Valg af datamodel. Prototypen på DIS

Transkript

1 Integreret bygningsprojektering med edb Af Karl Grau, Statens Byggeforskningsinstitut Statens Byggeforskningsinstitut har udviklet prototypen på et integreret edb-system til energi- og indeklimaberegninger. Prototypen har været afprøvet på konkrete byggeprojekter hos de rådgivende ingeniørfirmaer Carl Bro as og Birch & Krogboe A/S. I denne artikel gennemgås principperne i det integrerede system, herunder integration med CAD. I en følgende artikel beskrives afprøvningsforløbet og erfaringerne herfra. Projektering af bygninger sker i et samspil mellem arkitekt og ingeniør. Arkitekten udarbejder arbejdstegninger, som ingeniøren bruger som grundlag for statiske beregninger, energi- og indeklima beregninger, etc. Disse beregninger vil give anledning til ændringer i arkitektens tegninger, således at projekteringen forløber som en iterativ proces mellem arkitekt og ingeniør, indtil det færdige projekt foreligger. Undervejs i denne proces anvender begge parter edb-værktøjer i større eller mindre omfang. Arkitekten anvender i stigende omfang CAD til tegningsfremstilling, mens ingeniøren typisk anvender håndberegningsmetoder, som i specielle tilfælde kan suppleres med forskellige former for beregninger udført med edb-beregningsværktøjer. Det kan være programmet Bygningers Varmebehov 95 (BV95) for eftervisning af, at Bygningsreglementets energiramme er overholdt, eller en detaljeret beregning af indeklimaforholdene ved hjælp af et energisimuleringsprogram. Dagens edb-programmer til bygningsprojektering er karakteriseret ved, at de enkelte programmer skal have inddata på deres egen form og på forskellige detaljeringsniveauer. Inddata skal derfor normalt aflæses manuelt fra arkitektens tegninger og evt. suppleres fra andre kilder. Dette betyder, at det er et stort arbejde at opstille inddata til de enkelte programmer, hvilket bevirker at edb-programmer til projektering ikke anvendes i det omfang det kunne ønskes. Ved anvendelse af edb-programmer kan der i de fleste tilfælde foretages en mere nøjagtig beregning end med håndberegningsmetoder, hvilket i sidste ende kunne resultere i et mere optimalt bygningsprojekt. Det grundlæggende problem er at der ikke findes en fælles standardiseret databeskrivelse (datamodel) for bygninger. Med en fælles standardiseret datamodel for bygninger, eller en digital bygningsmodel, kunne de projekterendes edb-programmer direkte anvende data for et projekt uden manuel indtastning. Et system baseret på disse principper kaldes et integreret edb-system til projektering. Historisk baggrund I begyndelsen af 1990 erne blev der gennemført to EU/JOULE projekter COMBINE I og II (Computer Models for the Building Industry in Europe) [1]. Det var formålet at demonstrere prototypen på et integreret bygningsprojekterings (eller bygningsdesign) system, der kunne fremme en mere effektiv og sikker brug af edb-programmer, så man fik en lettere kommunikation af information mellem parterne under projekteringen. I sidste ende kunne dette resultere i bygninger, som både var mere energieffektive og havde et bedre indeklima. I COMBINE projekterne lykkedes det at demonstrere prototypen på et integreret bygningsdesign system, men systemets kompleksitet gjorde det imidlertid klart, at det ville kræve en meget stor indsats at færdigudvikle det, så det kunne bruges i praksis. Statens Byggeforskningsinstitut (SBI) deltog i ovennævnte COMBINE projekter. Med baggrund i de opnåede erfaringerne har SBI udviklet prototypen på et begrænset integreret bygningsdesign system DIS (Design Integrated Simulation) [5, 6] til energi- og indeklimaanalyser. Prototypen har været afprøvet af de rådgivende ingeniørfirmaer Carl Bro as og Birch & Krogboe A/S i forbindelse med konkrete byggeprojekter. Undervejs i afprøvningen er prototypen blevet justeret og tilpasset, så den i så vid udstrækning som muligt passer ind i firmaernes sædvanlige projekteringspraksis.

