流系数、内墙表面黑度、太阳吸收率等与复杂物理过程联系紧密的参数，在知识库内都应具备默认值，如果用户不能给出，也能使系统赋予参数默认值后进行正常模拟。
　　·经验数据：对于一些需要大量经验判断，一般设计者难以给出的数据，诸如换气次数、室内工作人员负荷、工作日程安排、设备运行规律、照明时间、房间家具的布置、房间热容的取值等等都需有一定的经验才能给出合适值。知识库可以根据建筑物的类型等等提出相应参考值，从而保证这些数据取值正确。
　　·物理模型选取：在建筑模拟中，每个物理环节可以由多种不同的物理模型来描绘，不同的物理模型适宜于不同的情况。比如对某一建筑进行能耗估算，则可选取稳态模型，而如果对某一恒温恒湿房间模拟室内温度变化，则必须用动态模型。这些物理模型可包括围护结构导热模型、太阳长波辐射模型、短波辐射模型、遮阳计算模型、空气流动模型等等。物理模型选择的正确与否会大大影响模拟分析的结果，因此知识库应该对不同的应用目的和应用背景提供选取物理模型的方案，并由所选的物理模型来选择能够支持该模型的模型软件进行模拟分析。如何总结和划分以及表述物理模型不仅需要专家的应用经验，还需要理论分析，并建立模型与模拟程序之间的应关系。知识库中这类知识为一般实际应用者提供了专家经验，可保证模拟分析的质量。
　　·建筑简化模型选取：由于实际建筑很复杂，应用模拟软件进行评价时，必须首先将建筑简化为简单的几何模型，比如有单空间模型、多空间模型。如何进行这样的简化也是需要专家知识的，这种几何形状的转化不仅仅是选取空间，还有再造的过程。建筑简化模型的选取不仅与应用目的有关，还与建筑具体应用状况有关系，比如房间要求的加热点、房间内人员安排、窗户朝向、房间热容、层高等等。知识库中如果包含了这类知识，系统就可以自动地将建筑几何尺寸进行适当转化，相当于构造了一个新的由单空间或多房间构成的简单建筑体！这无疑大大简化了模拟原建筑的过程，同时合理地简化也保证了模拟评价结果的正确性。
　　为了使知识库包含这些内容，并具有相应的功能，必须一方面研究知识的内容，另一方面研究计算机系统中的知识结构。归纳起来，知识库的研究开发要解决的问题有：
　　①知识的来源和获取途径：由上面的阐述可知，知识库的知识需要大量的专家经验，单凭某个人的经验是远远不够的，如何提供友好的界面接收专家所表述的知识以及采用怎样的表述方式都是难点。对专家来说，最好的方式是采用自然语言表述，但这将给知识的可利用性和可执行性带来更大的困难。解决方式之一可能是系统为专家提供一种容易接受的语言，由专家来写知识，这种语言不仅有足够的单词量，还要有丰富的语法使得可以清晰唯一地表述上面的知识。还要注意到所要求的专家不仅是某一方面的专家，因为这些知识要求有模拟分析方面的专家知识，还要有程序使用方面的专家知识。因此在设计获取方式时要考虑到这一点。
　　②知识在计算机系统中的表达方式：适当的知识表达方式不仅保证可表达知识的范围，而且对知识的推理、扩充及更新都有很重要的影响。知识库与以往的模拟软件中的知识不同之处在于后者的知识已附在程序编码之中，知识与计算结成一体，知识的修改、更新需要改变整个模拟程序，而知识库的优点在球需要修改程序，知识抽取出来以一种特殊的方式集成到系统中，并能按这些知识指导模拟过程。知识库的结构与所表述的知识内容有关，就以上的建筑模拟知识的特点，知识的表述可以采用面向目标的概念，将知识分"类"表达，保证知识的统一和知识之间的联系。这方面的研究是知识库开发的难点和关键。
　　③知识的可执行性：所研究的知识表达方式应能够充分保证它的可执行性，也主是说由表达的知识可以执行相应的动作，否则知识为起不到应有的作用。比如根据相应的知识得知采用单容积模型，并决定选取哪一个房间，知识库执行相应的动作，找到该房间，经过必要的简化后组成一个单空间模型，又根据所选择程序的需要建立程序输入文件。这一系列动作是需要严密的知识表述并经过推理得出再执行的。在知识库研究开发中，知识表达与可执行性是一起考虑的，既要保证知识表达的准确唯一，又要考虑知识为计算机所能理解并进行推理。
　　在已开发研究的集成化设计支持系统中，知识库还远未达到预期的功能。但是知识库对于开发高水平的集成环境是必不可少的。强大的知识库的建立是迈向智能化的标志。

