魏 然， 閤橋露， 覃文波

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

建筑工程機(jī)電專業(yè)系統(tǒng)多而復(fù)雜，包括強(qiáng)電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)、施工階段，設(shè)計(jì)中的錯(cuò)漏碰缺等問題甚至進(jìn)入施工階段后才會被發(fā)現(xiàn)而進(jìn)行臨時(shí)更改，導(dǎo)致工程成本、工期等目標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)[1]。另一方面，在運(yùn)營階段，一般情況下建筑機(jī)電設(shè)備維護(hù)項(xiàng)目占總數(shù)的60%[2]，對安全有效運(yùn)營起著至關(guān)重要的作用。因此，建筑工程機(jī)電專業(yè)對于一個(gè)工程項(xiàng)目的成功與否至關(guān)重要，且被認(rèn)為是建筑業(yè)中風(fēng)險(xiǎn)最大的專業(yè)之一[3]。

應(yīng)用BIM(Building Information Modeling)進(jìn)行機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)在國內(nèi)起步的比較晚，隨著BIM在MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing)領(lǐng)域的逐漸推廣，應(yīng)用深度也逐步增加，國內(nèi)各大設(shè)計(jì)院、建筑公司及相關(guān)學(xué)者各自開展了在建筑電氣專業(yè)方面的探索。根據(jù)國內(nèi)BIM在建筑電氣領(lǐng)域的應(yīng)用情況文獻(xiàn)匯總[4]，這些研究只是單位個(gè)體探索式的應(yīng)用與分析，并沒有形成系統(tǒng)的、共享式的應(yīng)用成果與推廣意見。目前，應(yīng)用BIM的機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)弊端在于：繪圖功能有待完善，電器元件布置效率低，細(xì)節(jié)地方需要人工調(diào)整；平面圖、軸測圖及剖面圖出圖率不高，出圖深度不足；設(shè)計(jì)說明、圖例表、強(qiáng)弱電干線系統(tǒng)圖目前無法繪制，電氣設(shè)備末端細(xì)節(jié)難以表現(xiàn)[5]。因此，本文的研究重點(diǎn)在于如何利用輔助軟件解決BIM在建筑電氣領(lǐng)域的粗粒度建模問題。

1 建筑機(jī)電設(shè)備BIM-SIM模型概念

1.1 SIM的概念

系統(tǒng)信息模型(System Information Modeling, SIM)是描述利用適合的軟件給復(fù)雜系統(tǒng)建模過程的通用性術(shù)語，產(chǎn)生于BIM深化發(fā)展的背景之下。具體來說，SIM是對連接系統(tǒng)(如電氣系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等)的數(shù)字化表達(dá)[6]。SIM理念由I&E Systems提出，致力于提高石油和天然氣行業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)更換項(xiàng)目的精確性。該類系統(tǒng)具有高風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)內(nèi)連接關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)。基于對連接系統(tǒng)復(fù)雜關(guān)系管理的特點(diǎn)，SIM改變了傳統(tǒng)設(shè)備管理的固有形式[7]。

構(gòu)建一個(gè)連接系統(tǒng)的SIM模型時(shí)，所有實(shí)體設(shè)備及其連接關(guān)系的模型數(shù)據(jù)被儲存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫里，且每個(gè)構(gòu)建模型有且僅有一個(gè)。這樣，系統(tǒng)信息模型和真實(shí)環(huán)境建立起了1：1的對應(yīng)關(guān)系，可以大大減少信息冗余。SIM的代表性軟件為Dynamic Asset Documentation(DAD)。

1.2 BIM-SIM模型集成的必要性

麥格勞-希爾建筑信息公司的調(diào)研[8]顯示機(jī)電工程師采用BIM的比例少于暖通和結(jié)構(gòu)工程師。部分原因可能是電力的基礎(chǔ)內(nèi)容相對較少，這方面對物理尺寸的要求也較少。但相比之下，建筑結(jié)構(gòu)體系比較龐大、還有像管道之類的大型機(jī)械基礎(chǔ)，有管道直徑、間距及位置的要求。

