基于POE理論和BIM技術的綠色建筑室內環境后評估系統開發研究

羅濤 LUO Tao；湯惠玲 TANG Hui-ling；黃錦龍 HUANG Jin-long

（①龍巖學院資源工程學院，龍巖 364012；②福建才溪建設集團有限公司，龍巖 364000；③福建國強新型環保建材有限公司，龍巖 364000）

0 引言

建筑使用后評估始于20世紀60年代，綠色建筑后評估是在建筑使用后評估的理論上，結合綠色建筑運行參數和要求進行的針對綠色建筑運行狀態的評價體系和方法。綠色建筑后評估評價指標包括環境參數、運行狀態參數等客觀指標也包括環境體驗人員的主觀評價內容。綠色建筑是以全生命周期設計理念為基礎的建筑體系，包括的規劃、設計、施工、運行、回收等環節。目前綠色建筑評價集中在前期的規劃、設計及施工階段，給定的星級評價也主要是針對前期的內容進行的指標認定。建筑后期的維護運行是否能夠達到設計的要求和使用人員的體驗并沒有有效的保證和評估措施。POE理論依托綠色建筑的特性，可以有效對綠建的后期運行進行全面綜合客觀的評價。建筑設計及建筑的性能是否能夠達到預期的要求，是否能夠有效滿足建筑使用者的需求，需要一套完善的理論和有效的方法進行評估和驗證，這也是POE的目標和任務。通過POE體系的構建，可以指導改善建筑使用狀況，為其他綠色建筑的設計運行提供參考數據。

基于POE理論和BIM技術的綠色建筑室內環境后評估系統開發以網絡為基礎，集成BIM技術模型和參數采集硬件系統。利用arduino開源嵌入式硬件平臺集成環境感知傳感器進行環境數據采集，利用網絡將數據實時錄入到web系統數據庫。工程運維BIM模型集成數據調取和展示功能，通過BIM模型可以實時對建筑內的環境參數進行調取和查詢。綠色建筑運行過程中，數據采集和數據分析實時發生，利用綠色建筑后評估理論建立數學分析模型，對采集數據進行實時分析和展示，為建筑運行提供優化和改進數據。

1 室內環境參數設計

室內環境質量影響著室內人員的情緒和身體健康，對工作效率也有間接的影響，物理參數測量值在環境質量評估中作為控制項，包括溫濕度、采光、空氣流速、甲醛、苯、氨、TVOC等諸多參數。

對室內使用者在生心上產生影響的各類聲源影響因素的疊加形成我們定義的室內聲環境，包括了正常交流的聲音元素、噪音及背景音樂等各種音源，其中建筑室內外各種噪聲源是聲環境主要研究和控制的對象。GB 50378-2014《綠色建筑評價標準》和GB 50118《民用建筑隔聲設計規范》里對噪聲做了相關控制并給定了噪聲級的相關范圍區間，系統開發在此基礎上結合實驗數據和使用人員主觀評判進行數據分析并設定相應評判節點。

影響室內使用者冷熱體感的各種因素，包括溫度、濕度、空氣流速、味道等相關因素指標構成室內熱環境?！稛岘h境人類工效學—使用主觀判定量表評價熱環境的影響》GBT 18977-2003里對室內熱環境做了相關評測標準。系統開發中各項分數的設定以該標準為依據，通過傳感器采集相關數據，設定監測閥點。

光照是室內環境采光的主要光源，門窗的材質設置和窗簾的材質設置的合理性關系到室內光環境的好壞和環保性。輔助光源的設置及泛光的運用能彌補和改善自然光源環境，會影響室內使用者在心理、生理及物理人體工效學方面的功能要求?！督ㄖ彰髟O計標準》GB 50034對室內照度做了相關要求和規定，系統開發以此為依據進行數據分析和閾值設定。

CO2濃度、甲醛含量、苯烴類含量、PM2.5、P10等指標在室內空氣品質控制中作為主要因素和閾值控制節點，直接關系到對人體主觀和客觀方面的體驗。系統開發以這幾個參數作為主要監測參數，利用終端傳感器感知相關數據，并依據《民用建筑工程室內環境污染控制規范》和《室內空氣質量標準》的相關規定進行數據分析和閾值設定。

2 基于POE理論的BIM平臺設計與開發

平臺開發依托網絡平臺分軟件開發和硬件開發兩部分。硬件開發包括終端數據采集系統的構建和開發、網絡設備的搭建和開發已經WEB服務器的搭建和開發。在終端數據采集部分，考慮到成本和精度的問題，利用樹莓派電腦平臺進行數據采集傳感器的搭建基礎平臺，利用anduino開發小板作為分布端的數據采集子節點，技能控制成本有很好的保證了精度和靈活性。

2.1 平臺網絡架構構建

Web端開發采用B/S架構，客戶借助終端瀏覽器向BIM+WebServer服務器發出請求，服務器接受請求依托程序進行數據處理后，根據數據分析和數據庫規則進行數據檢索和數據更新并將結果傳回客戶端。BIM模型在服務器中運行時，考慮到負載和元件有效性的因素，根據數據檢索和數據顯示的需求進行輕量化處理以減小對服務器和網絡構成的壓力。網絡平臺構建如圖1。

圖1 網絡平臺構建

2.2 BIM服務器構建

BIM服務器以BIM模型為服務對象，結合IFC或STEP標準特性，通過簇元素的建庫管理，BIM數據的建庫管理等方法形成以BIM模型數據為中心，數據分析處理為工作條件的服務器平臺架構。終端用戶可以通過web瀏覽器提出需求，BIM服務器根據數據請求進行模型分析和輕量化計算，檢索匯總所需要的信息，然后將擴展的模型信息重新提交到服務器，從而實現BIM數據的存儲、管理、交換和應用。

