孫玉梅， 曹思琪， 唐麗萍， 許星辰， 李月靜， 邱 瑞， 謝仕麗，2

(1.昆明理工大學 建筑工程學院， 昆明 650504； 2.昆明科奧特實驗室設備有限公司， 昆明 650051)

建筑全壽命周期分為4個階段，即規(guī)劃階段、設計階段、施工階段和運營階段。建筑工程項目具有施工周期長、不確定因素多、風險高等特點。因此在國內業(yè)主往往會把注意力放在建筑前期的施工階段，更加關注建筑的造價成本情況，從而忽略了后續(xù)的運營階段。其實，作為建筑全生命周期的最后一個階段，運營期所涉及的時間最長。運維階段主要為建筑本身、建筑內的人及設備的服務，內容更多，管理難度也更大[1]。因此，建筑企業(yè)必須要做好預測風險和采取有效措施管理風險的工作。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是在建筑工程及設施全生命周期中，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，以數(shù)字化的方式進行設計、施工、運維的過程或結果。近年來，在國家政策的大力支持下，各省市都相繼出臺關于BIM推廣的相關文件，根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設部關于印發(fā)推進建筑信息模型應用指導意見：到2020年末，甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術的一體化集成應用。新立項項目勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90%。目前中國已初步形成BIM應用標準和政策體系，為BIM的快速發(fā)展奠定了基礎，BIM技術在中外建筑工程行業(yè)已成為續(xù)CAD之后第二次技術革命。

BIM作為一種應用于工程設計、建造與管理的數(shù)據(jù)化工具，可以實現(xiàn)建筑信息化的交互，它能將一棟建筑全壽命周期所涉及到的所有信息都集合到一起，交互共享，為建筑后續(xù)維護工作提供真實可靠的數(shù)據(jù)信息，提高運維的工作效率。從BIM模型及相關的運維管理數(shù)據(jù)庫中直觀、快速、全面地獲取設施相關信息、文檔，不需要花費時間尋找紙質資料，提高了工作效率。

1 研究流程和工作內容

該項目為實驗樓改造項目，結合實驗樓研發(fā)中心樓內部空間緊密，且存放多種危險的工業(yè)設施的特征，將運營階段的側重點放在運維空間管理上。研究流程如圖1所示。主要工作內容如下：

圖1 BIM技術在實驗研發(fā)中心樓中的應用技術路線

1)識圖，充分了解該實驗樓研發(fā)中心樓目前的概況以及后續(xù)改造的情況。

2)查閱、收集類似改造項目的相關文獻與資料。

3)借助Revit軟件根據(jù)已有的CAD圖紙，進行建筑結構、給排水及電器照明3個專業(yè)的建模。

4)模型匯總，信息整合，整理思路，尋找創(chuàng)新點。

5)將BIM技術與其他技術結合，實現(xiàn)實驗研發(fā)中心樓火災疏散模擬，實現(xiàn)基礎運維系統(tǒng)建立。

2 項目概況

某城市實驗研發(fā)中心樓，建筑高度27.3 m，共5層，實驗室面積約4 000 m2,屬二類高層公共建筑，抗震設防烈度為8度，框架結構，屋面防水等級為二級,實驗室按CMA/CNAS認證的相關要求建設。項目內容包括實驗室總體規(guī)劃設計、功能分區(qū)、實驗室裝飾裝修、實驗室動力照明系統(tǒng)、實驗室給排水系統(tǒng)、實驗室廢氣排放系統(tǒng)、實驗室廢氣處理系統(tǒng)、實驗室實驗臺柜、實驗室安防、網(wǎng)絡信息系統(tǒng)等。研究使用Revit軟件構建了研發(fā)中心樓建筑(圖2)、結構(圖3)、給排水、電氣的BIM模型。