4 欧美建筑空调设计支持环境的发展
　　COMBINE（Computer Models for the Building Industry in Europe）是由欧共体提供资金、8个国家15个研究组织加、于1990年开始的一个比较大的项目，它的最终目标是建立智能化的建筑空调设计集成环境。COMBINE的第一阶段于1992年9月结束，之后进入第二阶段的研究。其基本思想就是充分利用已有的建筑模拟软件（DTs），建立一个中心数据库（IDM），各个软件通过与中心数据库通讯来相互传递信息，另附有一个部件数据库（CDB）[3]。如图3。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　COMBINE 结构图
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　图3

　　第一阶段的工作集中在IDM中概念模型的建立。IDM是一个非常大的数据模型，包含了建筑行业几乎所有重要的信息，相当于一部大字典。CAD与DTs之间并没有直接的转换数据过程，它们都是通过与IDM通讯来达到相互交流的目的。IDM是用NIAM建模，进而转化为EXPRESS的概念型模型，其中包括了图形尺寸、材料、空调参数、围护结构的参数、空气流动参数等等，尽可能地包揽了建筑中常用信息。具体数据文件是由STEP文件传递，与EXPRESS结合表述所传递的信息。COMBINE中DTs有六组，分别完成建筑设计与模拟的几个方面，如有完成初步设计阶段的评价的软件，有完成详细设计阶段的评价软件，有设计散热器布置的软件等等[4]。部件数据库CDB贮存标准的部件数据，比如标准窗的数据、墙的数据及空调、供热系统一些典型部件的数据。这项工作刚刚开始。
　　COMBINE第二阶段的工作是完善IDM及进一步在计算机里实现IDM，即选择适当的数据库管理软件；在IDM外围开发DES（Date Exchange System）与Auto CAD接口；每一组DT的开发及建立与IDM的接口。此外另有一项目是开发一个知识库系统集成于COMBINE中用来指导选择程序、使用程序、简化向计算机输入建筑信息的过程。
　　比利时也在开发建筑设计集成软件，其结构与COMBINE类似，有一中心数据交换区，各个设计工具与中心区之间由驱动器（driver）来转换数据，该系统可以对五个方面作设计评价[5]；
　　热分析：设计软件有MBDSA，Suncode，BLAST，DOE2.1C，TRNSYS， HVACSIMt， ESP。
　　结构分析：设计软件有Systus, Acord。
　　噪声分析：Sysnoise.
　　采光分析：Surperlite，Daylite，DOE2.1C。
　　费用成本分析：Multi·Devis。
　　由于设计方面不一样，存在着多种法规，如果针对某一个问题从不同方面得到不同的答案，那么系统应有解决冲突的功能，便于用户对比、评价并作选择，该系统集成了CAD图形工具及数据库管理系统（DBMS），用来处理材料属性、地理坐标等等常用信息。到目前为止，该系统只能处理一个空间的建筑，未来计划是扩展到复杂建筑，实现多空间划分与选取算法；完成知识库，集成到系统中去，作为设计的助手，以解决冲突的问题；将中心数据交换结构连接到面向目标的数据库中。此系统是以Turbo-Pascal写成，系统结构见图4。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　图4

