呂延崗， 陳朝

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.教務(wù)處；b.建筑工程系，河北 石家莊 050081)

BIM(Building Information Modeling，譯為建筑信息模型)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將建筑的空間結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備和功能屬性進(jìn)行數(shù)字化仿真和模擬.在建筑項目不同階段的生命周期，各使用方和利益方可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行模型數(shù)據(jù)信息的提取、增加、修改和更新[1]，解決了分布式、異構(gòu)式工程數(shù)據(jù)之間的一致性、共享性等問題，為建筑項目的全過程管理提供了決策和參考.近年來，BIM在全球的建筑行業(yè)得到了廣泛認(rèn)可，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部先后出臺了系列政策和文件,明確提出“通過運(yùn)營維護(hù)信息錄入和數(shù)據(jù)集成，建立項目BIM運(yùn)營維護(hù)模型”，“深入研究BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用”[2-3]等要求以加大BIM在建筑行業(yè)的應(yīng)用和推廣力度.

建筑項目的運(yùn)行維護(hù)階段是生命周期中最長的部分[4]，傳統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理方式主要是通過二維CAD圖形和紙質(zhì)檔案資料對其進(jìn)行管理和維護(hù).在實(shí)際的運(yùn)行管理過程中，存在CAD圖形復(fù)雜、難以理解；技術(shù)檔案資料容易遺漏和丟失；設(shè)備和人員信息分散并缺乏更新；設(shè)備保養(yǎng)缺乏時效性，致使影響維護(hù)質(zhì)量；場地運(yùn)行數(shù)據(jù)難以實(shí)時監(jiān)控等問題.在該階段引入和應(yīng)用BIM技術(shù)改變傳統(tǒng)的運(yùn)維管理方式和機(jī)制，實(shí)現(xiàn)建筑項目的設(shè)施、設(shè)備、檔案、人員等對象在三維空間中的準(zhǔn)確定位和信息化管理，解決上述運(yùn)維管理中存在的問題，對于提高管理水平和增加經(jīng)濟(jì)、社會效益具有良好的效果.因此，本文以建筑檢測實(shí)驗(yàn)室BIM模型為中心，構(gòu)建了建筑檢測實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理系統(tǒng).

1 系統(tǒng)概述與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

建筑檢測實(shí)驗(yàn)室是承接各種建筑材料檢測工作的專門實(shí)驗(yàn)室和機(jī)構(gòu)，其設(shè)備的種類、數(shù)量隨著行業(yè)發(fā)展和需求迅速增多，復(fù)雜化、專業(yè)化、精細(xì)化管理要求也在不斷增強(qiáng).本文構(gòu)建的建筑檢測實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理系統(tǒng)是在運(yùn)行維護(hù)階段， 利用BIM強(qiáng)大的信息整合和數(shù)據(jù)集成能力，在實(shí)驗(yàn)室BIM模型的基礎(chǔ)上，融合設(shè)備數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)與檔案資料等臺賬信息和各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型相關(guān)信息的增量處理[5]和數(shù)據(jù)共享，形成有效支撐實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理的大數(shù)據(jù)BIM管理系統(tǒng)[6].系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理工作與BIM模型相結(jié)合，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)自動提醒，設(shè)備檔案、人員檔案、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等資料的數(shù)字化整理、歸納與檢索，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控和溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時采集與管理，使管理人員能夠全面掌握建筑檢測實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行狀況，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室精細(xì)化管理的水平和工作效率.

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.2.1 設(shè)備管理

系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的使用記錄、維護(hù)保養(yǎng)記錄、核查記錄、設(shè)備履歷表等記錄存儲到數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)備構(gòu)件ID與BIM模型中的設(shè)備構(gòu)件關(guān)聯(lián)管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)維過程記錄的管理、查看、下載與打印等功能，提高設(shè)備管理的可靠性和精細(xì)化水平.

1.2.2 人員管理

系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員的職稱證件、任職文件、崗位證書、培訓(xùn)記錄等資料進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并存儲到數(shù)據(jù)庫中，通過人員構(gòu)件ID與BIM模型中的人員構(gòu)件關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)人員檔案信息的查看、更新與修改和人員培訓(xùn)計劃的更新、維護(hù)，提高人員管理的規(guī)范性和規(guī)劃性.