圖2 建筑模型

圖3 結構模型

3 BIM運維階段實際應用

3.1 基于BIM模型的火災疏散模擬

應急疏散模擬的運用將利用Pathfinder軟件建立建筑物及人物模型，模擬在需要緊急避險時，對多個群體中的每個個體運動都進行圖形化的虛擬演練，從而可以準確確定每個個體在災難發(fā)生時的快速逃生路徑和逃生時間。管理者可以從應急疏散的3D模擬中提前發(fā)現(xiàn)疏散中可能存在的危險之處，預防危險的發(fā)生，優(yōu)化疏散方案[2]。

首先，將實驗研發(fā)中心BIM模型導入火災疏散模擬軟件，不能導入的部分在Pathfinder中補充繪制，完成所需要的疏散構件。其次，采集分析了實際疏散人員的流量、速度、疏散時間等參數(shù)。最后，基于Pathfinder所構建的實驗研發(fā)中心樓的場景模擬與實驗的疏散結果，比較實驗研究和模擬研究。具體實驗研發(fā)中心樓火災疏散模擬流程如圖4所示。

圖4 實驗研發(fā)中心樓火災疏散模擬流程

3.1.1 疏散構件設置

在火災疏散模擬中，需要相關的疏散構件有房間、障礙物、門、樓梯、人員等。相關構件在火災疏散的過程中，這些構件會極大地影響人員疏散，房間是火災疏散的來源及起點；障礙物、門、樓梯都是在人員疏散過程中會影響疏散效率的物體，障礙物數(shù)量的多少及位置、門的位置及寬度、樓梯的寬度數(shù)量在火災發(fā)生時會影響火災蔓延的速度、人員疏散的路線及效率。因此，這些構件在火災疏散模擬中的設置及準確仿真模擬十分重要。

實驗研發(fā)中心的構件繪制中，需要繪制實驗設備、實驗室特殊實驗室門、實驗人員等。房間、門、樓梯及人員可以通過軟件內置功能設置，障礙物則需間接繪制。常用的方法是使用其他構件替代，如房間內的障礙物可以通過在房間中再繪制一個房間然后刪除的方式繪制，此時軟件在此區(qū)域會自動扣除人員活動。

3.1.2 人員設置

不同建筑需要設置的疏散人員不同，在實驗研發(fā)中心樓中，根據(jù)實驗樓主要特征，主要需要設置的人員主要有3種類型，即實驗研發(fā)人員、管理人員及清潔保衛(wèi)人員。

3.1.3 火災疏散模擬

實驗樓一共有5層，1～5層每層在隨機地點添100人，樓頂添50人，共550人，設定好人員的屬性,包括身體尺寸參數(shù)、運動參數(shù)等。最快的人員1.8 s完成逃離研發(fā)中心，直到259.8 s最后一名人員才逃離研發(fā)中心，550人平均97.2 s完成逃離。其中人員最近只移動了1.5 m，最遠移動了132.9 m。

如圖5所示，每分鐘人員逃離的數(shù)量一開始增加，然后逐漸減少，在31 s時圖中斜率最大，此時每分鐘人員逃離商場的數(shù)量最多。在樓內剩余人員隨時間變化圖中，斜率代表單位時間內樓內人員逃離的速度，斜率越大說明單位時間內人員逃離的速度越快，離開實驗樓的人越多；斜率小的則說明，單位時間內離開樓宇的人數(shù)越少，疏散效率較低。178 s這一時間節(jié)點，斜率開始出現(xiàn)變化，由大斜率轉變?yōu)樾⌒甭?。該時間節(jié)點意味著，實驗樓內的人員疏散速度在觸及高點后開始衰減，人員疏散基本結束，剩下的所有人都能在相同的速度下逃出實驗樓。

圖5 實驗研發(fā)中心樓剩余人員隨時間變化

3.2 基礎運維平臺建立

隨著BIM技術、云技術、圖形技術的巨大進步，建筑行業(yè)正在被工業(yè)化、信息化和智能化的浪潮席卷。近年來BIM一直是國內建筑行業(yè)的高頻詞，甚至被認為這將引來一次建筑產(chǎn)業(yè)革命[3]。