　　瑞士的Click Informatic 公司和Paul Scherrer Institute联合开发集成的HVAC工程系统[6]考虑了整个建筑和设施，并作为一个集成的模型，在完成了大量的样品应用试验之后，将基本程序与一些典型化的应用组合起来形成一个"功能模型"，能够对有限的典型HVAC工程中的一些例程进行处理。它的内部基本结构包括以下几个软件工具：用户界面语言，参数绘图语言，层次定义语言，数据定义语言。建立在此结构上的功能模型充分体现了开发该系统的意图：支持工程师的日常设计工作，比如绘图、预测、计算、评价等。功能模型包括：
　　方案处理工具（建筑师用CAD绘图，传送给系统）
　　方案编辑（使方案在坐标系统中正确定位，并使建筑具有三维视觉印象）
　　建筑模型编辑（建筑模型定义和编辑）
　　建筑元件目录（定义建筑元件）
　　目前，集成的HVAC工程系统还未发展成熟，这些思想还远未完全体现出来，以后第二阶段将向更广的应用发展，比如能量计算方面。
　　德国开发的RETEX系统也是计算机支持的集成环境，其目的是为建筑师、工程师、能量分析专家提供一个工作台[7]。它建立了完整的建筑的计算机模型，包括设计的每个阶段的每个方面（设计、构造、运行、再设计）。由于不同阶段遵循不同的法规标准，而系统提供的工作台能够支持建筑师、工程师等用不同法规对建筑各个方面进行评价。工作台为用户提供了共用的界面，这个共同的界面包含着不同问题所对应的不同的模块。另外，系统能分别支持散布在不同地点的用户，通过网络连接。
　　传统的建筑设计过程在计算机中实现时是按顺序进行，也是说建筑师作完了设计后，其它工程师在此基础之上，完成各自的设计计算，而不得改动原设计。RETEX的构思与此不同，它是采用集成规划，建筑师从一开始就会得到其他工程师、专家的支持，即从设计初始阶段工程师就参与了设计过程。这样可大大提高设计质量和效率。
　　美国开发的AEDOT系统也是努力建立一个集成设计支持系统，与COMBINE不同之处在于AESOT系统是为不同目的专门设计了一些程序（叫做设计工具design tools），使用户可以较方便地模拟。其好处是程序简便，数据易转换、传递，不存在转换输入数据文件的困难，但不象COMBINE那样能充分发挥已完成的模拟程序的优点。因为现有的许多模拟程序应用范围广，计算效果也较理想，能够计算比较复杂的建筑问题。

5 对我国发展集成化建筑支持环境的建议
　　70年代初发达国家就普遍开发建筑模拟软件，通过模拟来研究节能建筑和HVAC系统，而我国直到80年代初才在较大范围内开发和引进建筑分析模拟软件，比国外晚了10年，这在一定程序上影响了我国建筑和HVAC的发展。
　　从80年代初期，发达国家开始推广CAD辅助设计，我国也在广泛地开发研究计算机绘图与计算机辅助设计在建筑和HVAC设计中的应用。这些研究为进一步开发集成化支持环境提供了基础。开发建筑优化设计支持环境能够大大提高我国建筑和HVAC系统的设计水平，并能充分利用已有的模拟技术，节约人力，节约能耗。若这方面落后将会对今后我国的建筑和HVAC领域的发展带来很大影响。
　　目前我国一些高校和设计研究部门已经开始做这方面的工作，但都是各成一体。由于集成化设计支持环境的开发是一项巨大的工程，小打小闹不可能搞成功。按照我国的人力、财力状况，这样分头工作、独立开发，要想搞出高水平的集成环境是比较困难的。因此由有关部门组织协调，或民间加强交流合作是将非常有益的。
　　由于集成化系统设计的关键是多子系统间数据的共亨和转换，因此数据结构的设计是非常重要的。只有按照统一的国际标准设计的数据结构，才有可能使我们的系统很方便地与其他系统相连。按照国际标准建立我国建筑的设备、产品、材料数据库，也才能使这些设备、产品进入国际市场，纳入到国际数据库中，被各种优化设计环境所接收。因此目前应尽早参照ISO STEP标准，建立我国的数据交换标准，使各种数据库的设计、CAD及模拟软件的接口、集成环境的设计都建立在这个统一的标准之下。

6 参考文献
　　1 Jeffrey D Wix, Dr Graham Storer, STEP-a convergence between research and standards development. CIBSE National Conference, 1993 .
　　2 Bo - Christer Bjork, Jeff Wix. An introduction to STEP. VTT Technical Research Center of Finland and Wix Mclelland Ltd., England, 1991.
　　3 F Parand. BRE's integrated building design and performance evaluation system. IEA 21 RN / 92, 1992.
　　4 Directorate General ZII: Joule Programme, Commission of the European Communities, COMBINE Seminar. Fraunhofer Institut für Bauphysi Germany, 1992.
　　5 Ph Andre J Nicolas. An integrated software for building design. 1992, Foundation Universitaire Luxem bourgeoise, Belgium.
　　6 A Duppenthaler, R Mantel, Click Informatik AG. The integrated engineering system for heating, ventilating and air conditioning companies. IEA 21, RN/192, 1992.
　　7 C. Hertkorn. Documentation of design support system RETEX. IEA 21, RN / 192, 1992.<!-- #EndEditable