1.2.3 檔案管理

系統(tǒng)將設(shè)備的合格證、說明書、校準(zhǔn)證書等圖紙和紙質(zhì)資料進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并存儲到數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)備構(gòu)件ID與BIM模型中的設(shè)備構(gòu)件關(guān)聯(lián)管理，將建筑檢測行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范、檢測結(jié)果等資料進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換并存儲到數(shù)據(jù)庫中.需要查詢時，可以按照關(guān)鍵字和標(biāo)準(zhǔn)號進(jìn)行檔案檢索和瀏覽.

1.2.4 運(yùn)維管理

系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控探頭和溫濕度傳感器設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室適當(dāng)?shù)奈恢茫⑴cBIM模型中的監(jiān)控和傳感器構(gòu)件關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的監(jiān)控視頻、溫濕度和空氣質(zhì)量等指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測和橫向、縱向?qū)Ρ确治?，為?shí)驗(yàn)室日常管理提供數(shù)據(jù)支撐；通過全景漫游，以虛擬現(xiàn)實(shí)場景界面的形式直觀表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的環(huán)境及設(shè)施.

1.2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)設(shè)置了分級權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)對人員權(quán)限、賬號和密碼的統(tǒng)一管理，不同用戶使用和操作的數(shù)據(jù)不同.普通用戶只能瀏覽規(guī)定權(quán)限內(nèi)的內(nèi)容和信息，不能查看或修改超越權(quán)限的內(nèi)容.其目的是確保系統(tǒng)信息管理的準(zhǔn)確性和保密性.

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)BIM模型構(gòu)建

Autodesk公司提供了Revit系列軟件來幫助建筑行業(yè)技術(shù)人員更好地構(gòu)建、修改和維護(hù)BIM模型.系統(tǒng)在項目開發(fā)過程中采用的是Revit2017版.在建筑信息模型的構(gòu)建過程中，建立準(zhǔn)確而齊全的族庫是關(guān)系著模型構(gòu)建工作成功與否的重要環(huán)節(jié).Revit族庫的作用是通過攜帶有詳細(xì)信息的設(shè)備模型來全方位描述實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)具備的所有信息，包括幾何尺寸信息、空間位置信息、實(shí)驗(yàn)設(shè)備資料、實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)結(jié)果等.建立完備的族庫為BIM中實(shí)驗(yàn)室建筑與實(shí)驗(yàn)設(shè)備等各類別構(gòu)件的正確組合與精準(zhǔn)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，對于提高模型的實(shí)際利用價值起到非常重要的作用[7].系統(tǒng)構(gòu)建時，首先，利用Revit系列軟件創(chuàng)建了適用于實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)的樣板文件，即對實(shí)驗(yàn)室主體建筑的標(biāo)高高度、參照平面、場地位置規(guī)劃與軸網(wǎng)信息劃分等基本信息進(jìn)行確認(rèn)與建立.然后建立實(shí)驗(yàn)室建筑主體的三維模型，并在建筑主體模型中添加所需的虛擬構(gòu)件.系統(tǒng)用到的構(gòu)件分為常規(guī)構(gòu)件與非常規(guī)構(gòu)件.為了提高構(gòu)件建立效率，實(shí)現(xiàn)常規(guī)構(gòu)件建立的標(biāo)準(zhǔn)化，Revit 軟件為模型開發(fā)者設(shè)置有默認(rèn)的常規(guī)構(gòu)件樣板.在模型構(gòu)建過程中，還需要建立如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)人員、實(shí)驗(yàn)檔案文件等非常規(guī)構(gòu)件，這些非常規(guī)構(gòu)件不能通過簡單的常規(guī)參數(shù)來設(shè)置，利用自建族庫文件樣板可解決這一問題.

其次，針對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有設(shè)備及人員建立Revit全仿真族庫和可以重復(fù)使用的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)集，并按照真實(shí)命名規(guī)則對其進(jìn)行命名和管理，以為后續(xù)的模型輕量化處理和數(shù)據(jù)提取奠定良好的基礎(chǔ).在建模過程中，要充分考慮滿足BIM模型在各處理流程中的需求, 模型構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)集需含有適當(dāng)?shù)男畔?，并且在一定條件的約束下保證用戶可以進(jìn)行信息變更和修改[8].比如：系統(tǒng)建立人員族庫構(gòu)件的過程中，應(yīng)充分考慮到運(yùn)維管理過程中可能會遇到人員變動與調(diào)整的情況，對人員族庫進(jìn)行排序處理，其名稱從人員1，人員2……至人員N，使人員族庫模型不固定為某個具體人員，而是在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中賦予每個人員具體的信息.當(dāng)人員出現(xiàn)調(diào)整時，直接通過更新系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相應(yīng)人員構(gòu)件的關(guān)聯(lián)信息即可，而不用重新修改和替換原有模型，這樣來提高信息的可用性與準(zhǔn)確性.