通過 BIMFACE 引擎實現(xiàn)模型的輕量化處理，并通過調取并開發(fā) API應用接口，在BIMFACE提供的平臺方法的基礎上建立實驗研發(fā)中心的簡易運維管理系統(tǒng)。研究在Revit中將土建、結構、裝修、電力、給排水等專業(yè)鏈接，形成完整的集成模型。BIM模型通過BIMFACE引擎在平臺輕量化處理后，通過圖6所示流程開發(fā)實驗研發(fā)中心基礎運維管理系統(tǒng)，并逐步完成系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)。

圖6 實驗研發(fā)中心樓基礎運維系統(tǒng)開發(fā)流程

3.2.1 BIMFACE介紹

BIMFACE(又稱BIM應用二次開發(fā)平臺)，基于廣聯(lián)達公司多年在圖形技術和云技術方面的積累,為本行業(yè)的信息化軟件開發(fā)者提供了一個基礎的BIM應用開發(fā)平臺,其主要的能力包含以下幾個方面：

1)工程文件的版本管理。一個建筑項目將有大量的設計文件(如模型和圖紙),平臺提供了一個大規(guī)模的文檔存儲引擎,支持項目文件的版本管理、權限控制、數(shù)據(jù)同步等。

2)文件格式轉換。原始文件上傳BIMFACE的云端服務器,由轉換程序自動解析原始的BIM文件格式,包括 Revit、AutoCAD、IFC、3DMax、廣聯(lián)達土建鋼筋算量、廣聯(lián)達GBQ計價文件等，不同格式的文件可以轉換為統(tǒng)一的云端輕量化數(shù)據(jù)提供后續(xù)開發(fā)使用。

3)二維圖紙/三維模型在網(wǎng)頁和手機上瀏覽。轉換后的文件生成了碎片化的幾何數(shù)據(jù),顯示引擎通過對這些文件的分布加載,能夠在網(wǎng)頁端、手機端實時渲染出三維模型,可支持打開的最大模型超過了8 GB,且打開它僅需 20 s。

4)海量異構建筑數(shù)據(jù)的云端存儲及檢索。轉換后的 BIM 信息,如建筑的構件信息、構件參數(shù)、房間、圖紙、標高軸網(wǎng)等，都并存儲在一個大型的云端分布式海量存儲引擎中,該引擎由多種云端中間件協(xié)調組成,包括 MySQL、NoSQL等[4]。

5)基于Web的輕量化顯示。BIMFACE基于 JavaScript 語言和 WebGL(Web Graphics Library，Web 圖形庫)技術來實現(xiàn) BIM 模型的 Web 輕量化顯示?；贐IMFACE 的輕量化顯示方法，實現(xiàn)了 BIM 模型數(shù)據(jù)格式的轉換和數(shù)據(jù)結構的簡化，為 BIM 模型網(wǎng)頁開發(fā)應用提供了一種解決方案[5]。

3.2.2 運維系統(tǒng)搭建前期準備

1)上傳文件。想要在網(wǎng)頁中打開模型，把本地Revit文件上傳到BIMFACE上是第一步。

2)文件轉換。上傳文件成功后需要在平臺發(fā)起文件轉換，使工程文件在云端轉換，完整保留原始信息，自動完成數(shù)據(jù)的抽取工作，實現(xiàn)模型輕量化。

3)獲取ViewToken。后端根據(jù)相應的API接口以及FiledId獲得ViewToken返回給前端。之后前端引用BIMFACE的JavaScript 顯示組件庫顯示 3D 模型。

3.2.3 加載模型

在前期準備環(huán)節(jié)上傳和轉換了文件，并獲取了ViewToken，但為了實現(xiàn)運維平臺，需要使用JavaScript語言進行具體應用頁的編寫。此過程實現(xiàn)的前端及后端源代碼如下：