雖然BIM的應(yīng)用范圍非常廣泛，但是在擴(kuò)大BIM模擬確定設(shè)計(jì)元素的技術(shù)應(yīng)用上還有顯著的提升空間。然而，機(jī)電工程師及承包商較少做機(jī)電設(shè)計(jì)建模的工作。由于機(jī)電設(shè)備中電器元件和纜線一般物理尺寸偏小，無法在3D環(huán)境中精確建模，無法完整的表達(dá)建筑機(jī)電設(shè)備的系統(tǒng)性，這極大地限制了BIM在機(jī)電領(lǐng)域的深入應(yīng)用。

BIM是一個(gè)建設(shè)項(xiàng)目物理和性能的數(shù)字表達(dá)，是一種團(tuán)隊(duì)合作的平臺，項(xiàng)目信息被集成在一個(gè)三維模型數(shù)據(jù)庫中。而系統(tǒng)信息模型SIM則是通過點(diǎn)線表達(dá)對復(fù)雜系統(tǒng)連接關(guān)系的描述。在BIM三維模型中，可以觀察到設(shè)備的三維形態(tài)，不僅可以明確建筑機(jī)電設(shè)備的區(qū)間位置，而且具體到其安裝位置，進(jìn)一步詳細(xì)的展示設(shè)備與設(shè)備或建筑構(gòu)件間的接口信息，并顯示設(shè)備安裝方式。而SIM的軟件具備對線纜等建模的能力，比如說設(shè)備間關(guān)系信息?？梢钥闯鯞IM與SIM的信息屬性具有良好的互補(bǔ)性，兩者的信息屬性組合在一起可以構(gòu)成設(shè)備運(yùn)營管理的信息屬性集合。

2 建筑機(jī)電設(shè)備BIM-SIM模型集成

2.1 建筑機(jī)電設(shè)備BIM建模

構(gòu)建三維模型是BIM技術(shù)介入的基礎(chǔ)。圖1描述了機(jī)電專業(yè)及其他各專業(yè)三維模型建立的具體流程。首先制作各專業(yè)族文件，然后構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)初級模型，根據(jù)上下游信息分析，制作給排水、暖通、電氣專業(yè)模型，各模型之間通過信息再協(xié)調(diào)，達(dá)到最終模型。

圖1 各專業(yè)BIM三維模型建立具體流程

BIM建模是否規(guī)范將對最終模型的信息完整度、可識別性帶來很大影響。BIM規(guī)范建模通常包括以下幾個(gè)方面[9]：

(1)模型構(gòu)件配色標(biāo)準(zhǔn)

建筑模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)種類復(fù)雜，各類管線繁多，為了保證管線在模型中的可識別性和相互區(qū)分程度，以及與施工運(yùn)維管理的要求相一致，通常需要制定一套完整的管線配色方案。

(2)建筑機(jī)電設(shè)備BIM模型的建模精細(xì)度(Levels of Detail, LOD)

BIM模型建模精細(xì)度過粗就不能包含全部信息，信息表達(dá)上就會有所欠缺，而太細(xì)的模型可能會使信息量過大，信息復(fù)雜甚至冗余，從而造成延遲交付。應(yīng)根據(jù)建模精細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)確定基于不同的管理目的，BIM模型應(yīng)該包含哪些東西。

(3)文件命名要求模型編碼

建筑信息模型及其交付物文件命名需要確保信息的可讀性和管理的有效性(圖2)。

圖2 某地鐵站設(shè)備模型編碼

2.2 建筑機(jī)電設(shè)備SIM建模

SIM面對對象模型為機(jī)電設(shè)備的信息管理提供了一個(gè)有效的解決辦法(圖3)。與BIM模型的區(qū)別在于，SIM模型的表達(dá)方式是二維塊與線的組合，實(shí)際上就是點(diǎn)、線的表達(dá)。

圖3 1∶1關(guān)系與m∶n關(guān)系

2.2.1SIM設(shè)計(jì)的基本理念

基于SIM的工程設(shè)計(jì)，文件存檔會同時(shí)進(jìn)行。隨著設(shè)計(jì)進(jìn)度的加深，真實(shí)世界中的每一個(gè)設(shè)備都會在SIM中被建模并賦予唯一的標(biāo)簽名稱，且設(shè)備模型帶有“類型”和“位置”等屬性。其中“類型”屬性定義設(shè)備功能，“位置”屬性定義設(shè)備在建筑中的位置。通過這樣一個(gè)屬性類，工程師可以在SIM模型中定位瀏覽信息。設(shè)備間的電纜和信號流則以“連接器”表示，其形狀、寬度、顏色在不同場景中單獨(dú)定義。為了方便設(shè)計(jì)，如設(shè)備模塊、電纜的大小和規(guī)格等屬性，可以分配給每個(gè)單獨(dú)的對象。SIM數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