結合服務器建設，采用網絡型室內環境參數傳感器實時采集相關參數。利用樹莓派電腦做數據采集系統平臺，結合aduino+傳感器的數據采集終端，將實時采集的溫濕度、光照、噪音等參數以CSV文件格式進行數據存儲，并通過網絡將數據更新到BIM模型和WEB數據庫中?？紤]到該采集是以一定頻率穩定采集的，如果實時數據更新到服務器中會增大服務器負荷，降低WEB終端使用效率。數據更新以樹莓派系統做中介平臺，可以設定每天或每周進行數據更新操作，或者以WEB終端需求為觸點進行實時更新。

3 系統軟件開發

軟件系統由市內環境檢測采集系統和web交互數據處理兩部分組成。室內環境監測采集系統，利用搭建的硬件平臺進行二次開發，包括數據采集、記錄功能模塊，主觀數據采集記錄功能模塊和BIM模型數據分析處理模塊。針對BIM模型，主要利用revit軟件進行二次開發，實現運行階段的數據監測和顯示及模型的數據更新。另一部分主要是Web服務器后臺及前端信息交互系統，實現參與各方在網頁端上瀏覽輕量化模型并進行信息交互。開發流程如圖2。

圖2 開發流程圖

4 平臺界面功能開發

平臺功能包括：BIM模型瀏覽展示模塊，利用實現Revit端實時數據采集顯示。BIM模型數據處理模塊，利用Revit端室內環境監測閾值報警及文件報告生成。Web端模型及數據展示、Web端評估報表顯示、Web端信息交互等相關功能界面。平臺功能結構如表1。

表1 平臺功能結構表

系統數據顯示界面設計如圖3。

圖3 系統數據顯示界面設計

5 后評估參數設計

5.1 后評估系統在建筑能耗方面的參數設計

考慮系統的通用性，能耗參數以電和熱為主要的參數計量指標。從新技術監控，節能降耗，綠色能源等方面進行參數設計和提取。并設置了自主設置接口，依據不同的建筑運行方式來進行參數設計。電耗部分包括采光、空調、動力維護等部分，另外允許標定電的綠色態性滿足運行評估的評價標準要求。熱主要針對北方的取暖方式會和電有交叉，參數設置過程中進行特殊標定，滿足參數讀取計算要求。

5.2 后評估系統室內物理參數設計

基于POE理論引入環境質量參數設計，將物理環境參數測量結果參考《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50376、空氣品質評估參考《健康建筑評估標準》T/ASC02-2016等國家標準的規定及實際調研情況，以達標率的計算形式體現出來。

V：達標率；n：滿足標準要求的參數點數量；N總參數點數量；考慮系統運營的特點，達標率覆蓋的時段包括工作時段和非工作時段，根據建筑自身運行特性進行選擇，前提是要統一。

5.3 環境質量用戶滿意度后評估

借鑒美國LEED認證的相關調研方法和思想進行問卷調查設計，對主管感受、舒適度體驗、環境質量進行用戶主觀調研。系統設計中考慮的人員性別、年齡、工作性質等因素的設定，并進行了參數的優化組合設計，方便調研人員在系統上的錄入體驗，以盡量避免人員的主觀應付和排斥。

5.4 系統運行結果評價

通過對某綠色建筑教學辦公樓的系統試運行取得的數據分析發現，環境的客觀參數調查結果顯示：45歲以下的年輕人群有60%對環境參數敏感，其中女性占比超70%。45歲以上的中年人群對環境參數不敏感，有30%左右甚至不關心，對環境的需求率主觀上沒有要求。

在所有的人群中，空氣流速、溫度兩個指標是比較敏感指標，其次濕度主觀敏感性也較強，直接影響工作環境的舒適性，對工作人員的情緒和工作效率影響較大。

建筑功能設置和建筑基礎設施的設置方便面的數據調研，數據偏差性較大，沒有明顯正太規律性。建筑空間的設計、建筑層高的影響、公共區的設置、樓梯、樓道、電梯等分別做了調研參數設計和分值設置。年輕男性相對打分偏高，年輕女性打分居中，中年男性滿意度偏低，分值分布不均，滿意度跨度維度較廣，但基本體現了建筑運行的基本狀態和人為使用的關系。

6 結論與改進

通過開發基于BIM模型數據分析平臺的評估系統，對綠色建筑運維數據進行實時采集和分析，對綠色建筑的室內環境質量、能耗配比、舒適性主觀數據進行匯總分析，為綠色建筑的節能運行提供數據參考支撐，并通過Web交互實時分享和分析數據，滿足綠色建筑的長期運營監控和優化機制。

①通過系統驗證評分細則和各部分權重的合理性，為綠色建筑綠色運行提供數據支撐。②通過系統實現對綠色建筑的精細化的運營和管理，今后可以通過收集其他同類型建筑的信息形成系統運維數據，方便不同類型建筑的后期運營比對和分析。③對Web端功能進行擴展，直接連接傳感器數據等各類信息，完全實現B/S構架，方便人員操作。④目前系統平臺集成了后評估所需的各類參數信息，需要完善界面顯示關聯信息（如將具體評估條目與所需的參數及設備集中顯示），同時在Web端為不同角色用戶提供相應的功能服務。