3.2.4 運維管理功能實現(xiàn)

通過JavaScript語言編寫，基于Web可以實現(xiàn)眾多的功能。研究以實驗研發(fā)中心樓為對象，實現(xiàn)了構件隔離、保存模型狀態(tài)、旋轉場景、播放路徑漫游、剖切盒、批注、放置標簽、路徑動畫、天氣模式、噴水效果、水面效果、結合GIS加載地圖、建筑熱力圖及剖切動畫的功能。現(xiàn)以構件狀態(tài)編輯、設備管理、空間管理及結合GIS加載地圖為例展示基礎運維平臺。

3.2.4.1 建筑構件狀態(tài)編輯

對于模型構件的瀏覽是三維可視化應用中最基礎的能力。建筑物作為一個非常復雜的集合體，包含的構件數(shù)量非常龐雜，在運維管理過程中，為定位到重要設備的位置，突出顯示關注的構件，需要對模型的顯示進行一系列操作，如圖7所示。在構件狀態(tài)編輯中可以對構件進行構件隔離、構件定位、構件著色的功能。

圖7 構件狀態(tài)編輯

3.2.4.2 設備管理

實驗研發(fā)中心樓設備管理是運維管理階段中重要的環(huán)節(jié)，不僅是對常規(guī)建筑內給排水、通風、采暖、照明及消防系統(tǒng)設備的管理，還有對實驗研究專業(yè)設備的管理，如實驗室實驗柜(圖8)、實驗室廢水處理系統(tǒng)、實驗室UPS不間斷電源系統(tǒng)等。在系統(tǒng)中。設備管理系統(tǒng)需要包括設備的基本信息、維護信息及存儲信息。在基礎運維系統(tǒng)中，設備管理包括了設備的基本信息，包括設備名稱、編號、位置、材質等；維護信息包括設備的故障信息反饋及標識、檢查時間。

圖8 設備管理顯示信息

3.2.4.3 空間管理

基于BIM的基礎運維系統(tǒng)中的空間管理功能可以協(xié)助管理人員對實驗研發(fā)中心樓的空間進行合理分配、及時管理，以提高空間利用率，從總體規(guī)劃空間使用方案，掌握建筑空間總體布局。實驗研發(fā)中心樓空間管理流程如圖9所示。

圖9 實驗研發(fā)中心樓空間管理流程

3.2.4.4 應急狀態(tài)模擬

應急管理是建筑運維階段重要的管理之一，在建筑日常運營中有發(fā)生突發(fā)以外情況影響建筑正常使用的情況，因此在突發(fā)情況下的應急管理就十分重要。針對實驗研發(fā)中心樓，可能發(fā)生的應急突發(fā)事件包括火災、惡劣天氣、化學品泄漏污染、?；繁?、地震等情況。對于建筑來說，不可抗力因素對建筑的影響十分大。因此可以通過運維軟件對建筑經(jīng)歷不可抗力的狀態(tài)進行模擬，首先可以向用戶展示不同突發(fā)事件下建筑的狀態(tài)，如火災、惡劣天氣情況下建筑的情景；其次，通過模擬展示，發(fā)展建筑在這些應急狀態(tài)下存在的運維管理薄弱點，針對這些薄弱點及時地進行整改；最終，制定相應的計劃對策應對不同情景下的緊急狀態(tài)。

3.2.4.5 結合GIS技術

BIM+GIS技術的融合應用主要通過數(shù)據(jù)融合、模型融合、應用融合、系統(tǒng)融合等層面來實現(xiàn)。在研究中，采用的方法是在BIM模型中融合GIS地圖，實現(xiàn)兩者的聯(lián)動，主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)和模型的融合。將谷歌地圖中加載進運維平臺，讓虛擬的BIM模型能夠真實地反映在地圖信息中。其中難度較大的是模型坐標需要和實際地理位置數(shù)據(jù)匹配。若不能準確適配，那將GIS和BIM相結合的意義就大打折扣。

