王 朔1 王茀雄 何富杰

(1.華南理工大學亞熱帶建筑國家重點實驗室，廣州 510640； 2.華南理工大學建筑設計研究院，廣州 510640)

1 研究背景

當前，以BIM(Building Information Modeling)技術為基礎的建筑設施管理理念被越來越多的研究者關注并應用到建筑運維階段，以更好地提升建筑的全生命周期價值[1]。

針對建筑物使用期的運維管理應用，目前存在著諸多業(yè)務及系統(tǒng)上的定義及劃分，如計算機維護管理系統(tǒng)CMMS(Computerized Maintenance Management Systems)、企業(yè)資產管理EAM(Enterprise Assert Management)系統(tǒng)、企業(yè)信息管理系統(tǒng)IMS(Information Management System)、建筑智能化集成系統(tǒng)IIS(Intelligent Integration System)、計算機輔助設施管理系統(tǒng)CAFM(Computer Aided Facility Management)、集成工作場所管理系統(tǒng)IWMS(Integration Workplace Management System)等[2]。從管理對象角度看，概括起來上述系統(tǒng)可以分為以下幾類：

(1)針對建筑資產、設備、空間等對象，主要關注其資產價值管理應用為主的資產管理與維護信息系統(tǒng)。

(2)以建筑、環(huán)境、設備等對應的維修、維護管理為主要內容，對建筑及其配套的設施、設備進行維修、維護、養(yǎng)護管理，針對建筑設備對象的維保、更新等業(yè)務活動為主的建筑設備及業(yè)務管理系統(tǒng)。

(3)針對智能建筑設備綜合監(jiān)控、管理應用為主的智能建筑系統(tǒng)。

對于1、2類系統(tǒng)，資產、設備管理是其重點關注內容，系統(tǒng)關注較多的是工程項目空間、設施、設備的資產屬性及靜態(tài)數據信息，而借助于BIM、GIS(Geographic Information System)技術，還可以管理設備、資產的空間、位置信息。建筑智能化技術是建筑高效運維的核心技術，隨著智能樓宇技術應用越來越廣泛，智能建筑本身也越來越多地融合了建筑設備管理等信息系統(tǒng)功能，朝著綜合化，集成化的趨勢發(fā)展，實現管理與控制的一體化集成。

相對于上述應用，設施管理FM(Facility Management)的內涵則更為豐富。設施管理的對象和范圍非常廣泛，包括對不動產、土地、建筑物、設備、房間、家具、備品、環(huán)境系統(tǒng)、服務、信息物品、預算和能源等設施的管理。設施管理的服務內容涵蓋了設施計劃、日常維護、設計建造、空間管理、財務管理等多個方面，因此設施管理是對建筑工程、資產、業(yè)務等更為全面與集成化的管理[3]。集成的FM建筑設施管理理念為建筑后期運維提供了一個更為全面、綜合的應用框架，在此基礎上可以建立更為完整的集成建筑設施管理系統(tǒng)。

圖1 集成建筑設施管理系統(tǒng)架構圖

在建筑后期運維領域，特別是針對建筑空間及設施管理應用，目前較為普遍的是Archibus[4]及FMDesktop[5]等軟件，主要功能包括財產租賃管理、空間計劃、維護維修管理、設備狀態(tài)評估等。胡振中等開發(fā)了《基于BIM 的機電設備智能管理系統(tǒng)》，主要面向機電設備的全信息數據庫，實現信息的綜合管理和應用[6]。張建平等建立了基于IFC 的建筑物業(yè)管理信息模型，應用中間件技術將設備監(jiān)控信息和物業(yè)管理系統(tǒng)相結合[7]。Chien-Ho Ko等提出使用射頻識別(RFID)技術來識別和跟蹤對象， 優(yōu)化建筑的整個生命周期管理的框架，并研究了采用IFC數據來集成RFID的方法[8]。

針對建筑運維管理應用，目前還缺乏比較系統(tǒng)化、標準化的綜合管理平臺[9-11]。針對建筑后期運維應用，本文提出了一種以BIM為數據基礎，綜合建筑設備管理、物業(yè)管理、建筑智能化管理與一體的綜合建筑設施管理系統(tǒng)，將企業(yè)管理信息系統(tǒng)與智能化管理系統(tǒng)進一步集成。

