孟軍陽 曹佳純 王云龍 謝英江

（中建七局第四建筑有限公司，陜西 西安 710016）

0 引言

在現(xiàn)代化建筑工程中，為了給建筑使用者提供一個(gè)健康舒適的辦公和居住環(huán)境，建筑設(shè)備的管理成為建筑工程中最重要的一項(xiàng)工作內(nèi)容，也是現(xiàn)代建筑管理的重要組成部分。從建筑全生命周期來看，建筑設(shè)備的運(yùn)營期占據(jù)了全生命周期的90%，運(yùn)營成本也占總成本的70%以上，因此，在該階段中，由于建筑設(shè)備在長期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到磨損，出現(xiàn)不同程度的老化，并出現(xiàn)故障，導(dǎo)致建筑物的質(zhì)量下降，并需要提供大量的人力物力進(jìn)行維修。

1 BIM技術(shù)在建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理中的應(yīng)用

BIM技術(shù)的發(fā)展有利于建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理。BIM技術(shù)通過建立1個(gè)虛擬的面向?qū)ο蟮娜S模型，能夠集成海量的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化、智能化，并將海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行協(xié)同共享，避免信息的“碎片化”，降低信息傳遞損耗，可在建筑設(shè)備全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)模型信息的動(dòng)態(tài)分享、信息訪問、存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)以及更新完善，使各個(gè)建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理參與能夠在權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行信息獲取和上傳，并可以得到可視化的服務(wù)，形象、直觀和清晰地了解建筑設(shè)備的運(yùn)行情況。將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)備全生命周期的管理，將BIM模型與管理信息相關(guān)聯(lián)，具體的信息流如圖1所示。

圖1 基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)備全生命周期管理

建筑設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理是一個(gè)信息流管理的過程，根據(jù)信息流在各個(gè)層級(jí)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可以將建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理的系統(tǒng)大致分為5個(gè)層次，分別為用戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、模型層和信息層，如圖2所示。

圖2 基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)備運(yùn)維管理總體框架

2 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)原理的建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)決策方法

在目前的機(jī)器故障檢測理論中，發(fā)展出了很多的人工智能、深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法，其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)就應(yīng)用較為廣泛的方法之一。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是在英國學(xué)者貝葉斯公式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它也稱作貝葉斯信度網(wǎng)絡(luò)，表達(dá)了不同變量之間的概率影響關(guān)系，并綜合利用了概率論和圖論的方法對(duì)概率之間相互影響進(jìn)行可視化的圖形表達(dá)，對(duì)個(gè)獨(dú)立互相排斥事件B中，事件發(fā)生條件下，B事件發(fā)生的概率可以用貝葉斯概率公式進(jìn)行描述，如公式（1）所示。

式中：（B|）為貝葉斯后驗(yàn)概率；（B）為貝葉斯先驗(yàn)概率；（|B）為貝葉條件概率。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)包括節(jié)點(diǎn)的單向網(wǎng)絡(luò)圖像形式，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已知的條件下，采用先驗(yàn)知識(shí)對(duì)既有的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在全局范圍內(nèi)尋找最優(yōu)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)的過程中，基于參數(shù)和數(shù)據(jù)集的似然程度來達(dá)到確定目標(biāo)參數(shù)，其似然函數(shù)的對(duì)數(shù)表達(dá)形式如式（2）所示。

式中：為拉格朗日算子，為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，為數(shù)據(jù)樣本集合，為既有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

以方程（2）中的最大值作為尋優(yōu)結(jié)果，得到式（3）。

式中：為概率函數(shù)，為最大似然概率，x（）為樣本，為樣本集。

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的結(jié)果，得到建筑設(shè)備運(yùn)行的故障率，以維修費(fèi)用最低為函數(shù)模型，如公式（4）所示，以確定采取的維修養(yǎng)護(hù)策略。

式中：為成本，為2次維修之間設(shè)備的工作時(shí)間，C為一次修復(fù)性維修費(fèi)用，C為一次預(yù)防性維修費(fèi)用，為可靠度，為一次大修費(fèi)用，為維修時(shí)間，為預(yù)防性維修間隔數(shù)。

