基于BIM的机电工程逻辑关系检索

陈斯琦，郑吉春，毕克海，张 鹏

（1. 东北财经大学 投资工程管理学院，辽宁 大连 116025，E-mail:c8742442@126.com；2. 零点融垣造价咨询有限公司，辽宁 大连 116011；3. DTZ戴德梁行大连分公司，辽宁 大连 116011）

基于BIM的机电工程逻辑关系检索

陈斯琦1，郑吉春2，毕克海3，张 鹏1

（1. 东北财经大学 投资工程管理学院，辽宁 大连 116025，E-mail:c8742442@126.com；2. 零点融垣造价咨询有限公司，辽宁 大连 116011；3. DTZ戴德梁行大连分公司，辽宁 大连 116011）

机电工程的逻辑关系信息是建筑物运维管理中需要获取的重要信息。传统物业管理模式下，逻辑关系信息的主要来源为人员经验及二维图纸，信息调用效率低。为利用BIM提升信息调用速度，辅助机电工程运维管理，采用半结构性访谈法、个案研究法，针对物业管理人员的需求，通过对BIM软件的二次开发，在建筑物的竣工信息模型中建立机电系统内构件间的逻辑关系，实现3D模型下机电工程的可视化逻辑关系检索，提高建筑物运营阶段机电工程维护维修管理及应急管理的效率和质量。

BIM；机电工程；信息检索；物业管理

机电工程是建筑物给排水、采暖、空调、通风、电气及电梯等专业工程的总称。机电工程的运营和维护是物业管理工作的重点。机电工程内的逻辑关系主要指机电设备构件间的上下游关系。一般来说，机电工程的复杂程度高，物业管理工作难度大。通过调查研究发现，物业管理人员在进行维修决策或应急管理时，经常因难以及时定位故障设备的上下游设备致使不能采取有效措施，导致损失扩大。BIM（Building Information Modeling）现阶段已较为广泛地应用于建筑物设计和施工阶段，然而，国内外众多专家学者指出，BIM的应用在建筑物运营阶段带来的效益远高于设计及施工阶段，如何在建筑物运营阶段有效地利用模型内信息，实现机电工程逻辑关系检索，辅助维修决策及应急管理，是本研究关注的重点。

目前，国内外对于BIM在机电工程上的应用主要集中在施工碰撞检测及协同设计等方面。Korman等［1］提出基于BIM机电模型开发协同设计平台［2］，实现冲突碰撞自动检测分析，提高机电工程协同作业的效率。Leite等［3］的研究集中于利用Navisworks进行机电系统的碰撞检测。对于BIM在机电工程运维管理上的应用，也有学者进行了初步探索，何波等［4］基于Navisworks开发了基于BIM的机电设备管线应急管理系统，提供机电管线上下游关系建立功能，辅助机电工程运维管理。胡振中等［5］基于基础图形引擎开发了基于 BIM的机电设备智能管理系统，能够在系统中建立机电设备的逻辑关系，提高设备管理质量。

上述研究均基于开发外部运维管理软件，将BIM 模型从建模软件导入外部软件进行利用。然而，这种方法难以保持数据的实时性，对模型的修改难以及时反映到外部软件中，并且由于缺乏统一的信息标准，在模型传递的过程中往往有大量数据损失。在BIM建模软件内进行信息检索的研究相对较少。Demian等［6］在法国Graitec公司技术人员支持下开发了一款基于Autodesk Revit 2015（以下简称“Revit”）软件平台的插件:3DIR，提供 BIM模型内构件的属性检索功能，提高协同设计和现场施工的效率。但其主要应用于设计及施工阶段的构件属性文本信息检索，不适用于运维阶段机电构件间的逻辑关系检索。为保证数据的实时性，避免数据损失，本文研究通过对 BIM建模软件的二次开发，在竣工模型内建立机电构件间的逻辑关系，实现机电工程的可视化逻辑关系检索。

1　信息可视化检索

相较于依赖人员经验及二维图纸的信息调用模式，基于BIM的信息可视化检索结合了BIM可视化及信息检索的优势，不仅能够加快信息获取的速度，还能辅助物业管理人员的信息译码过程，提升其维修决策和应急管理的质量。

