BIM与建筑机电设备监测信息集成的研究

田佩龙 李 哲 胡振中 邹 东

(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 清华大学艺术教育中心，北京 100084；3. 广州市地下铁道总公司建设事业总部，广州 510380)

BIM与建筑机电设备监测信息集成的研究

田佩龙1李 哲2胡振中1邹 东3

(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 清华大学艺术教育中心，北京 100084；3. 广州市地下铁道总公司建设事业总部，广州 510380)

机电设备的管理是建筑运维管理的重要组成部分，目前多采用建筑机电设备自动化系统实现，其监测信息不能供其它系统有效地共享和利用。利用建筑信息模型(BIM)技术可以实现建筑全生命期的数据共享，然而目前在机电领域BIM的研究和应用大多是利用BIM工具建立含有丰富信息的机电设备模型，在此基础上通过信息查询等手段辅助运维管理，而在对BIM与监测信息集成方面还有待研究。本文通过研究BIM与建筑机电设备监测信息集成方法，建立机电设备监测扩展信息模型，从而充分发挥监测信息的价值，为建筑机电运维的高效管理提供数据支持。

机电设备；运维管理；BIM；监测；集成

1 引言

目前，国内建筑信息模型(BIM)技术的发展如火如荼。作为未来建筑业的发展趋势，其重要性已得到业内的认可。BIM之所以能够快速发展，是因为它能在规划[1]、设计[2-3]、施工[4-5]和运维[6-7]阶段带来诸多好处。国内的一些复杂项目也尝试在工程的不同阶段应用BIM技术，但在占建筑全生命期时间最长的运维期，还没有太多的应用案例[8]。在建筑运维期管理中，机电设备的管理是非常重要的组成。特别是在一些较为复杂的项目中，比如医院、科技企业等，机电设备的总投资甚至达到项目总投资的50%[9]。

机电设备是建筑采暖设备、通风与空调设备、给排水设备、电气设备等的总称。传统的机电设备运维管理经常需要查阅纸质的竣工资料，十分繁琐而且容易出错，效率低下。因此，将BIM应用于机电设备运维期管理，提高机电设备运维效率，是有重要意义的。利用BIM实现对机电设备的运维期管理，目前已有相关的研究，但是现有的研究和应用大多是利用BIM建立含有丰富信息的机电设备信息模型，在此基础上通过信息查询等手段辅助运维管理。然而，在对机电设备BIM异构数据(运行状态的监测数据等)扩展和基于扩展数据的机电设备运行状态的监测分析等方面还有待进一步研究。

运行状态监测和控制是建筑机电设备运维管理的重要内容之一，通常利用建筑设备自动化系统实现。将BIM与运行状态监测信息集成，需要在建筑设备自动化系统监测信息的基础上，研究数据集成方法，建立BIM机电设备监测信息扩展模型。该扩展模型不仅能为机电设备运维管理提供数据支持，同时，也能改变监测数据“信息孤岛”的局面，将监测数据应用于建筑能耗分析等方面，发挥机电设备监测数据的更大价值。

2 建筑机电设备监测

2.1 建筑机电设备监测内容

机电设备是应用了机械、电子技术的设备的总称。监测是利用传感器等采集机电设备运行状态参数，包括温度、湿度、转速和压力等，并转换成电信号反馈给传感器，用于系统控制决策。建筑机电设备监测是借助建筑设备自动化系统(Building Automation System，BAS)等手段，对建筑物内的机电设备进行有效地监控和管理，保障设备正常运行，控制温、湿度，创造舒适、安全的建筑内部环境。

不同类型的建筑中，机电设备的种类有所差异，其中，以地铁、医院等建筑中的机电设备种类较多，机电设备监控系统也较为复杂。图1为建筑设备自动化系统通常的组成，包括通风空调系统、给排水系统、照明系统等。机电设备的主要监测内容是其运行状态，包括开关状态、运行参数、故障状态、报警状态等。例如，对于暖通空调系统中的组合式空调机组，其监测内容包括“启停状态”、“故障状态”、“运行时间”、“故障次数”、“启动次数”等。