3 基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)可視化應(yīng)用實(shí)例

某省市某房地產(chǎn)建設(shè)工程一期位于202-DC-A98地塊，位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍，附近已有配套公用設(shè)施，交通便利。項(xiàng)目總投資95000萬元，項(xiàng)目建設(shè)用地約62400m，總建筑面積約241353.70m，其中地上約174487.20m，地下約66866.49m。在建筑工程主體結(jié)構(gòu)中配備了各種設(shè)備系統(tǒng)，具體包括消防系數(shù)、給排水系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以及動(dòng)力照明系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的構(gòu)成十分復(fù)雜，管線很多，給設(shè)備檢修人員帶來不小的挑戰(zhàn)。

由于建筑設(shè)備運(yùn)行管理是一項(xiàng)多專業(yè)、多面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程，建筑中的設(shè)備數(shù)量龐大，管道及機(jī)器之間錯(cuò)綜復(fù)雜，因此，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)故障的快速診斷、定位和排查是設(shè)備管理人員和檢修人員面臨的首要問題。在基于BIM的建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)中建立建筑設(shè)備的三維虛擬模型，各個(gè)模型構(gòu)件與實(shí)體構(gòu)件之間具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過唯一的編碼進(jìn)行確認(rèn)。在BIM建筑設(shè)備模型中，賦予各個(gè)虛擬構(gòu)件的各種實(shí)體屬性參數(shù)，使虛擬構(gòu)件與實(shí)體構(gòu)件具有完全的邏輯關(guān)聯(lián)屬性，如圖3所示。

圖3 基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)和模型

以建筑設(shè)備的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)為例，分別對(duì)2個(gè)系統(tǒng)中的15個(gè)節(jié)點(diǎn)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)設(shè)備故障概率與正常概率的計(jì)算結(jié)果見表1。從表1中可以看出，在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)備故障概率較大的節(jié)點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)14，分別為0.481489、0.237284和 0.289916；在消防系統(tǒng)中，設(shè)備故障概率較大的節(jié)點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)12，分別為0.094157、0.381375和0.619536。在這些節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果中，消防系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)12故障概率大于0.5，具有較大的失效可能，因此在建筑設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，以達(dá)到良好的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效果。

表1 基于BIM技術(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的建筑設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

在對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)采取檢修和養(yǎng)護(hù)措施后，分別對(duì)2個(gè)系統(tǒng)中的15個(gè)節(jié)點(diǎn)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)設(shè)備故障概率與正常概率的計(jì)算結(jié)果見表2。從表中可以看出，在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)10和節(jié)點(diǎn)14的設(shè)備故障概率分別降低為 0.000038、0.000088 和 0.000028；在消防系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)12的設(shè)備故障概率分別降低為0.000016、0.000003和0.000060。由此表明，經(jīng)過檢修和養(yǎng)護(hù)后，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)均處于運(yùn)行良好狀態(tài)，達(dá)到了設(shè)備維護(hù)的目的。

表2 檢修和養(yǎng)護(hù)后基于BIM技術(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的建筑設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

該文以某省市某房地產(chǎn)建設(shè)工程一期為研究對(duì)象，基于BIM技術(shù)建立三維設(shè)備運(yùn)行圍護(hù)管理模型，并在模型系統(tǒng)內(nèi)采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型進(jìn)行設(shè)備故障概率及設(shè)備正常概率的計(jì)算，得到以下2個(gè)結(jié)論：1）BIM技術(shù)有利于建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理，可在建筑設(shè)備全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)模型信息的動(dòng)態(tài)分享、信息訪問、存儲(chǔ)關(guān)聯(lián)以及更新完善，使各個(gè)建筑設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理參與能夠在權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行信息獲取和上傳，并可以持續(xù)性地得到可視化的服務(wù)，形象、直觀和清晰地了解建筑設(shè)備的運(yùn)行情況。2）以建筑設(shè)備的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)和消防系統(tǒng)為例，分別對(duì)2個(gè)系統(tǒng)中的15個(gè)節(jié)點(diǎn)基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，得到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)設(shè)備故障概率與正常概率的計(jì)算結(jié)果，對(duì)節(jié)點(diǎn)中設(shè)備故障概率較大的節(jié)點(diǎn)采取檢修和養(yǎng)護(hù)措施，并對(duì)養(yǎng)護(hù)后設(shè)備故障概率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，該措施能夠有效地降低設(shè)備故障概率，改善設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。