BIM 的可视化特征减小了物业管理人员理解信息的难度。可视化是一种强化认知的视觉图像显示形式，BIM模型的可视化属于科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing），科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的图像、数值等信息变成直观的、以图形图像信息表示的、随空间和时间变化的物理现象或物理量呈现在物业管理人员面前。在传统物业管理模式下，物业管理人员根据大量机电系统图纸，通过大脑对二维文件传递的信息片段加以组合，利用综合思维能力还原出三维建筑空间，由于机电系统的复杂性及空间位置的隐蔽性，在二维至三维的思维转换中，出现信息错位匹配的概率是比较大的。BIM技术提供了一种还原真实三维场景的直观表达模式，用计算机代替人脑进行二维平面与三维空间之间的思维转换，将空间设计直接用三维模型展现出来，不受使用者的专业和经验限制，大大减少了信息错位匹配的可能性。而传统计算机辅助设计导出的二维施工图（平面图、立面图、剖面图、局部详图、户型图等图纸文件）并不能称作可视化，因为图纸本身就是一系列抽象符号的集合，需要经过译码才能转换为可使用的信息，达不到直观可视的要求。

信息检索（Information Retrieval）可以充分提高物业管理人员获取信息的效率。信息检索是指信息按一定的方式组织和存储，并根据信息用户的需求找出相关信息的过程。信息检索具有需求导向性，使用对象针对特定的信息需求检索信息，因而获取信息的效率高，能够排除无用信息的干扰。对于具有明确信息需求的使用者而言，信息检索技术大大加快了其工作效率。信息的存储是实现信息检索的基础。建筑物运营阶段的 BIM 模型涵盖了设计、施工过程中来自各参与方的信息以及物业管理人员在运维过程中持续补充和更新的运维管理相关信息，为建筑物的运维管理活动提供了丰富的数据查询基础。BIM模型不仅存储了建筑构件的几何信息（如尺寸、大小、形状等），还包含了构件的非几何信息（如机电参数信息、空间位置等），并将各类信息以三维可视化的形式展示，是最佳的信息检索数据库。

信息可视化检索将抽象的数据信息与可视的三维模型构件相连接，充分结合了信息可视化与信息检索的优势。Chiritmann等［7］进行了可视化检索的实验，证实相较于建筑图纸等平面文件，三维可视化模型能够大大降低使用者的理解偏差，提高工作效率。由于信息可视化的视觉传达越准确、合理，视觉思维便能够越快速、敏捷地对输入的视觉信息做出反应，由视觉思维完成的认知任务越多、越快，越多的认知成本便可分配到抽象思维活动中［8］，进而提高人们深度理解信息并做出决策的效率。在运维管理工作的过程中，在BIM模型下进行可视化信息检索，能够使物业管理人员迅速获取所需信息，增强其空间认知能力，发挥视觉记忆的优势［9］，指引其清晰、准确、高效地找到工作点进行作业。并且，通过特定需求的信息检索快速从海量信息中提取决策所需的相关信息，以三维可视化的形式展现在物业管理决策人员面前，能够大大缩短信息译码时间，形成视觉记忆［10］，辅助决策者做出决策。

因此，将信息可视化检索技术应用于物业管理中，能够有效提升机电工程维修决策及应急管理的效率和质量。

2　机电工程逻辑关系检索在物业管理中的应用

机电工程内的逻辑关系是物业管理工作中不可或缺的重要信息。机电工程由多个相互独立的子系统组成，包括给排水系统、暖通空调系统和建筑电气系统等，每个子系统又由各自复杂的管道或线路组成。管道系统、设备系统、检测系统等交互影响，相互联系，这增加了建筑设备维修决策实施的难度。为了改善机电工程系统日常维护维修管理质量，提高应急事件处理效率，需要建立机电系统内各设备管道等构件间的逻辑关系即上下游关系。在机电系统中，把某一构件的控制构件定义为其上游构件，其所控制的构件则称为下游构件。例如，在暖通系统中，风管的上游构件为风机，下游构件为风阀。由于建筑设备各组成系统的故障信息和控制信息之间存在或弱或强的逻辑关联性，所以，在日常维护维修计划制定及应急管理决策的过程中可以根据故障信息或控制信息之间的关联性对其进行分解，降低建筑设备系统结构的复杂性。建筑设备结构的复杂性一方面体现在某子系统出现的某种故障很可能是由于与其相关联的其他子系统或部件发生故障引起的。另一方面体现在某子系统的故障还会导致其他多个子系统或部件出现故障。因此，分析机电设备各构件间的逻辑关系对物业管理日常维护维修工作及机电设备应急事件处理具有重要意义。