2.2 BIM模型輕量化處理模式

BIM模型在建筑項目生命周期的不同階段，要包含和表達(dá)的數(shù)據(jù)信息以及詳細(xì)程度也是不同的.對于運(yùn)維管理而言，Revit軟件中的部分?jǐn)?shù)據(jù)屬于過量數(shù)據(jù)和冗余數(shù)據(jù)[9]，相反，管理所需要的各種有用的數(shù)據(jù)無法集成到Revit軟件中.因此，有必要對BIM模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，從而實(shí)現(xiàn)模型輕量化處理.

第一種方式，使用Revit插件方式進(jìn)行輕量化處理.首先，將使用Revit API 開發(fā)的DLL插件復(fù)制到Revit 2017安裝文件Addins中，安裝和修改RevitSDK2017 文件夾中的 Add-In Manager(插件管理器)，修改Autodesk.AddInManager.addin 配置文件.其次，用戶通過點(diǎn)擊附加模塊中外部工具的 Add-In Manager 按鈕加載和調(diào)用 DLL 文件執(zhí)行模型輕量化命令，輸出成能將Rvt文件中的模型信息轉(zhuǎn)換成能被 Web GL 解析的通用OBJ數(shù)據(jù)格式.再次，利用面向 HTML5的WebGL技術(shù)引擎庫(Three.js)，將OBJ模型文件利用 Three.js進(jìn)行解析和處理，調(diào)用Three.js引擎的相關(guān)方法創(chuàng)建和顯示BIM模型的三維場景，實(shí)現(xiàn)BIM模型的三維顯示、旋轉(zhuǎn)、優(yōu)化和移動端適配功能，但模型輕量化后的相關(guān)數(shù)據(jù)信息仍然需要導(dǎo)出至數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行分析和處理.此方式可以實(shí)現(xiàn)對模型輕量化的定制化開發(fā)、優(yōu)化和應(yīng)用，但前期的工作量較大并且復(fù)雜.

第二種方式，使用互聯(lián)網(wǎng)BIM輕量化引擎進(jìn)行處理.當(dāng)前市場主流的BIM輕量化引擎均支持用戶將Revit等建模軟件生成的模型文件直接在平臺進(jìn)行輕量化處理，用戶無需安裝專業(yè)的BIM軟件，即可直接利用瀏覽器顯示和查看模型以及其數(shù)據(jù)信息和屬性信息，并且支持BIM模型與管理系統(tǒng)的整合和開發(fā).在項目開發(fā)過程中采用BIMFACE輕量化引擎，該引擎目前能夠解析rvt、skp、fbx等35種常見工程圖紙和模型，提供豐富的二次開放API接口.模型經(jīng)BIMFACE引擎輕量化轉(zhuǎn)換后即可把生成的離線數(shù)據(jù)包部署在云端或本地服務(wù)器中，用戶可以在瀏覽器端或移動端查看模型、屬性、圖紙等信息，其過程分別對應(yīng)JSON數(shù)據(jù)包文件中的幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù).在此方式下，開發(fā)人員和用戶無需關(guān)心模型輕量化和展示的具體細(xì)節(jié)，只需要將重點(diǎn)放在系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯和可擴(kuò)展性上，比較適合當(dāng)前的BIM管理平臺開發(fā)和應(yīng)用.

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，對Revit插件輕量化和互聯(lián)網(wǎng)BIM輕量化引擎兩種方式進(jìn)行了測試和驗(yàn)證,最后采用了互聯(lián)網(wǎng)BIM輕量化引擎的方式進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用.

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

BIM模型數(shù)據(jù)中存儲著各種類型的資源對象以及屬性數(shù)據(jù)，但相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)和檔案資料必須存儲到外置數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行查詢、修改和管理，因此將BIM模型輕量化后的有效數(shù)據(jù)提取和存儲至外置數(shù)據(jù)庫中成為必須完成的工作.在開發(fā)過程中采用免費(fèi)開源、穩(wěn)定、易用的MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲與模型相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，通過各個構(gòu)件ID與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理.從輕量化后的BIM模型離線數(shù)據(jù)包中定位modeldrive.db文件，該文件中存放著BIM模型中所有構(gòu)件資源的ID，對象名稱、族名稱和組類型等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，遍歷實(shí)驗(yàn)室模型的所有構(gòu)件清單，將運(yùn)維管理所需的有效屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和提取，將這些數(shù)據(jù)以可持久化的形式存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，至此建立起了BIM模型和外置數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)聯(lián)，如圖2所示.在MySQL數(shù)據(jù)庫中建立了以設(shè)備表為主表，使用記錄表、維護(hù)保養(yǎng)表、核查數(shù)據(jù)表、設(shè)備確認(rèn)表、設(shè)備履歷表為關(guān)聯(lián)表的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，使用設(shè)備表的ID字段作為主鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)和處理.在MySQL數(shù)據(jù)庫中也建立了實(shí)驗(yàn)人員表、培訓(xùn)記錄表、監(jiān)控設(shè)備表和數(shù)據(jù)采集表相關(guān)數(shù)據(jù)庫表以支撐系統(tǒng)運(yùn)行和應(yīng)用.