2 Valg af datamodel Kernen i et integreret bygningsdesign system er en fælles datamodel, men der findes imidlertid ingen standardiseret datamodel i dag. Byggeindustrien og CAD-leverandørerne er klar over problemet og har indgået et samarbejde om at definere en fælles bygningsdatamodel. Datamodellen kaldes Industry Foundation Classes (IFC) [2], og samarbejdet sker i International Alliance for Interoperability (IAI). Det vil imidlertid tage lang tid endnu inden en fælles datamodel til praktisk brug er udviklet og implementeret. Derfor har SBI valgt en datamodel med grundlag i den model, der blev udviklet i COMBINE projekterne. Datamodellen består af en model for beskrivelse af en bygnings rumlige geometri, en model der giver mulighed for at beskrive en bygnings energi- og indeklimaforhold, samt en model for beskrivelse af bygningsmaterialer og bygningsdele (konstruktioner, vinduer og døre). Prototypen på DIS Det samlede system, DIS, er udviklet til Windows NT, Windows 95 og Windows 98, og består af et antal programmer og moduler samt en database med typiske bygningsdele og materialer (se figur 1). Figur 1 Arkitektur for prototypen DIS Hovedindgangen til systemet er programmet DisView, som anvendes til redigering og visualisering af en bygningsmodel samt til aktivering af beregningsprogrammer. Som beregningsprogrammer indgår Bv98 (Bygningers Varmebehov 98) og tsbi5 (termisk simulering af bygninger og installationer), der er udviklet fra SBI s eksisterende programmer BV95 [3] og tsbi3 [4]. Hertil kommer nye programmer, DisLight, for beregning af dagslysforhold, og Xsun til analyse af sol- og skyggeforhold i bygninger. Alle programmer anvender modulet DisMdl, som implementerer den fælles bygningsdatamodel og som er suppleret med metoder til beregninger på modellen, fx beregning af areal og volumen. Valg af bygningselementer fra databasen sker med modulet DisDB, hvorfra der også kan indlægges nye bygningselementer og materialer i databasen.

3 Integration med CAD De fleste af arkitektens CAD tegninger i dag er plantegninger, som ikke indeholder rumlig information. Yderligere består mange tegninger blot af streger og symboler uden relation til den bygningsmæssige betydning. Disse informationer er ikke tilstrækkelige til automatisk at kunne uddrage en rumlig geometrisk bygningsmodel. For hurtigt, fejlfrit og sikkert at kunne foretage beregninger er det nødvendigt at kunne anvende arkitektens CAD tegning direkte til at definere modellens geometri. Dette stod klart på et tidligt tidspunkt i afprøvningsforløbet hos de rådgivende ingeniører. Det blev derfor besluttet at udvikle et simpelt program, DisDxf, der med baggrund i en DXF-fil fra CAD tegningen kan anvendes til manuelt at opbygge den rumlige model. Figur 2 Plantegning fra boligbebyggelse i Fensmark, CASA Arkitekter MAA, vist med DisDxf. I de fleste tilfælde findes der mange linier i en tegning, fx inventar, der ikke er relevante for modellen (se figur 2), og som gør det vanskeligt at konstruere en model. Men mange tegninger er fremstillet med en objektbaseret overbygningen til CAD systemet, fx POINT, hvor et objekt eksempelvis kan være en væg. Det giver en entydig struktur i tegningens lag, som kan bruges til frafiltrering af overflødig information (se figur 3, venstre side). En bruger kan oprette en bygningsmodel fra en CAD tegning ved at opbygge en trådmodel af bygningens geometri. For en væg, der ønskes medtaget i modellen, konstrueres en hjælpelinie, hvor hjælpelinien konstrueres med udgangspunkt i valg af en eller flere linier i plantegningen, som repræsenterer væggen. Ud fra hjælpeliniernes skæringspunkter konstrueres hjørnepunkter i rummene. Flader i rummet defineres som forbindelseslinien mellem to hjørnepunkter. Rummene defineres til sidst ved at udpege de flader som omslutter hvert rum. Gulv og loft i rummene tilføjes automatisk, idet etagehøjden opgives. På tilsvarende måde kan vinduer og døre indsættes i modellen ud fra plantegningen.