2.1机电工程维修决策

机电工程维修决策的质量很大程度上取决于信息获取的充分性和准确性。在调试、预防和故障检修时，运维管理人员经常需要定位各类构件在空间中的位置，同时查询检修所需要的相关信息。信息获取越充分，越有利于运维人员制定维修方案和计划。传统机电工程运营维护的信息主要来源是纸质的竣工资料及二维CAD图纸，在制定维修方案或应急事件决策时，物业管理人员需要从海量的纸质文档及大量平面图纸中寻找相关信息，并且判断各机电构件间的逻辑关系，这一过程耗时耗力且很大程度上受制于物业管理人员的经验和素质，故障处理的速度取决于员工对系统的熟悉程度以及人员之间的沟通协调效率。据调查了解，一名新员工大概需要3个月时间才能熟悉一幢写字楼的一个机电系统，人事变动对物业管理公司的影响很大。一般来说，现场运维管理人员依赖平面图纸或其实践经验、直觉和辨别力来确定空调系统、电力以及水管等建筑构件的控制装置及位置，这些构件及设备通常位于天花板之上、地板下或墙壁内等隐蔽的位置，因而，对于具有一般经验的运维人员而言，设备的逻辑关系判断及定位工作是耗费时间且具有难度的。此外，在制定维修计划之后，运维管理人员很难判断维修的影响范围，往往不能及时通知受维修影响的业户，从而降低了业户对物业管理的满意程度。

BIM技术的应用很大程度上解决了这些问题。在故障处理或设备日常清洗保养时，一般物业人员均可利用3D模型快速查询检修保养所需的相关信息（如尺寸、型号、材质、检修保养记录等），直观地获取机电设备的位置，实现快速定位。并且，通过在BIM模型中添加机电设备之间的逻辑关系，物业人员能够快速检索受维修设备影响的所有设备，合理制定维修计划，准确判断采取相应维修措施后的影响范围，及时通知受影响的业户，提高维护维修管理质量和业户的满意程度。

2.2机电工程应急管理

机电设备间的逻辑关系是应急管理过程中需获取的重要信息。在现实操作中存在许多因不能迅速找到控制装置导致损失扩大的案例。在突发状况发生时，物业管理人员接到通知需要立刻搜集信息，迅速进行决策，采取相应应急措施，将故障或事故产生的影响和损失降到最低。应急决策所需的信息往往具有空间性质和逻辑推导性质［11］。传统模式下，决策人员在制定决策时能够借助的工具有限，可获取的信息往往来自员工经验以及图纸文件，人员之间的沟通效率和质量难以保障，决策响应的速度慢。例如水管爆裂等突发事件，由于管道错综复杂，阀门数量众多，并且可能位置隐蔽，没有经验的物业人员很难快速判断需要关闭的阀门，需要通过翻阅图纸来寻找阀门位置，往往因为不能快速地找到阀门或管道的布置图而使灾害得不到有效的控制。因而物业管理人员不得已采取关闭总阀的措施，这样扩大了故障的影响范围，造成损失的扩大。由此可见，实现3D模型下的逻辑关系检索对机电系统的应急管理具有重要意义。

利用BIM模型进行逻辑关系检索，协助物业管理人员进行决策及应急处理改变了传统的应急管理流程。当运维过程中出现紧急情况时，物业管理部门收到故障报告即可安排相关人员进入现场，确认故障点的位置，获取故障设备的相关信息，在BIM模型中检索故障点的控制装置即上游设备，对上游设备进行定位，快速找到实际位置。然后，还可进一步检索该上游设备所控制的所有下游构件，由此分析执行相应应急措施后，将会影响到的设备及区域，从而辅助应急方案的制定，及时通知受影响的单位。操作流程见图1。

图1　基于BIM的故障处理流程

3　可视化检索插件设计原理

实现物业管理阶段 BIM模型下的逻辑关系信息可视化检索，主要有几种技术路径。一是将BIM建模软件与现有的设施管理软件对接，前者包括Revit/Tekla等，后者包括FM:Systems/Maximo/ ArchiBUS等，这种路径要求建立统一的数据交换格式标准。二是重新开发基于 BIM 的运维管理软件，该路径对开发人员的素质、软硬件条件及市场调研能力方面的要求较高。三是通过对现有BIM建模软件进行二次开发，在现有的软件平台上，搭建构件间的逻辑关系，实现检索功能。鉴于后文案例特点、运维需求、软硬件条件及未来目标等，本文采用第三种技术路径，基于目前使用广泛的BIM建模软件Autodesk Revit 2016平台，开发了一款名为Search的插件，实现3D模型下的机电逻辑关系检索功能。插件的功能要求主要包括以下几点:

（1）应当保证数据库的有效性，即对模型中数据的更新和修改能够及时反映到信息检索使用的数据库中。为了实现该要求，本项目将Search插件建立在Revit软件平台上，其进行信息检索的数据库即模型中包含的所有参数信息，从而能够保证数据的实时性，因而满足了数据库有效性的要求。

（2）为了突出故障设备的控制装置及影响区域，要求插件具备将构件高亮的功能，即检索到控制装置时，能够在各个视图下将控制装置高亮显示，并提供将其余图元淡显的功能，排除视觉干扰。并且在Revit内切换视图时，构件应当始终保持高亮。

（3）该插件提供的检索功能应该是双向的，即不仅能够检索故障设备的上游设备，还能够检索与故障设备处于同一级别的所有设备，即受相同上游设备所控制的设备，从而辅助维修人员判断采取维修措施时受影响的区域范围，辅助维修方案的制定。Search插件活动图如图2所示。

图2　Search插件活动图

4　应用案例

案例项目为大连市某高档写字楼，占地面积7128m2，建筑面积 89585m2。地上 40层，地下 3层。写字楼机电工程系统包括供暖、通风、空调、给排水、消防、强弱电系统，同时具备楼宇自控管理系统。机电系统体量大，结构复杂。物业管理公司希望通过建立写字楼的BIM模型，提高物业管理的质量和效率，从长期运营的角度减少操作成本及管理成本。由此，本项目基于Revit软件平台通过物业管理公司提供的写字楼竣工图纸分别建立了该写字楼的建筑结构模型及机电系统模型，并将两个模型以连接（link）的方式在一个项目中显示。机电系统各构件的相关非几何类信息（如供应商、制造日期、型号等）在模型建立的过程中持续录入，供物业管理人员使用。

4.1机电模型逻辑关系的建立

为了实现快速搜索机电设备上下游关系，迅速定位控制故障设备的上游控制设备并查询故障影响范围，需要事先在软件内定义构件间的逻辑关系。建立逻辑关系遵循以下原则:一个设备可以有多个上游或下游设备；两个设备若具有相同的上游设备，则它们为同级关系；两个设备之间只有一种关系；若设备A是设备B的上游设备，则设备A不能成为设备B的下游设备。本项目以管道系统为例，在建成的机电信息模型中添加管道与阀门之间的逻辑关系。一个完整的管道系统被看作是有向链表，阀门是链表的节点，为一条管道添加直属上级，就是在链表中添加节点，利用链表算法，就可以快速查找某段管道的控制阀门。如一段管道需要更换，则可通过链表算法查找出受影响的其他管道。在Revit内通过给管道构件添加实例参数（instanceparameter）表达构件间的逻辑关系，参数类型为文本（text）格式，参数名称为“controlled by”，参数属性值为该管道上游阀门的ID值，若一段管道受多个阀门控制，则多个ID值用“，”隔开。

4.2逻辑关系可视化检索

根据需求分析设计的Search插件面板如图3所示，其包含两个命令:“Analysis”与“Highlight”。“Analysis”命令主要执行构件属性检索，根据所选管道的“controlled by”属性值找到其上游构件，并将其高亮。“Highlight”命令功能则是将其余未选中的图元淡显，辅助使用者清晰准确地找到机电构件的位置。

图3　插件面板

在日常操作中，遇到水管爆裂事件时，物业管理人员到达现场确认漏水点位置之后，在Revit模型的3D视图或平面视图中，选中漏水管道，点击“Analysis”插件将控制该管道的阀门在模型中高亮显示，之后，利用“Highlight”功能将其余管道及阀门淡显，排除视觉干扰，如图4所示。

图4　高亮显示控制阀门

此外，利用Search插件同时能够检索与漏水管道具有相同控制阀门的所有管道，供物业管理人员判断关闭控制阀门后受影响的区域范围，及时通知相关租户。操作步骤为:在3D视图或平面视图中点击“Analysis”，选中漏水管道，插件即将所有与该管道“controlled by”属性值一致的构件高亮显示，由此判断影响区域，将其余管道及阀门淡显，如图5所示。