圖2 模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換流程

2.4 運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

在傳統(tǒng)的運(yùn)維管理模式中一般需要安排專門人員對實(shí)驗(yàn)室工作場所進(jìn)行人工巡視和管理.隨著網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，管理人員可以通過PC或手機(jī)隨時隨地查看現(xiàn)場的運(yùn)行情況，這樣既加強(qiáng)了現(xiàn)場管理，也節(jié)省了管理成本.在項目開發(fā)過程中，使用螢石云平臺，將在螢石云平臺配置好的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控探頭地址寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并與模型中的攝像頭構(gòu)件關(guān)聯(lián)，用戶只需要雙擊模型中的攝像頭即可通過網(wǎng)絡(luò)地址直接查看和瀏覽實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài).

在建筑檢測實(shí)驗(yàn)室的水泥室中，溫度、濕度和PM2.5等運(yùn)行數(shù)據(jù)是重要的監(jiān)測運(yùn)行指標(biāo)，在水泥室中安裝和部署物聯(lián)網(wǎng)傳感器并與模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)，同時，及時采集相關(guān)數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[10].在物聯(lián)網(wǎng)傳輸領(lǐng)域，NB-IoT(Narrow-Band Internet of Things，譯為窄帶物聯(lián)網(wǎng)) 和LoRaWAN(LoRa Wide Area Network，譯為LoRa廣域網(wǎng))是最具發(fā)展前景的兩項通信技術(shù)，已在工業(yè)檢測、智慧物流、智慧交通、智慧城市等應(yīng)用領(lǐng)域起到了良好的示范作用，兩者在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、設(shè)備成本、服務(wù)質(zhì)量和使用頻段等方面都有各自的優(yōu)勢.在管理系統(tǒng)開發(fā)過程中，基于現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域以及傳感器本身的成本等方面考慮，傳輸網(wǎng)絡(luò)采用中國移動提供的NB-IoT技術(shù)[11]，將物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)以規(guī)定好的協(xié)議格式按照規(guī)定的時間、頻率定時傳輸?shù)街付ǚ?wù)器上.服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)后，按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼處理，并直接寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫供平臺查詢和應(yīng)用.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于BIM的建筑檢測實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)綜合運(yùn)用BIM、計算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)維管理工作的精細(xì)化和智能化.系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用ASP.NET，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用MySQL，系統(tǒng)架構(gòu)采用B/S.用戶使用瀏覽器本身的功能，不需要下載安裝任何插件即可在Web端瀏覽、顯示和控制三維BIM模型，符合 BIM 瀏覽與項目管理可視化的要求，能滿足多用戶同時管理，適用于協(xié)同辦公應(yīng)用.系統(tǒng)支持Google Chrome瀏覽器、360安全瀏覽器(極速模式)等瀏覽器，同時兼容IOS、Android手機(jī)移動瀏覽器.通過驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：用瀏覽器進(jìn)行三維模型的查看、旋轉(zhuǎn)、縮放和全景漫游等；模型目錄結(jié)構(gòu)樹瀏覽，模型構(gòu)件的隱藏與顯示等；模型設(shè)備構(gòu)件的全過程運(yùn)維管理工作，檢測時間的自動提醒；模型人員構(gòu)件的檔案管理管理工作，支持通過模型直接定位和瀏覽；監(jiān)控設(shè)備的直接調(diào)用查看和采集設(shè)備的數(shù)據(jù)管理.

系統(tǒng)已在合作企業(yè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了部署和驗(yàn)證，并取得了良好效果，為BIM技術(shù)在建筑工程行業(yè)的推廣和示范提供了參考.隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)BIM管理平臺中數(shù)據(jù)采集的全面化和決策分析的智能化需要進(jìn)一步的研究和完善.