[營建知訊轉載]BIM應用於建築能耗模擬(BEM)的現況與瓶頸 詹瀅潔 (2018.12)

詹瀅潔  國立臺灣大學 土木系助理教授、BIM研究中心副主任
 
 
BEM預估建築耗能 協助節能設計
    近年來，永續發展議題受到全球廣泛關注，其中建築物運作所伴隨的能源消耗，在各國皆占總體耗能很大一部分，因而透過模擬以了解、預估建築物耗能的多寡及樣態（pattern）也成了相當熱門的課題，而建築能耗模擬（BEM，Building Energy Modeling）是幫我們預估建物耗能的好工具。在設計階段，BEM可幫助建築師選擇較為節能的設計、材料、工法等。雖然一般印象認為節能設計可能會增加初期投資費用，但模擬的結果可幫助業主評估整個建築生命週期能源相關的花費及碳排放等，使評估更加全面性，且達到更高效益。此外，模擬結果可幫助空調工程師決定相關空調設備所應具備的效能和噸數，也可做為老舊建築改建時節能評估的參考。最後，在建築物的運轉階段，則可利用BEM預測結果對各項設備進行進階控制，並用以監控建築物使用時的能源缺口，及時處理可能遭遇的問題。


BEM與BIM結合須克服的困難
    一般建築能耗模擬的輸入參數有：氣候資料（氣溫、日照、濕度、風速等）、外殼參數、內部的熱源，以及使用人員的數量和行程。根據以上資訊可計算建築物的冷負荷和熱負荷（cooling load and heating load），若要知道更詳細的耗能狀況，譬如所用的電量或瓦斯，就必須再輸入預計使用的冷暖氣系統資訊，及其效能曲線等資訊。而在完整BIM模型中，恰好也蒐集包括多數BEM所需的資訊，因此BIM與BEM的結合在近年來備受關注，也有大量的研究以及應用產生。
    然而，其中仍有幾個明顯的問題，使得BEM的幾何定義與BIM有相當大的差異。BEM中的屋頂、牆、地板、隔間等，在幾何模型上多數是以2D平面來定義，厚度則包含在各物件的資訊中，而且所有內部空間皆必須完全密合，不能有任何間隙。當然也面臨到常用的能源模擬引擎都沒辦法處理凹面的情形。在轉換的過程中，原本一面牆常會因窗戶被切割成多個小塊，造成模擬時間增長，其他還有體積要用內表面還是外表面來計算等細節問題，都造成模型轉化間的困難與障礙。另外像空調系統等，有許多細節在BIM裡定義的方法與在BEM裡定義的方法不同，常需借助使用者的再調整或是中介第三方軟體，才能得到正確的BEM模型。

    目前常用的轉化格式主要有兩種：Industry Foundation Class（IFC） 以及Green Building（gbXMLBIM） [1]。IFC標準是IAI（Industry Alliance for Interoperability）組織所建立的BIM程序訊息交換格式。IFC包含了建物的各種資訊，遠多於BEM所需，因此檔案較大。gbXML則是Green Building Studio Inc.所開發，目前多只用於能源模擬的領域中，對多數能源模擬軟體來說可讀性較高。Green Building Studio本身也是一個BEM工具，因此轉換上手續較少，並可跟Autodesk Revit直接連接，容易上手；但其介面缺少讓使用者針對原模型所沒有的細節做進階設定的功能，因此只能用來做概估，要作為末端控制工具則仍有許多困難要克服。至於IFC與gbXML轉換到其他BEM相關軟體的過程，則錯綜複雜，這也是造成許多使用者難以上手的原因。不管是IFC或是gbXML，都有許多研究指出，在轉換時所遭遇的資料缺失或是資料錯誤的問題中，尤以空調系統最為嚴重[2]，雖已有許多第三方軟體被開發出來偵錯與補足資料，然而，目前並沒有標準化的解決辦法。
 
BEM引擎
    前文提到能源模擬工具，目前市面上有很多能源模擬軟體如DesignBuilder、OpenStudio、Green Building Studio、eQuest等，但其實這些都只是介面工具，作用是將蒐集到的資訊丟到背後的引擎去計算，再將結果用視覺化的方法呈現出來。BEM模擬的兩大主流引擎是DOE-2跟EnergyPlus，多數軟體都是仰賴這兩個引擎來做計算。DOE-2開發時間較早，計算速度快，但使用的是較為簡化的方法，而且沒有辦法模擬較新的設備及技術。EnergyPlus計算則使用更接近真實狀況的模型，許多算法較DOE-2更先進，也包含更多對新技術做模擬的功能。若能縮短BIM到這兩個引擎之間的步驟，便能大幅提高BIM在BEM中的實用性，也能降低在多次轉換間資料的缺失，並減少多次確認的繁複步驟。
 
建立更標準化管道及轉化格式 加強操作者偵錯能力
    BIM與BEM之間應該要有更標準化的管道、轉化程序及格式，且不是單一方向的。BEM需要能支援各種BIM所提供的屬性，而BIM的檔案格式則須更完整的定義能源模擬所需的資訊。此外，BEM引擎雖然一直在進步，但對最新技術以及一些細節的處理都還有改善及發展的空間。
    在使用軟體上，理想的情形當然是使用者只要按幾個按鍵，就可以輕鬆轉換，得到結果，甚至把結果再輸回BIM模型中，透過幾個按鍵做出視覺化的效果。當然，要達成這個目標，還有很長的一段路要走，但在科技的快速發展下，應是指日可待。然而，軟體只是工具，好用與否固然可以縮減設計的時間，但持續培養使用者（工程師、建築師等）的偵錯能力與設計能力，才是永續發展的根本。當軟體回報出不合理的結果時能及時發現錯誤，可避免後續牽一髮動全身的進退維谷，進而了解如何設計才會有想要的結果，減少嘗試錯誤道路的時間，甚至發展創新的技術。要達成永續發展的目標，人類的智慧不可或缺。
 
 
參考文獻
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1. Ivanova, I., K. Kiesel, and A.J.P.o.B.S.A. Mahdavi, BSA, BIM-generated data models for EnergyPlus: a comparison of gbXML and IFC Formats.2015.
2. Kamel, E. and A.M. Memari, Review of BIM's application in energy simulation: Tools, issues, and solutions. Automation in Construction, 2019. 97: p.164-180.