第 34 卷 工 第6期 2020 年 12 月 程 管 理 学 报 Vol. 34 Journal of Engineering Management No. 6 Dec. 2020 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） 摘 要：建筑节能设计一般包括“拟订-检查-调整-评价-决策”5 个流程。发展至今，各环节仍存在不足。如建筑节能设计 方案的参数需要人工采集与设定以及建筑节能设计的合规检查与评价仍旧依靠人工操作实现等。为了解决当前建筑节能设计 过程中存在的设计效率低下、程序复杂等问题，通过构建本体和推理模型，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，并在此基础上借助案例证明了所提出方案的合理性与可靠性，为降低建筑领域的 能源消耗提供助力。 关键词：建筑节能设计；方案检查；方案评价；本体；推理 中图分类号：TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1674-8859（2020）06-037-06 DOI：10.13991/j.cnki.jem.2020.06.007 Ontology Based Compliance Inspection and Evaluation For Building Energy Saving Design BAO Ying-hui，LI Xiang，LIU Sha （Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China，E-mail：sophie_liu@dlut.edu.cn） Abstract：The process of building energy saving design contains “Design，Inspection，Adjustment，Evaluation and Decision”. At present，there are still flaws existing in each step of the process. For example，the design parameters need to be collected and assigned manually，and the compliance inspection and evaluation are usually realized through human intervention. In order to solve the problems such as low design efficiency and complicated procedures in the current building energy saving design，the compliance inspection and evaluation ontology and a Python-based computer program are developed for realizing the automatic inspection of non-compliance factors and comparison between different schemes. Cases are employed to prove the rationality and reliability of the proposed method. This study can facilitate the work of reducing energy consumption in the building industry. Keywords：building energy saving design；scheme inspection；scheme evaluation；ontology；inference 绿色建筑是传统高能耗建筑向新型节能建筑 用能耗仿真软件进行建筑能耗模拟已成为不可或 转型的第一产物。随着节能理念发展的不断深入， 缺的程序。现有的能耗仿真软件一般遵循“建模— 控制能源消耗、实现可持续发展已成为建筑业的趋 赋值—仿真”的基本流程，但在赋值阶段，往往没 势。研究表明，建筑设计阶段在控制建筑能源消耗 有较为完备的常规结构与材料参数参考信息库，因 工作中占据着举足轻重的地位，是建设项目生命周 此在操作时需要设计者具备足够的建筑物理和建 期中最有效、也是最容易把握的时机 。当前，计 筑材料等方面的专业知识，否则会存在较大的盲目 算机仿真已经成为建筑节能设计的重要工具，仿真 性。本体技术所具备的能够囊括目标领域内的核心 模型的参数赋值往往依靠设计规范与设计师的知 概念及典型实例、以及能够对知识进行快速抽取的 识储备。如何科学高效地完成模型赋值并为设计师 特性，可以有效地解决这个问题。另外，仿真操作 提供建筑设计方案的表现反馈与修正指导是提升 的繁复性和结果的冗杂性容易导致在对设计方案 设计效果的重要前提。目前，在建筑设计阶段，利 进行人工检查与对比过程中出现程序繁琐、出错率 [1] 收稿日期：2020-10-10． 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（71801029）； 中央高校基本科研业务项目（DUT20JC18）． 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 ·038· 工 程 管 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 理 2 学 报 第 34 卷 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 研究方法 为主轴线，将原建筑总能耗进行分解得到各分项能 本体（Ontology）最初作为解释客观存在事物 耗，对相关参数进行有针对性的调整得到调整后的 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 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。 建筑节能设计方案自动检查与调整评价 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 原建筑总能耗 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] 分解 公共 建筑 节能 设计 标准 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 取与处理，为规范的自动处理提供理论依据。在成 原分项能耗 调整参数 检查 调整后分项能耗 对比 建筑 节能 设计 方案 调整 评价 合并 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 检查 调整后建筑总能耗 图1 建筑节能设计方案合规检查与评价本体设计框架 本预算方面，刘喆[11]针对建筑工程招投标阶段，结 从整体来看，建筑分项能耗是贯穿本体模型的 合本体与 BIM 技术，研究了基于工程量清单计价模 重要线索。建筑分项能耗直接决定建筑节能设计方 式的成本预算的自动化实现；刘欣等[12]根据《建设 案的合规性；建筑总能耗与分项能耗决定建筑节能 工程工程量清单计价规范（GB50500-2013）》，对 设计方案的评价水平。但建筑节能设计方案合规检 IFC 标准进行分析，构建成本估算本体模型，为实 查与评价本体的核心并不是建筑分项能耗。其核心 现成本估算知识在建筑领域中的共享提出新思路； 环节是根据影响因素中涵盖子类所涉及的具体参 Lee 等[13]利用本体技术构建了基于 BIM 的建筑成本 数进行调整。因此本体在影响因素模块中详细罗列 预算系统，帮助成本估算人员更容易地使用 BIM 数 了常规项目。另外，设计标准也是本体的重要组成 据。目前，国内外学者利用本体针对建筑工程的质 部分。建筑节能设计方案合规检查与评价本体依据 量管理与成本预算的研究较为丰富，但在能耗控制 《公共建筑节能设计标准（GB50189-2015）》（以 方面的研究较少，因此本文立足于建筑设计阶段对 下简称《标准》），在本体中录入该标准的相关规 能耗控制进行研究。 定，通过比对建筑节能设计方案的相关数值，实现 第6期 暴颖慧，等：基于本体的建筑节能设计方案合规检查与评价 ·039· 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