图5　高亮显示阀门控制的管道

管道系统外的其余机电设备系统内的上下游设备检索同样遵循上述操作流程。利用 BIM信息模型及Search插件进行机电系统的逻辑关系检索，对物业管理人员日常的维护维修工作以及应急突发事件处理带来了明显的效率提高。

4.3反馈评价

经物业管理人员对Search插件进行测试，获得了一些反馈。利用BIM模型及Search插件进行机电系统内的逻辑关系检索相较于原有的工作模式在搜寻控制装置时间、应急决策及实施速度、熟悉机电系统时间等方面具有显著优势，见表1。

表1　工作模式特点比较

传统模式下故障处理效率低，大多数情况下依赖于员工的经验，故障处理的速度取决于员工对系统的熟悉程度以及人员之间的沟通协调效率。新员工主要通过现场观察各个系统，辅以图纸记住主要设备控制装置的位置。而利用BIM模型及 Search插件进行故障处理或设备日常维护维修时，一般物业人员均可利用模型快速查询检修保养所需的相关信息，如尺寸、型号、制造商、检修保养记录等，同时利用 Search插件在模型中检索机电设备的上下游关系，快速定位故障点的控制装置，减短搜寻控制装置的时间，直观判断影响区域，及时通知受影响的业户。

此外，物业管理人员提出了一些改进意见。一是建立机电设备间的逻辑关系，需要事先查询设备的 ID值，并给设备等构件添加参数，输入其上游设备的 ID值。该过程较为烦琐，在超大型项目中需要耗费大量时间。因此，如何更加高效地建立机电设备间的逻辑关系，缩短前期工作的时间有待深究。二是由于建筑设备维修策略的确定及备件供应商的选择需要各种基础数据，比如建筑设备的基本信息，供应商基本信息以及建筑设备的运维数据等，为了辅助维修决策和应急事件管理，需要实现各数据库之间的信息共享。若能够从商业地产开发商的供应链管理系统（Supply Chain Management System，SCMS）、客户关系管理系统（Customer Relationship Management System，CRMS）等系统中将数据导入Revit软件，实现信息整合，则能更好地辅助机电设备的维护维修管理及应急管理，提高物业管理的质量和效率。

5　结语

将建筑信息模型应用于建筑物运营阶段大大提升了物业管理工作的效率和质量，在BIM模型中检索机电构件间的逻辑关系充分结合了信息可视化及信息检索的优势，帮助物业管理人员理解复杂的机电系统，增强人员的空间记忆，快速查找定位机电构件的上下游设备，制定日常维护计划，缩短应急决策时间。本研究还适用于其他具有逻辑关系的机电系统，如市政管道应急维修、大型复杂工程设备系统管理等方面。本文的研究为BIM在建筑物运维阶段的应用提供了一个思路，其在运维阶段更大价值的发挥还有赖于 BIM的本土化发展及统一数据交换格式的建立。

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BIM-Based Logic Retrieval of MEP Systems

CHEN Si-qi1，ZHENG Ji-chun2，BI Ke-hai3，ZHANG Peng1
（1. School of Investment & Construction Management，Dongbei University of Finance and Economics，Dalian 116025，China，E-mail:c8742442@126.com；2. Lingdianrongyuan Consulting Co. Ltd，Dalian 116011，China；3. DTZ Dalian Branch，Dalian 116011，China）

The management of MEP systems is an important part of facility management in the large commercial and public buildings. Traditional facility management are normally based on the experience of property personnel and 2D drawings，which causes inefficiency in daily work. This work is based on the semi-structured interview and case study method，it focuses on setting up logic relationships among MEP objects in the BIM model，using a search add-in to accomplish logic retrieval in 3D environment. The ability of extracting and analyzing views from BIM，specific to various needs and users，will improve the accuracy and efficiency of daily maintenance and emergency repair.

BIM；MEP；information retrieval；facility management

TU17

A

1674-8859（2016）04-132-06

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.025

陈斯琦（1993-），女，硕士研究生，研究方向:工程管理，建筑信息模型；

郑吉春（1976-），男，工程师，研究方向:工程咨询，工程造价；

毕克海（1981-），男，工程师，研究方向:机电工程，物业管理；

张 鹏（1993-），男，硕士研究生，研究方向:工程管理，建筑信息模型。

2016-06-18.