許璟琳 余芳強 高 尚 宋天任

(上海建工四建集團有限公司,上海 201103)

引言

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是基于三維幾何模型對建筑設施的物理特性和功能特性進行描述的一種技術[1]。近年來，政策的鼓勵和技術的發(fā)展驅動了BIM技術在建設工程行業(yè)的廣泛應用，借助BIM的三維可視化能力和建筑信息集成能力，指導設計和施工過程已成為重大工程的常規(guī)做法[2-3]。也有一些項目開始探索基于BIM的運維管理技術[4-6]，通過融合BIM和運維信息系統(tǒng)構建數(shù)字孿生建筑，為建筑后期運維提供條件和基礎。數(shù)字孿生的概念最早由Grieves教授[7]提出，經過不斷完善和發(fā)展可理解為構建一個融合物理信息的產品模型，利用物理模型、傳感器數(shù)據和歷史數(shù)據等反應與該模型對應的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等，基于數(shù)字孿生模型實現(xiàn)交互、協(xié)作和服務應用[8]。

BIM技術的應用重點專注于建筑本體，通過創(chuàng)建三維可視化的協(xié)作設計和施工的過程盡快交付一個高質量的建筑； 而數(shù)字孿生建筑則是在BIM竣工模型基礎上，融合現(xiàn)場硬件的智能感知與互聯(lián)，最終目的在于給業(yè)主提供便捷的建筑運維服務應用和精準管理服務。因此BIM技術的應用可為孿生數(shù)字建筑提供關鍵的模型和數(shù)據輸入，而數(shù)字孿生建筑的應用和推廣可為BIM技術的深度應用指明方向，通過運維階段的信息收集和分析反饋設計和建造階段的問題，優(yōu)化以后的設計和施工方案。

1 一體化BIM應用方法

1.1 以運維需求為導向構建BIM模型

以運維需求為導向構建BIM模型，除了考慮施工階段的BIM應用，還需要保證施工BIM模型的可處理性和信息準確性。通過建立面向運維的施工BIM建模規(guī)范，約定竣工模型文件的拆分及命名方式、各個專業(yè)的建模內容、空間及設備編碼要求、信息錄入要求等，在施工BIM建模過程中收集完整的施工階段信息、確保機電系統(tǒng)管路完全聯(lián)通、而且管道內的介質流向準確、完整、與現(xiàn)場情況一致。對于重要的機電設備，需要建立設備精細模型，描述設備的內部結構和傳感器點位，如圖1所示。

圖1 重點設備精細模型

在施工過程中，構建好的BIM模型用于輔助施工過程管理，包括施工圖審核及優(yōu)化、模型綜合協(xié)調及碰撞檢查、重點施工工藝模擬、三維深化設計等方面?；谧灾餮邪l(fā)的智慧建造管理平臺，在施工現(xiàn)場采用智能手機作為掃碼終端，在進場和吊裝等關鍵節(jié)點變更構件狀態(tài)，實現(xiàn)了預制構件的進度管理。

圖2 基于掃碼的預制構件追蹤

如圖3所示，融合BIM和虛擬現(xiàn)實技術完成了醫(yī)院辦公室、病房層的裝修深化設計，通過虛擬裝修場景直觀反映室內裝修裝飾方案和施工階段的信息，幫助業(yè)主提高設計溝通效率，減少了二次裝修的成本。

圖3 基于BIM和VR的病房層裝修深化設計效果

1.2 跨階段BIM模型轉換

醫(yī)院建筑建造和運維階段對BIM模型應用需求存在較大的差距，譬如，建造階段更多使用BIM中設備的外輪廓來判斷安裝過程是否會有碰撞干涉，而運維階段則需要使用機電系統(tǒng)的邏輯關系進行溯源管理、針對重要設備的內部構造的維修保養(yǎng)培訓、掌握零部件健康狀態(tài)等。本項目實踐過程中，針對跨階段BIM模型轉換的若干關鍵問題提出了對應的解決方法。

(1)利用自動化審查工具檢查BIM模型

人工檢查BIM模型幾何數(shù)據和校驗BIM信息質量難度大，反復修改成本極高，而且準確性難以保證。Motamedi A[10]等針對FM-BIM提出了空間模型準備和質量檢查規(guī)則； 文獻[11]驗證了基于Solibri Model Cheker可以對BIM模型進行建筑、結構專業(yè)檢查，對建筑內部缺陷進行檢測等，然而，已有的方法和工具尚不能實現(xiàn)對機電系統(tǒng)BIM模型質量的自動審查。本項目基于Revit開發(fā)了竣工模型自動化檢查工具，自動審查BIM中空間信息、空間幾何完整性、機電設備屬性信息、機電設備連接關系等運維階段關鍵要素，確保了竣工模型的幾何完整性、信息準確性和關系聯(lián)通性。各專業(yè)施工BIM團隊都需獲得審查通過報告后方可將BIM模型交付給運維開發(fā)團隊。