图1 建筑设备自动化系统

2.2 建筑设备自动化系统架构

为了实现机电设备的监控，需要相应的硬件支持，建筑设备监控系统的硬件架构可以分为三层：现场设备层、网络通讯层和管理应用层，如图2所示。

现场设备层的基本单元形式是传感器和执行器通过输入输出(IO)扩展模块和控制器相连，形成对局部单元设备的闭环控制，采用温度、湿度、流量等传感器采集机电设备运行时的状态参数，发送给控制器，控制器按照控制程序对接收到的状态参数进行逻辑运算，并将运算结果以动作的方式发送给电动蝶阀等执行器执行。比如送排风系统中，可以通过风量传感器检测风量大小，与控制器中预设值进行比较，并通过比例积分微分(PID)控制算法调节风机的转速。多个基本单元组合形成子系统，构成不同的监测功能体系。

网络通讯层负责现场设备层与管理应用层之间的通讯，同时，兼具不同子系统集成的功能。网络通讯层以总线的形式构成通讯的主干道，将各个子系统通过网关集成到总线上，实现不同子系统之间或者子系统与管理应用层间的通讯。目前应用于工业控制领域的总线协议包括MODBUS、ProFibus、Lonworks、CAN总线等，专门针对智能建筑的总线协议包括EIB、基金会总线(FF)等，通讯协议常采用OSI、TCP/IP、BACnet等。

管理应用层由电脑终端、工作站和服务器等组成，负责监测数据的存储、显示和分析等，同时，提供控制界面，实现在电脑端对机电设备的控制。目前机电设备的实时监控软件多由机电监控系统厂家提供，且相对较为封闭。

图2 建筑设备自动化系统硬件架构

2.3 主流建筑设备自动化系统

目前主流的建筑设备自动化系统包括霍尼韦尔的EBI系统、江森自控的Metasys系统、西门子的Apogee系统等。

建筑设备自动化厂商能够提供一整套的机电设备监控解决方案，包括硬件方案、软件系统等。硬件架构上，目前的商用系统多采用分布式结构，可分散控制、管理，同时，设置主控制服务器，收集、记录、保存和管理各子系统中的监测信息；软件功能上，主要针对建筑内机电设备的监控和管理，包括对实时状态进行监测和控制，并通过动态图等显示；对历史监测数据进行搜集，并通过趋势图等分析，并可打印、输出报表等。

但是现有的监控系统中没有模型的概念，监测数据通过二维组态图形的方式进行显示，这就制约了监测数据的共享和监控功能的扩展。将监测数据与BIM集成，发挥BIM信息共享的特点，能够改变机电设备监测数据信息孤岛的局面，发挥监测数据的价值。

3 集成研究

在对机电设备BIM信息特点及其传递方式、建筑机电设备监测信息特点及其传递方式等研究的基础上，给出两者的信息融合方法，实现BIM模型监测信息的拓展；基于扩展模型，分析BIM模型监测信息关联查询及三维模型上实时监测数据显示的特点，最终，实现BIM与建筑机电设备监测信息的集成。

3.1 机电设备监测信息及其传递

建筑机电设备的监测信息包含两方面内容：监测点信息和监测数据。监测点信息是对各监测子系统中机电设备所包含的监测点属性信息的描述，包括监测点所属的机电设备的特征信息：位置描述、所属系统、设备类型、设备编号等，以及监测点的特征信息：监测点说明、数据点类型、数据点数值范围、报警值、数据长度、信息对象地址等。在机电监测系统中，监测点信息通常以点表的形式存储和传递。如表1和表2为某地铁车站BA系统点表中的PRA1设备及其一个监测点信息。对于机电设备监测系统，通常有固定的点表格式，通过开发点表信息接口，实现点表信息的传递，在系统内将监测点信息按照“车站(建筑)——系统——子系统——区域——设备——监测点”进行分层。