2 基于BIM的集成建筑設施管理系統(tǒng)架構

基于BIM的集成建筑設施管理系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)，面向設施管理的業(yè)務系統(tǒng)(信息系統(tǒng))，集成BAS/FAS/SAS等相關實時系統(tǒng)的IBMS系統(tǒng)以及BIM/GIS子系統(tǒng)(如圖1所示)。其中，業(yè)務系統(tǒng)包括空間管理、資產管理、設施管理等相關的業(yè)務管理部分，也包括在此基礎上的客戶管理、設施服務、設施業(yè)務等。主要針對的是建筑本體、設施設備的資產管理、運營、維修維護等相關業(yè)務。

IBMS主要針對的是建筑各類機電系統(tǒng)相關的實時監(jiān)控與管理功能的集成。各類機電設備包括如空調與通風系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、熱源與熱交換系統(tǒng)、冷凍與冷卻水系統(tǒng)、電梯與扶梯系統(tǒng)等，傳統(tǒng)的BAS系統(tǒng)主要是對建筑機電設備進行實施的監(jiān)測與控制管理。廣義的BAS系統(tǒng)還包括了安防、消防、通信、電話等子系統(tǒng)[12-13]。傳統(tǒng)的智能建筑各子系統(tǒng)是相互獨立的，面向集成建筑設施管理的IBMS系統(tǒng)將各子系統(tǒng)進行有效的集成，實現聯(lián)動控制、信息共享及綜合自動化。

BIM/GIS系統(tǒng)針對建筑本體及建筑設備、設施進行了層次化、數字化、空間化集成。借助于BIM標準可以將傳統(tǒng)的智能建筑及運維體系標準化及規(guī)范化。傳統(tǒng)的建筑資產管理及業(yè)務管理主要基于關系型數據庫，對建筑空間的圖形化表示、建筑設施、設備的空間屬性支持不足。設施設備處于具體的建筑空間中，設備具有相關的空間屬性，如某件家具屬于特定的某個人員管理并放置在某個具體的房間。借助于BIM技術，則可以實現空間、設施設備的可視化管理，系統(tǒng)支持相應的空間屬性管理，如清點某個房間內的設備、查詢某件設備設施在具體的空間位置等應用。

針對系統(tǒng)不同子系統(tǒng)業(yè)務功能需求，配置了多個數據庫進行相關的數據存儲。其中，項目數據庫主要用于存儲項目相關的基本信息。設備數據庫記錄的是項目的設備列表，設備數據庫是對項目各類設施設備的相關記錄，盡管BIM數據庫以BIM構件的形式對構件的幾何信息及工程屬性信息進行了標準化的存儲，系統(tǒng)還是維護著另外一個關系型的設備清單記錄。設備數據庫支持IFMS業(yè)務系統(tǒng)的多種應用，如創(chuàng)建新的設備類型和設備對象，刪除、修改設備類型，刪除修改設備實例、設備維修記錄等。設備數據庫中的記錄與BIM數據庫中的構件記錄并非一一對應，設備清單記錄一般會多于BIM數據中的構件記錄。在實際的應用中，如增加一個設備，可能只是增加了一個設備記錄而非強制性地添加對應的BIM模型數據。如果某個設備在兩個數據庫中均有記錄，需要在設備數據庫中刪除該記錄時，則在BIM數據庫中將執(zhí)行相同的操作，系統(tǒng)總是保持BIM數據庫中的記錄在設備數據庫中總是有相應的記錄，而反之則不需要完全一一對應。上述的應用策略實際上對應了系統(tǒng)應用中的具體現實情況，即每個設備實體在設備數據庫中必須被記錄，但不一定需要創(chuàng)建對應的BIM模型。