圖4 SIM對象數(shù)據(jù)模型

該數(shù)據(jù)模型反映了SIM設(shè)計(jì)的三個(gè)最基本理念：

(1)購買安裝和運(yùn)營維護(hù)對象，即“What is it”；

(2)明確對象所處位置或者安裝位置，即“Where is it”；

(3)明確連接關(guān)系，即“How is it connected”。

2.2.2SIM建模流程

SIM模型是由電器元件、功能特性、連接器三大元素組成，其建模流程也就是對這三個(gè)元素的定義及組合分配過程，具體包括以下步驟：

(1)機(jī)電設(shè)備元件及其功能特性定義：參照標(biāo)準(zhǔn)ISA-95，用樹形層次結(jié)構(gòu)表達(dá)。每一個(gè)機(jī)電設(shè)備元件的子目錄下對應(yīng)的是功能應(yīng)用和功能模塊；

(2)連接器定義：機(jī)電設(shè)備元件和其功能特性建立之后，模型中便會產(chǎn)生數(shù)據(jù)流或者數(shù)據(jù)鏈，即指包括物理模型上的機(jī)電設(shè)備元件連接器和邏輯模型上的功能特性連接器，且每個(gè)連接器帶有明確的方向，以表示數(shù)據(jù)相互交換的過程。連接器作為系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏈，采用的是動態(tài)繪制方式，它反映了現(xiàn)實(shí)世界中電器元件之間真實(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式確立于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，且互不相關(guān)。如果在建模過程中發(fā)生了數(shù)據(jù)流，連接器的名稱及其類型將會以MS表格形式導(dǎo)出，編輯然后導(dǎo)入到DAD模型中顯示出來；

(3)預(yù)案情景定義：預(yù)案情景是由一系列運(yùn)維管理次級系統(tǒng)的功能流程組成的。它是通過“拖、拉”方式將某一機(jī)電設(shè)備元件子目錄下的功能點(diǎn)移至預(yù)案情景目錄下，從而實(shí)現(xiàn)對某一運(yùn)營場景的圖表化模擬，實(shí)質(zhì)上就是指物理上或邏輯上功能分配；

(4)用戶定義：即解決功能權(quán)限分配的問題，與各階段設(shè)計(jì)模型發(fā)布有關(guān)。

2.3 建筑機(jī)電設(shè)備BIM-SIM集成方法

基于BIM-SIM的建筑機(jī)電設(shè)備管理可實(shí)現(xiàn)對各類機(jī)電設(shè)備以及設(shè)備間邏輯關(guān)聯(lián)的可視化管理，這就需要對設(shè)備及設(shè)備關(guān)系建模，具體實(shí)施方案如下：

(1)對各類設(shè)備及大型管件進(jìn)行三維BIM建模，且建模程度需細(xì)化到機(jī)電設(shè)備組件，能夠清楚地表現(xiàn)機(jī)電設(shè)備組件的所處位置；

(2)在DAD中，創(chuàng)建一個(gè)包含設(shè)備之間連接關(guān)系和設(shè)備系統(tǒng)布局的全設(shè)備系統(tǒng)虛擬模型；

(3)SIM與BIM模型集成：建立BIM模型數(shù)據(jù)與DAD模型數(shù)據(jù)的唯一連接。

BIM與SIM的模型構(gòu)建與集成流程如圖5所示：

圖5 BIM與SIM模型集成方法

2.4 建筑機(jī)電設(shè)備BIM-SIM數(shù)據(jù)對接

BIM和SIM模型建立后，分別構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。設(shè)備定義中設(shè)備ID可以作為BIM與SIM數(shù)據(jù)庫的連接外鍵。通過識別設(shè)備唯一ID，BIM軟件Revit和SIM軟件DAD可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層面上的互相訪問。