4 Figur 3 Filtreret plantegning og DIS modellen vist med DisDxf Beregninger med en bygningsmodel Som nævnt er programmet DisView hovedindgangen til DIS (se figur 4). DisView anvendes til at oprette nye bygningsmodeller og til at redigere eksisterende modeller, samt til at supplere modellen med yderligere data. Programmets hovedvindue er opdelt i to undervinduer. Til venstre vises modellen hierarkisk som et træ, og til højre vises modellen grafisk. Nederst til venstre i den grafiske del vises planen, øverst vises to opstalter og nederst til højre vises modellen rumligt.

5 Figur 4 DIS modellen vist med DisView En model, bl.a. en der er oprettet fra en CAD tegning, mangler at få tilknyttet de konstruktioner, vinduer og døre, der skal anvendes i modellen. Det sker ved at åbne databasen DisDB (se figur 5). Herfra vælges fx en ønsket konstruktion, som trækkes med musen til den relevante vægs position i træet. På tilsvarende måde kan vinduer og døre defineres. Efterhånden som konstruktionerne tilknyttes modellen vil væggenes tykkelse fremgå af den grafiske visning.

6 Figur 5 Databasen med bygningsdele vist med DisDB På den færdige model kan der kan herefter foretages beregninger med et eller flere af beregningsværktøjerne. Det kan evt. være en tsbi5 simulering, og en efterfølgende analyse af beregningsresultaterne. Fra DisView er det også muligt at eksportere modellen til andre programmer, fx Radiance [7], som er et program til dagslys- og kunstlysberegninger samt fotorealistisk visualisering. tsbi5 Programmet tsbi5 er en videreudviklet version af SBI s program tsbi3, som anvendes af et stort antal rådgivende ingeniørfirmaer, men også i stor udstrækning af ingeniørskoler. De fleste beregningsmodeller i tsbi5 er videreført fra tsbi3, men modellerne er forbedret så de udnytter den rumlige geometri, der findes i datamodellen, til beregning af langbølget strålingsudveksling mellem overfladerne i et rum, og til forbedrede beregninger af skygger og sollysfordeling. I samarbejde med Aalborg Universitet, Instituttet for Bygningsteknik, er der udviklet mulighed for at sammenkoble tsbi5 med et CFD-program (Computational Fluid Dynamics). Det giver mulighed for at foretage bedre analyser af luft- og energistrømme i store rum, samt forbedret vurdering af varme- og ventilationssystemernes effektivitet. Endelig findes der i tsbi5 forbedrede muligheder for resultatbehandling af en simulering både på tabelform og på grafisk form (se figur 6).

7 Figur 6 Eksempel på grafisk præsentation af energibalance i tsbi5 Det videre udviklingsarbejde SBI er for tiden ved at færdiggøre arbejdet omkring integrerede edb-systemer til energi og indeklima. Det sker ved udsendelsen af programmet Dis2000, som forventes at ske i begyndelsen af år Dis2000 er udviklet fra den omtalte prototype DIS, og indeholder en samlet version af programmerne DisView, Xsun og tsbi5. Hertil kommer programmerne DisDxf og DisDB samt den tilhørende database med bygningsdele og materialer. Bv98 udsendes særskilt, men programmet kan umiddelbart anvendes sammen med Dis2000. Litteratur [1] Augenbroe, G. L. M. (Editor): COMBINE 2, Computer Models for the Building Industry in Europe, Final Report, Delft University of Technology, Delft, The Nederlands, [2] Industry Foundation Classes Release 1.5, Specifications Volume 1-4, International Alliance for Interoperability, [3] Grau, K og Aggerholm, S., Bygningers Varmebehov 95, Pc-program til beregning af varmebehov og energiramme, Brugervejledning, Statens Byggeforskningsinstitut, Hørsholm, [4] Johnsen, K., Grau, K. og Christensen, J. E., tsbi3, Edb-program til termisk simulering af bygninger og installationer, Brugervejledning, Statens Byggeforskningsinstitut, Hørsholm, 1993.

8 [5] Rode, C. and Grau, K., Pragmatic Implementation of an Integrated Building Design System, Procedings of CIB Workshop: Construction on the Information Highway, Bled, Slovenia, [6] Grau, K. and Wittchen, K. B., Building Design System and CAD Integration, Procedings of IBPSA Conference: Building Simulation 99, Kyoto, [7] Ward Larson, G. and Shakespeare, R., Rendering with Radiance, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998.