(2)提取竣工BIM建筑信息

通過竣工BIM模型提取建筑內管道的管徑尺寸、建筑荷載信息、防火墻承重墻分布信息、設備空間位置、建立重點機電設備與安防攝像頭、報警探頭等弱電設備的空間位置關聯(lián)，可在后期建筑裝修改造時快速檢索信息，或者故障發(fā)生時通過多系統(tǒng)聯(lián)動實現(xiàn)快速故障處置。本項目通過引入圖論的方法，實現(xiàn)了建筑機電設備邏輯連接關系的自動提取[12]，如圖5所示。

(a)空調機箱故障影響的下游房間

(3)竣工BIM模型輕量化處理

針對竣工BIM模型構件數(shù)量多、全專業(yè)集成渲染難度高等問題，采用以下方法進行模型輕量化。首先，對同一類型的機電設備實例化，只保留該設備類型的一份幾何數(shù)據，通過渲染管線中的幾何變換和數(shù)據庫中傳感器與精細模型的關聯(lián)得到運維平臺多個設備不同狀態(tài)展示，如圖6所示； 第二，合并運維階段不需要單獨管理且面片數(shù)量較多的構件，減少構件數(shù)量； 第三，采用LOD分層次渲染策略，當機電系統(tǒng)靠近相機視點時，選用高精度的幾何模型進行渲染，反之，則降低幾何精度減少三角面片數(shù)量，保證渲染體驗。

圖6 空調機箱實例化

(4)建筑數(shù)據與BIM運維模型集成

醫(yī)院建筑機電設備多且分散，運維數(shù)據散落在各處，不同醫(yī)院建筑運維信息系統(tǒng)廠家提供的通訊協(xié)議也不盡相同，海量異構數(shù)據集成難度高。對BIM中建筑、系統(tǒng)、設備、零件等不同層級構件，建立對應的監(jiān)測數(shù)據匹配和集成方法； 通過提前規(guī)劃網絡傳輸、與分包廠家提前確定通訊協(xié)議等實現(xiàn)了東方醫(yī)院項目30個系統(tǒng)的數(shù)據集成，為進一步運維應用和運維數(shù)據收集奠定基礎。

1.3 建立數(shù)字孿生模型和運維大數(shù)據

完成跨階段的BIM模型轉換之后，本項目構建了供運維階段使用的孿生數(shù)字模型，如圖7所示，通過運維平臺功能的開發(fā)，以三維可視化方式描述建筑運行機理和能耗走勢，記錄建筑及設備歷史的維修、維保信息，形成建筑電子病歷卡。在新大樓竣工后，運維人員使用智慧運維管理平臺輔助日常的維修維保管理、機電設備管理、能耗管理、使用BIM模型進行設備操作維保培訓，減少了處理故障的時間和突發(fā)故障的發(fā)生率。

(a)電梯運行管理

圖8 運維數(shù)據彈性可視化頁面

本項目共安裝約2 000個傳感器，BA等系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據和告警信息數(shù)據量將不斷累積； 與此同時，運維過程中需要存儲維修工單、維保計劃、流程處理記錄等動態(tài)信息。整個項目的數(shù)據量大、獲取數(shù)據的速度快、數(shù)據的種類多樣、數(shù)據潛在價值巨大，初步具備大數(shù)據的特征。通過開發(fā)智慧運維大數(shù)據中心可進一步利用和挖掘運維數(shù)據價值。

(1)搭建建筑大數(shù)據倉庫

從運維業(yè)務中提取數(shù)據分析需求，搭建在線分析服務后端，醫(yī)院建筑運維人員通過簡單的點擊、拖拽可輕松進行數(shù)據探索和大數(shù)據多維分析。

(2)開發(fā)建筑大數(shù)據中控臺

匯總智能分析引擎的分析結果，使用簡單配置的方式生成數(shù)據圖表并組合成數(shù)據頁面，實現(xiàn)維修工單智能分析、異常能耗自動預警、多源數(shù)據集成分析。如圖8所示，可將數(shù)據頁面展示到手機或者運維中心的中控屏幕上，在各種尺度的設備體驗大數(shù)據彈性可視化的效果，輔助建筑管理者了解建筑運營的薄弱環(huán)節(jié)。

2 總結與展望

本項目提出了建造運維一體化BIM應用方法，在東方醫(yī)院改擴建工程項目中進行了深入應用，結果表明，本文所提方法可輔助提高工程項目的溝通協(xié)調效率、降低二次裝修成本、提升施工質量，最終交付了基于BIM的孿生數(shù)字新大樓模型和智慧運維管理平臺，為管理者和執(zhí)行者掌握建筑運營動態(tài)、組織維護培訓、跟蹤維護任務提供了便利。通過對運維大數(shù)據的處理，打通了數(shù)據集成、存儲、分析、可視化的流程，充分發(fā)揮大數(shù)據技術在建筑管理決策支持和數(shù)據挖掘上的價值。

目前，大多數(shù)施工BIM模型幾何完整性和準確度低、信息質量參差不齊，嚴重影響模型應用和數(shù)據分析質量。未來，需要通過組織機制和技術手段進一步提升BIM模型交付能力，持續(xù)改善BIM信息質量； 運維BIM應用需深入管理流程解決醫(yī)院建筑運維業(yè)務的痛點問題，真正用大數(shù)據驅動醫(yī)院業(yè)務發(fā)展。