表1是部分BIM設(shè)備模型唯一ID與在DAD中對應(yīng)的名稱，本次集成的設(shè)備模型唯一ID以Revit編碼為基準(zhǔn)。

表1 Revit模型編碼與對應(yīng)的DAD模型名稱

2.5 建筑機(jī)電設(shè)備BIM-SIM軟件集成

本文中BIM與SIM的信息集成主要表現(xiàn)為軟件Revit與DAD的集成。目前，以BIM為核心的軟件集成方案按其集成廣度不同可以大致分為兩類[10]：

(1)接口集成，這種方案針對于兩個(gè)不同軟件系統(tǒng)或者模塊通過軟件接口形成連接集成，以達(dá)到對BIM模型中所包含建筑信息的傳遞，這種信息傳遞由于軟件開放程度的限制有的可以做到軟件之間的信息相互傳遞，有的只能做到一個(gè)軟件對另一個(gè)軟件的單向訪問;

(2)系統(tǒng)集成：指以構(gòu)建一個(gè)BIM信息系統(tǒng)為目的，將原本多個(gè)相互獨(dú)立的軟件組合在一起的集成方案，根據(jù)其集成深度，可以做到界面上的集成，更深層次的可以做到數(shù)據(jù)上的集成，所有軟件模型所包含的建筑信息存儲在一個(gè)模型里面，所有軟件共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫，這樣就形成了一個(gè)強(qiáng)大的信息集成和協(xié)調(diào)管理平臺。

基于BIM-SIM的建筑機(jī)電設(shè)備管理應(yīng)用根據(jù)集成使用環(huán)境，可以采用以上兩種軟件集成方式。

3 應(yīng)用案例

地鐵設(shè)備種類繁多、規(guī)模大、價(jià)格昂貴，其涉及線纜更是錯(cuò)綜復(fù)雜，因此良好的運(yùn)營維護(hù)管理是城市地鐵管理企業(yè)需要面對的一項(xiàng)任務(wù)。為了實(shí)踐BIM-SIM集成模型在建筑電氣系統(tǒng)管理方面的應(yīng)用，武漢地鐵中南路站基于BIM-SIM的建筑機(jī)電設(shè)備全壽命周期管理模式(圖6)，進(jìn)行了車站電氣模型的集成開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的模型設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)備及其纜線信息可視化施工管理和可視化運(yùn)營管理等三大方面的應(yīng)用。

圖6 基于BIM-SIM的建筑機(jī)電設(shè)備全壽命周期管理

3.1 設(shè)計(jì)模式優(yōu)化

在設(shè)計(jì)階段，BIM-SIM工程設(shè)計(jì)依據(jù)武漢地鐵中南路的總六冊施工圖紙，170張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙，完成BIM的各專業(yè)完工模型構(gòu)建，以及包括6050個(gè)電氣元件和4690個(gè)連接器的SIM模型。BIM與SIM分別構(gòu)建了自己的數(shù)據(jù)模型(庫)后，通過識別對象ID來進(jìn)行數(shù)據(jù)模型(庫)連接，DAD軟件開發(fā)者提供了調(diào)用DAD對象路徑和檢索DAD對象ID的腳本，以實(shí)現(xiàn)與BIM模型的信息傳遞。

所有圖紙共享一個(gè)已建數(shù)據(jù)庫，如果某一系統(tǒng)塊需要修改，直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫修改就可以達(dá)到目的，效率得到了極大地提升。任何人對任何特定對象的任何修改都會被自動記錄在系統(tǒng)中，以便日后的檢查和驗(yàn)證，這樣工程可以查詢完整的歷史記錄，對比當(dāng)前和歷史設(shè)計(jì)版本，如圖7所示。這種自動存檔修改記錄與歷史版本查詢的功能是項(xiàng)目各方提交設(shè)計(jì)反饋與接受模型信息更新的基礎(chǔ)。