工單是業(yè)務系統(tǒng)重要的部分，盡管大多數工單內容是針對設備維護維修等具體事務發(fā)起的，但并不意味著工單數據信息需要存儲在BIM模型中，并且工單也不一定與具體的建筑設備設施直接相關。工單管理數據實際上維護的是一系列的任務記錄，該記錄有可能與設備相關，也可以將工單記錄關聯(lián)到某個BIM設備模型，以便通過設備或工單相互查詢，但工單與設備的一一對應則不是必須的。

數據庫設計是面向具體業(yè)務而設計的，不同的數據庫之間存在著一定的對應及關聯(lián)關系，而不同數據庫由于不同的用途，也可以分布式部署在任意位置，采用不同的數據庫軟件及系統(tǒng)環(huán)境。BIM數據庫主要針對的是集成建筑設施管理系統(tǒng)的BIM功能增強而設計的，是可選項，完全基于BIM模型的業(yè)務系統(tǒng)反而會制了系統(tǒng)的靈活性。

3 BIM/BAS系統(tǒng)集成

BIM標準化體系為集成建筑設施管理提供了規(guī)范化、標準化的流程及應用模式。在系統(tǒng)中，對工程項目內容進行了相關的分類，在應用中參照了BIM OminClass[14]分類標準。對建筑本體設施、建筑設備、智能化設備、家具等設施進行標準化的分類及管理。另外，系統(tǒng)參照建筑工程數據交換標準IFC(Industry Foundation Classes)[15]對建筑及設備構件屬性集進行了規(guī)范化的定義，對于智能化設備構件類型，還包括不同的實時數據訪問接口，借助于IFC標準，對設備的工程屬性及實時數據采集接口進行標準化的定義，從而實現標準化定義的對象類型。

BACnet協(xié)議是目前樓宇自動控制網絡通用的數據通信協(xié)議。對于實時的智能化設備對象，BIM數據定義方式與BACnet[16]對象的定義方法可以對應匹配，通過建立IFC對象與BACnet設備對象的映射關系，可以建立虛擬設備對象類型，與實際的設備接入采用一致的接口定義，從而實現透明的設備訪問及管理功能。

BACnet協(xié)議參照OSI標準協(xié)議模型，建立在簡化的四層體系結構之上，其中鏈路層和物理層支持多種最為常用的現場總線網絡類型。BACnet應用層定義了樓宇自控設備的描述方法，即BACnet對象模型。同時，應用層定義了面向應用(設備間的互操作)的通信服務。

BACnet在應用層定義了一組標準的對象類型，用來建立應用層服務框架。應用層服務則被設計成對標準對象類型的屬性進行相應的訪問及操作。圖2展示了BACnet設備模型及屬性對象的定義方法[16]。其中屬性本身也是某個類型的對象，與實際對應的設備點位類型是一致的。

圖2 BACnet 設備對象定義

BIM建筑信息模型則是針對建筑構件進行定義，BIM模型采用了類似的面向對象的方法，建筑信息模型存儲標準及IFC標準[17]中對BIM模型結構進行了可參考定義，在IFC描述中，BIM模型數據由資源層、核心層、共享層及專業(yè)領域層定義，其中BIM對象實例由BIM對象類型實例化生成。BIM對象類型與一個或多個屬性集關聯(lián)，BIM的屬性集列表反映了BIM實體的基本特征，表1是BIM智能化設備中傳感器對象的特征定義，表2是基于IFC的建筑智能控制專業(yè)屬性集定義。

表1 傳感器對象的特征定義

表2 建筑智能控制專業(yè)屬性集定義

在項目中，參照相應規(guī)范針對智能化等專業(yè)實時設備按上述標準進行了BIM模型及BACnet管理對象的定義，通過屬性集上的映射實現了虛擬設備與實際設備的關聯(lián)，并通過虛擬設備接口實現對虛擬建筑及實際建筑構件一致的處理及訪問[17]。表1～2分別是對應的傳感器對象的特征定義及建筑智能控制專業(yè)屬性集定義。

4 系統(tǒng)實現

結合集成建筑設施管理的管理理念及系統(tǒng)框架進行了相應的系統(tǒng)實現，并針對某大廈實現了綜合管理應用。系統(tǒng)基于B/S架構設計，在瀏覽器客戶端完成所有的前端業(yè)務處理功能，采用H5+WebGL技術實現了BIM模型的三維瀏覽、房間、面積可視化管理、各類設備三維界面實施數據查詢顯示等功能。