监测数据是机电设备监测点的当前及历史状态数据。监测数据的类型包括数字量和模拟量，即离散量和连续量，其中数字量可以是只包含两种取值状态的开关量，也可以是多个开关量的组合。监测数据通常保存在机电监测系统的控制器或数据库中，不同类型的监测系统或者不同厂家的监测系统数据库会有差异。

监测数据的传递根据使用情形的不同可以分别考虑从控制器端直接读取或从现有监测系统数据库中读取两种方式。从控制器端读取需要根据现场网络和控制器类型开发数据读取接口，这种方式可以更好地保证监测数据的实时性。从现有监测系统数据库的读取有两种方式：一种是自建数据库存储监测数据，将商用机电监测系统的监测数据同步到自建数据库中；另外一种是系统本身不存储监测数据，在系统中存储各个监测点监测数据的访问路径信息，在需要监测数据时，通过访问路径信息从商用机电设备监测系统数据库中进行读取。

3.2 BIM监测信息的扩展

BIM监测信息的扩展是在现有机电BIM信息的基础上，融合机电设备监测信息，形成面向监测信息的机电设备信息模型，如图3所示。在该融合模型的基础上，实现机电设备的实时监测以及监测信息的查询、显示等。

表1 某地铁车站机架设备监测信息

表2 某地铁车站机架设备监测点信息

图3 BIM监测信息扩展

在数据融合过程中，以监测点结构为主体，分别关联机电设备的模型信息和监测数据。监测点结构与机电设备模型信息的关联限定在监测点结构的设备层级上，为多对一的关系，监测点结构中的每一个设备，可对应多个设备模型实体或区域。在监测点结构中，每个设备可包含多个监测点，比如：一个空调机组存在温度、湿度、风量等多个监测点。监测点结构与监测数据的关联限定在监测点结构的监测点层级上，为一对多的关系。对于每个监测点，监测数据是对应于数据库中的多条记录。监测点中包含以下信息：监测点ID、名称、OSD(中央/车站/车辆段)、类型、当前值(当前状态值)、报警值(当该监测点的当前值超出报警值时，表明发生异常，需要报警)、报警分级(表明该监测点异常的严重程度)、信息对象地址(该状态点的监测值在监测系统控制器存储区中的存储位置)、是否显示状态(是否将该监测点的状态设为设备的显示状态)。其中，监测点的当前值用于记录最近一次更新时监测点的监测数据。

3.3 BIM监测信息查询与显示

监测信息的查询包含两种：通过模型查询关联的监测信息和通过监测数据查询关联的模型。第一种为已知设备模型或区域信息，查询与该设备或区域关联的监测点的属性信息和监测数据等；第二种为已知某个监测点或监测点的数据，查询关联的BIM模型。

基于这两种查询，可以构建更复杂的查询，比如，已知某个管道的流量数据，需要查询该管道上游蝶阀的开闭状态：首先根据流量数据，查询该流量数据所属的监测点，进而找到该监测点所属的设备，然后根据监测结构与模型的关联关系，在模型中对管道设备进行定位；最后根据模型之间的上下游逻辑关系，找到管道的上游蝶阀模型信息，从而确定该管道上游蝶阀模型关联的监测信息，包括开闭状态等。

可视化是BIM技术的特点之一，经过数据融合，能够实现模型数据与监测数据的相互查询，在此基础上，实现三维模型实时监测信息的显示。

在三维模型上显示实时监测数据时，可采用不同的颜色作为不同数据大小的区分。但是在BIM监测信息扩展模型中，一个三维实体模型单元关联监测结构树中一个“机电设备”，一个“机电设备”关联多个“监测点”，造成了同一个三维实体模型单元对应多个监测点的情况。同一个三维实体模型单元不能用颜色同时显示多个监测点的实时监测数据，因此，对于一个监测设备，每次设置一个主监测点，只通过模型的颜色显示主监测点的监测数据，可将不同设备中具有相同含义的监测点同时设成主监测点，形成一种监测模式，在监测过程中，可以切换不同的监测模式。另外选用单独的颜色用于报警，在监测过程中，设备的任何监测点的值出现异常，需要报警，则该设备模型显示为第三种颜色。