3.2 可視化施工

當(dāng)設(shè)計(jì)達(dá)到可施工深度時(shí)，作為設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型BIM-SIM會被發(fā)布給項(xiàng)目各方，如采購和施工專業(yè)。BIM工具與DAD把相關(guān)采購、施工信息(如待安裝設(shè)備采購清單、設(shè)備與設(shè)備間的連接方式等)封裝到BIM-SIM模型中。在BIM設(shè)備可視化的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目經(jīng)理可清楚地了解設(shè)備的安裝位置、安裝方式以及設(shè)備與設(shè)備之間的接口方式，同時(shí)纜線信息的可視化使電纜的合理化管理成為可能，如圖8所示。

圖7 BIM-SIM的歷史版本查詢

圖8 設(shè)備可視化安裝信息

在施工過程中，如果BIM-SIM存在任何錯(cuò)誤或遺漏，用戶可以提交信息請求(Requests for Information: RFIs)給設(shè)計(jì)工程師以尋求解決方案。RFIs問題定位分為兩種：(1)基于設(shè)備空間位置的的關(guān)系定位；(2)基于設(shè)備關(guān)系的空間位置定位(圖9)。隨著RFIs問題的發(fā)出與應(yīng)答，工程設(shè)計(jì)師發(fā)布的設(shè)計(jì)模型發(fā)生局部變更，至項(xiàng)目竣工時(shí)，竣工信息反饋到BIM-SIM模型中。這樣基于竣工信息發(fā)布的運(yùn)營模型就與運(yùn)營現(xiàn)場是保持一致的。

3.3 可視化運(yùn)營

基于BIM-SIM設(shè)計(jì)發(fā)布、施工反饋后的運(yùn)營模型適用于設(shè)備管理專業(yè)，其用戶可以定義諸如測試、校準(zhǔn)、檢查、維修、局部變更和隔離等運(yùn)營措施，并可以列入維護(hù)計(jì)劃之中。

BIM-SIM模型具體包括如維護(hù)設(shè)備與纜線、設(shè)備區(qū)間分布情況及空間位置；設(shè)備系統(tǒng)之間的關(guān)系；設(shè)備間的關(guān)系；設(shè)備和纜線技術(shù)參數(shù)(運(yùn)營手冊)等?；贐IM-SIM的管理方式消除了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)和運(yùn)營管理數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換工作，這樣既節(jié)約了大量的成本，也保證了數(shù)據(jù)的完整性?；贐IM-SIM的機(jī)電設(shè)備元件不僅按照專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行分類，同時(shí)也進(jìn)行了位置區(qū)間分類，運(yùn)營維護(hù)對象不僅包括大型設(shè)備，同時(shí)也包括無明顯幾何尺寸的纜線，如圖10所示。這樣查詢方式多樣化，查詢范圍全面化。同時(shí)故障記錄和維修記錄功能可實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)營狀態(tài)，基于此系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)可實(shí)時(shí)獲取。

圖10 設(shè)備纜線的運(yùn)維信息

4 結(jié) 語

BIM-SIM與建筑機(jī)電設(shè)備管理契合性在于設(shè)備及其連接關(guān)系的可視化、全壽命周期內(nèi)的信息即時(shí)存儲以及信息的無障礙傳遞。設(shè)備管理是發(fā)生在項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的一系列數(shù)據(jù)密集型的決策過程，其應(yīng)從項(xiàng)目開始就開發(fā)數(shù)據(jù)庫以儲存和管理設(shè)備數(shù)據(jù)[7]。但是目前的設(shè)備管理卻側(cè)重于耗費(fèi)大量成本與時(shí)間在項(xiàng)目完成時(shí)收集信息。而BIM-SIM在設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試使用階段不斷記錄設(shè)備信息，在保證了資產(chǎn)所有者利益的同時(shí)也提高了生產(chǎn)力和數(shù)據(jù)的完整性。

本文提出了結(jié)合SIM實(shí)現(xiàn)BIM在機(jī)電領(lǐng)域的應(yīng)用方案，通過集成BIM與SIM模型，對建筑機(jī)電設(shè)備進(jìn)行了包括設(shè)備關(guān)系、設(shè)備系統(tǒng)布局、設(shè)備及纜線等信息的完整表達(dá)。同時(shí)將基于BIM和SIM的建筑機(jī)電設(shè)備管理應(yīng)用在武漢地鐵中南路站的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等三方面，為基于BIM-SIM的機(jī)電設(shè)備管理軟件的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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