系統(tǒng)實現基于典型的分層結構，包括現場感知層、網絡層、計算與存儲層、數據層、平臺層、應用層等，如圖3所示。

圖3 IFMS 系統(tǒng)多層結構

圖4 IFMS綜合數據界面(圖中數據為模擬案例數據)

現場層主要是集成各種類型現場設備，記錄各個設備的運行狀態(tài)，并通過實時數據存儲系統(tǒng)將數據存儲在云端。現場層傳感器網絡實現對建筑基礎設施、環(huán)境、設備運行等方面的識別、信息采集、監(jiān)測及控制。網絡通信層包括現場總線設備及TCP/IP網絡，也包括WIFI、ZigBee等近場通信網絡及NBIot/LoRa等電信物聯(lián)網，共同組成網絡通信基礎設施。計算與存儲層包括軟件資源、計算資源、存儲資源，提供數據存儲和計算以及相關軟件環(huán)境的資源，保證上層對于數據的相關需求。數據層為項目提供數據來源，主要包括基礎設施數據、機電設備基礎數據、設備運行數據、工單管理數據、BIM/GIS數據及安全監(jiān)測、應急等各類型專題數據。平臺層為應用層提供基礎服務，包括數據采集系統(tǒng)，業(yè)務系統(tǒng)，BIM模型管理系統(tǒng)，設施設備管理系統(tǒng)等服務。應用層是集成管理系統(tǒng)與用戶交互及具體應用的接口層，應用層綜合各類信息包括BIM/GIS空間數據、三維仿真數據、各類設備運行數據、建筑環(huán)境數據等，實現對建筑設施設備、空間資產、各類資源進行綜合智能管理。

BIM數據存儲及顯示等功能采用了Autodesk Forge[18]實現，實際的業(yè)務則可以通過不同的服務進行集成。項目中使用了Viewer、Data Management，Model Derivative，Design Automation等相關API及服務，其中，Forge Viewer基于HTML5/WebGL技術，可為目前流行的瀏覽器不安裝插件情況下提供原生的3D 模型顯示支持，通過流式加載、漫游優(yōu)化以支持超大規(guī)模模型數據。Forge View & Data提供了模型結構樹及對象屬性查詢API，可以在瀏覽器端瀏覽查詢BIM模型的結構及工程屬性信息，如圖4所示。

另外，系統(tǒng)使用Autodesk Design Automation[18]云端自動化技術，實現了基于瀏覽器端的模型編輯、添加、刪除等功能，包括增加、移動、刪除家具、設備，添加、移動、刪除隔墻以調整房間等操作，通過在瀏覽器端操作，采用設計自動化技術在云端更新BIM數據的機制，大大增強了系統(tǒng)的實用性及可維護性。

對設備的運行狀況進行實時的數據監(jiān)測及歷史數據的存儲、分析是系統(tǒng)重要的功能，也是建筑安全運行、用能優(yōu)化等相關應用實現的基礎。由于需要歷史數據存儲，大量的數據需要被記錄、整理和統(tǒng)計，并存儲在數據庫存儲中，集成BAS系統(tǒng)包括了“規(guī)?！焙汀皩崟r”兩類需求。系統(tǒng)對于更新頻率高的實時數據，采用時序性數據庫InfluxDB進行緩存[19]，HBase[20]作為大數據庫持久層實現。

對建筑設施管理對象參照OminClass及COBie[21]標準及進行分類。參照COBie標準對項目的空間資產及設備資產進行了規(guī)范化的分類及整合。在COBie框架內，通過設施、樓層、空間、區(qū)域概念對空間資產進行了逐級的分類，而設施、設備的屬性則關聯(lián)到空間對象，通過上述的機制，對設備進行相應的空間屬性管理，如查詢每個具體的設備存放在哪個空間，某個部門現有多少房間，房間內包括了多少資產設備等。