4 应用案例

为了验证以上集成技术的可行性，在清华大学已有的研究成果基于BIM技术的机电设备智能管理系统(BIM-FIM)[7]基础上，设计开发了机电设备监测子系统。同时，利用控制器、流量传感器、水泵等搭建小型给水控制系统，开发监测软件作为后台监测系统支持，提供实时监测数据。系统在广州地铁某车站进行应用测试。该车站一共分为三层，地下一层为站厅层，地下二层为设备层，地下三层为交通转换层及站台。施工方用Revit建立了车站主体结构、给排水系统设备、站厅层机电设备、设备层机电设备、站台层机电设备和暖通空调设备等模型。

将Revit创建的机电设备模型导出成工业基础类(IFC)格式，利用IFC接口导入系统中，再利用点表接口导入监测点信息，生成监测信息结构，在系统内，可进行监测信息的管理，同时，可进行BIM模型与监测信息的关联。关联后，通过监测结构可查询到关联的三维模型，在三维模型上可查询到关联的监测点属性信息及历史监测数据，如图4所示。

将机电设备监测子系统调至实时监测界面，并在后台运行给水控制系统，设置流量为系统监测参数，即可在系统中显示各管道内水流量的实时监测界面，如图5所示，将流量设置为模型的主显示状态，在给排水系统局部模型上用不同颜色显示监测到的设备或管道单位时间的流量大小。

图4 BIM模型与监测信息的关联查询

图5 实时监测界面

5 结论

本研究在对BIM和建筑机电设备自动化系统研究的基础上，研究BIM数据与机电设备监测数据的特点，提出模型数据与机电设备监测数据传递、集成方法，实现BIM监测信息的拓展。同时，通过在BIM-FIM的基础上设计开发基于BIM的机电设备监测子系统，实现监测数据与BIM数据的关联管理、BIM模型上实时监测数据的显示，BIM数据与监测数据的关联查询等，验证了该集成方法的有效性。

另一方面，由于时间仓促，该研究还存在一些不足之处，比如在BIM平台上如何保证大量监测数据情况下数据的实时性、基于BIM监测信息扩展模型的监测数据分析和深入应用等方面还有待进一步研究。

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Research on Integration of BIM and MEP Monitoring Information

Tian Peilong1, Li Zhe2, Hu Zhenzhong1, Zou Dong3

(1.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.CenterforArtsEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;3.ConstructionDivision,GuangzhouMetroCorporation,Guangzhou510380,China)

Management of machine, electric and plumbing (MEP) plays an important role during operation and maintenance management of a building. At present, building automation system (BAS) is the primary means of MEP management, but the monitoring information of BAS cannot be effectively shared or used by other systems. Data sharing within building lifecycle can be achieved by adopting building information modeling (BIM) technology while most BIM researches and applications for MEP focus on establishing a product model that contains a wealth of information to improve the management efficiency by information inquiries. Few researches in the integration of BIM and MEP monitoring information are reported. By studying the integrated approach of BIM and MEP monitoring information, an extended model of MEP monitoring information can be established based on BIM. The model can provide data to support the operation and maintenance management of MEP, maximizing the value of MEP monitoring information.

MEP; Operation and Maintenance Management; BIM; Monitoring; Integration

国家高技术研究发展计划“863”计划(2013AA041307)；国家自然科学基金资助(51478249)

胡振中(1983-)，男，副教授。主要研究方向：土木工程信息技术、建筑信息模型(BIM)。

TU806;TU17

A

1674-7461(2015)01-0008-06