將地圖載入運維平臺后(圖10)，還可以對載入的地圖進行簡單的編輯，使地圖半透明、修改地圖類型和隱藏地圖。這些操作使運維平臺功能更加多樣化。

圖10 在運維平臺中載入GIS地圖

3.2.5 在移動端查看模型

為方便實時對建筑進行運維管理，BIMFACE二次開發(fā)平臺也可以通過分享鏈接的方式實現(xiàn)在移動端查看BIM模型(圖11)。可以進行建筑構件的查看，這些構件信息主要是根據(jù)revit建模形成的主要構件。在移動端可以測量尺寸、模型剖切及簡易的漫游。

圖11 移動端查看模型

4 結論與展望

實現(xiàn)建筑工程的火災疏散模擬、運維管理是在項目運維階段結合 BIM 技術，以相關 BIM 軟件為手段來實現(xiàn)信息化、智能化管理的過程。在這個過程中，必將極大地促進企業(yè)科技創(chuàng)新能力，讓企業(yè)各方受益，實現(xiàn)綠色、智能、集約、精益的管理。讓項目在運維階段順利地維護及運行，大幅減少資源損耗和降低碳排放，降低運行維護成本，減少浪費，保證建筑使用功能及安全。中國建筑業(yè)的建造過程已經(jīng)落后于諸多行業(yè)的發(fā)展，通過智慧建造系統(tǒng)的構建和設計，將高新技術應用到運維階段，可以實現(xiàn)建筑智慧化的改造和升級，實現(xiàn)綠色可持續(xù)循環(huán)的目標。

4.1 結論

1)通過火災疏散模擬仿真發(fā)現(xiàn)實驗研發(fā)中心樓的日常運維和消防管理中要重點注意一層的管理，可以針對一層制訂更為詳細的火災疏散計劃。其他樓層的消防也需要制訂計劃和預案。

2)采用BIMFACE平臺搭建實驗研發(fā)中心樓運維管理平臺，對實驗研發(fā)中心樓運維詳細規(guī)劃及模擬，實現(xiàn)對實驗研發(fā)中心的基礎運維管理。運維管理有效地提高了空間的利用率和運行維護效率、實驗室等空間的利用效率，并能對其進行數(shù)字化管理，將資產(chǎn)信息與實驗室人員配對，保障資產(chǎn)安全，督促實驗人員保護實驗財產(chǎn)及自身安全。通過智慧建造系統(tǒng)的構建，將高新技術植入智慧建造的構成，使得建筑項目實現(xiàn)智能、集約、精益的管理，降低運維管理成本，實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的目標。

3)實現(xiàn)實驗研發(fā)中心樓火災疏散模擬、運維管理是在項目運維階段結合 BIM 技術， 以相關 BIM 軟件實現(xiàn)建筑信息化、智能化管理的過程。在這個過程中，必將極大地促進企業(yè)科技創(chuàng)新能力，讓企業(yè)各方受益，實現(xiàn)綠色、智能、集約、精益的管理。

4.2 展望

在今后的研究中，將會基于實驗研發(fā)中心樓項目繼續(xù)對BIM技術智能管理展開深入的研究。

1)在火災疏散模擬仿真階段未考慮到實驗研發(fā)中心實際人員構成，即需要將試驗人員及工作人員考慮其中，并且提出相應逃生路線，以縮短逃生時間。實驗研發(fā)中心樓存放著大量危險化學品及昂貴的實驗器材，更應該做好火災疏散規(guī)劃及安全管理。

2)后續(xù)還會展開對于搭建同消防結合的運維管理平臺研究，實現(xiàn)火災疏散實時控制；將運維平臺與GIS相結合，當房間發(fā)生火災時能夠快速準確地找到著火點，實時反饋建筑狀態(tài)。

3)需要完善實驗研發(fā)中心樓的運維管理平臺。