圖5 IFMS三維BIM模型顯示

項目對各類運營設備運行數據進行了連續(xù)實時的數據采集及存儲，并根據不同的需求實現對設備運行歷史數據進行相關的統(tǒng)計、分析以及設置對應的運行策略、警戒值等，并實現了基于三維用戶界面的數據綜合顯示，如圖5所示。

5 系統(tǒng)特征

本系統(tǒng)對基于BIM的集成建筑設施管理系統(tǒng)進行了綜合的分析，并對系統(tǒng)的整體架構、關鍵技術等進行了介紹。相對于設備管理系統(tǒng)、物業(yè)管理系統(tǒng)等，集成建筑設施管理系統(tǒng)具有以下的特點：

(1)管理對象及業(yè)務范圍更為廣泛

設施管理的對象和范圍非常廣泛，包括對不動產、土地、建筑物、設備、房間、家具、備品、環(huán)境系統(tǒng)、服務、信息物品、預算和能源等設施的管理。設施管理的服務內容涵蓋了設施計劃、維護、空間管理、財務管理、能源管理等多個方面。

(2)基于移動互聯(lián)網技術升級

集成設施管理系統(tǒng)是物聯(lián)網技術、移動互聯(lián)網技術，大數據技術等發(fā)展的必然結果，使得很多業(yè)務處理，包括支付等轉移到移動終端實現。社交網絡的發(fā)展使得智慧社區(qū)、智慧物業(yè)等概念日臻走向實用階段，社交網絡的發(fā)展也促進了業(yè)主希望通過社交網絡平臺更透明地參與管理整個物業(yè)及設施。

(3)業(yè)務綜合性

系統(tǒng)綜合應用物聯(lián)網技術、智能建筑技術、BIM技術、大數據技術，人工智能技術等，更為綜合，集成化程度更高。物聯(lián)網及大數據技術可以對整個建筑環(huán)境、設施設備進行長時間高頻的數據采集及監(jiān)測，包括監(jiān)測用戶的使用行為，進行大數據收集及數據挖掘，對建筑設備運營、建筑用能等進行深度的優(yōu)化，建立更高效、節(jié)能的用能模式等。

(4)模塊化

系統(tǒng)在綜合性的前提下強調系統(tǒng)實現的模塊化及可伸縮性，對于具體的實施可根據項目的需要做功能及模塊的剪裁。系統(tǒng)可以根據用戶需求進行配置而非重新定制開發(fā)； 另外系統(tǒng)的可伸縮性是對于功能的選擇，如用戶選擇不需要BIM應用而只是需要二維GIS功能，系統(tǒng)也可以方便地配置。

6 結論

本文對集成建筑設施管理系統(tǒng)的主要內容、整體架構以及與BIM的集成進行了相關的闡述。對于BIM的工程應用及實際效益，目前還存在著不同的看法。將BIM應用于建筑運維階段，一種看法認為BIM是運維應用主要的核心及基礎，所有應用均應圍繞著BIM模型數據展開； 另一種看法則認為在實際應用中BIM能發(fā)揮的作用相當有限，認為在物業(yè)管理或智能化集成應用中，BIM僅能起到簡單的三維可視化作用。本文結合了集成建筑設施管理的整體架構，介紹了BIM在IFMS框架內具體的應用及呈現模式，力圖客觀地討論BIM在建筑運維階段具體的應用方法及價值。

隨著信息技術以及新興的BIM技術、物聯(lián)網技術、大數據技術的發(fā)展，智能化系統(tǒng)與企業(yè)管理系統(tǒng)的融合日臻成熟，集成BIM的集成建筑設施管理系統(tǒng)正在成為建筑運維管理系統(tǒng)新的趨勢，并促使建筑項目轉變成為一種IT基礎設施。隨著物聯(lián)網技術、云計算、大數據等技術的進一步發(fā)展及完善，建立綜合的基于云計算及大數據分析技術的綜合業(yè)務平臺在技術及應用上已日臻成熟，隨著國內存量建筑的不斷增加，加強對已有建筑的信息化、智慧化管理，促進建筑的可持續(xù)發(fā)展、綠色節(jié)能等目標實現，也是系統(tǒng)應用的重要目標之一。