基于建筑信息模型技术的地铁建设期设备管理平台研究

乔 峰

(上海市地下空间设计研究总院有限公司,200020,上海∥工程师)



基于建筑信息模型技术的地铁建设期设备管理平台研究

乔 峰

(上海市地下空间设计研究总院有限公司,200020,上海∥工程师)

研究了地铁项目针对建设周期内基于BIM (建筑信息模型)技术应用的设备管理平台的开发路线。分析了该平台的开发需求，介绍了该平台的业务流程架构;阐述了BIM可视化及设备模型与数据分离处理的工作原理和流程，介绍了设备ID及二维码以及云架构和云计算的应用;描述了该平台的主要功能模块设计。该平台的开发融合了BIM和信息技术的应用,通过设备管理平台对地铁设备的采购、到货、验货、安装、调试、验收进行全过程可视化的跟踪管理和资料记录,在交付运营时形成设备完整的BIM模型和关联设备履历数据,可用于地铁运营的设备资产管理。

地铁; 建筑信息模型; 设备管理平台

Author′s address Shanghai Underground Space Architectural Design & Research Institute,200020,Shanghai,China

在城市轨道交通建设项目中,机电安装涉及的设施设备种类繁多。一般情况下,1条地铁线通常有几十家主要设备供应商及超过1 000种电气设备。设备的采购、到货、验货、安装、调试、交付运维等的过程管理控制及数据资料管理,对城市轨道交通建造方来说，已成为一项科学统筹的系统性工作。

在BIM (建筑信息模型)技术逐渐普及到地铁建设的背景下,将BIM技术与信息技术结合，将流程管理程序化，文档资料数字化，开发一套满足业主管理需求的地铁建设期设备管理平台(以下简为“管理平台”),既能提高各方在建设期的管理效率,又能用于对后续运营维护部门的设备数字化交付。

目前,管理平台已完成开发，并已投入某轨道交通建设项目进行试用。这为各设备厂商在线提交BIM设备族，为各方管理设备安装过程，为业主收集设备资产信息提供了可靠的管理平台。

1 需求分析

越来越多城市的地铁业主要求设备供应商在供货时提交设备BIM族,并在BIM族的属性信息中附加详细设备参数。这些设备族会发放给设计及施工单位用于创建BIM。相关设备参数信息还可用于后续的设施设备运营维护管理。使用BIM技术,可在虚拟的BIM中调阅设备模型和信息,对设备进行可视化管理。

虽然BIM和BIM软件可实现设备模型和信息的记录检索,但还难以实现管理数据的过程流转。设备的生产、运输、到货、安装及验收等环节的管理过程和信息流转存在的难题,只有开发针对性的管理平台才能解决。这就需要将设备BIM及数据导入管理平台,通过管理平台的应用流程实现对业务流程的管理,从而解决建设期设备管理的“信息孤岛”难题[1]。

2 管理平台的业务流程架构

管理平台的业务流程设计取决于平台的参与方组织架构及工作流程。

管理平台参与方有BIM咨询单位、设备供应厂商、施工单位、设备监理和运营公司。管理平台开发业务流程见图1。BIM咨询单位需在早期编制发布设备BIM族的创建标准,以指导各设备厂商提交标准统一、信息完整的设备族库,并将族库上传至管理平台。BIM咨询单位审核通过的族库在管理平台中对机电施工单位开放下载,并由机电施工单位使用族库接力完成BIM机电施工深化模型。机电施工深化模型可真实反映现场施工精度,不仅能解决管线碰撞问题,还能把设备BIM族准确置于模型位置并与设备相关信息关联。机电施工深化模型可导入管理平台,用于开展机电施工阶段的管理平台业务流转,实现施工过程记录和填报。在竣工验收时,管理平台所包含的模型和数据会整体数字化地移交给运营公司。其中包括数据接口,以实现后续运营维护系统对建设期设备数据的调用。

图1 管理平台开发的业务流程简图

3 系统设计与实现

3.1 基于WebGL技术的BIM可视化

建模完成的BIM在Web浏览器中进行轻量化三维显示和控制,是管理平台实现可视化的重要基础和技术难题,也是实现B/S(浏览器/客户端)平台架构的前提条件。

WebGL技术是现在最前沿的Web交互式渲染3D图形技术,不需安装插件即可支持各类网页浏览器,还可利用底层的图形硬件加速进行渲染,使用HTML5语言编写网页代码即可实现3D图像展示,其具有广阔应用前景和发展潜力。

IFC4格式标准[2]不只是停留在理论上的概念,其对IFC格式对象实体的重构显示都进行了规范[3-5]。同时,OpenBIM软件也提供了很多WebGL技术重构IFC格式模型[6]的开源资源(如BIMServer软件及BIM-surfer软件)。开发人员在开源BIMServer和BIM-surfer基础上进行再开发,让IFC格式模型经过解析后在浏览器中重构为WebGL图形[7],从而实现Web页面模型的交互操作以及与后台数据的关联。

BIMServer是与BIM surfer配合使用的。BIMServer可将IFC数据解析为JSON (Java Script Object Notation)格式文件,JSON格式是一种轻量级数据交换格式,是使用可读文本传输“属性-对应值”数据对象的开放标准格式,可处理JavaScript和Web服务器之间的数据交换。通过BIMServer作为串行服务将IFC中的图形和信息转换为JSON文件,为下一步的模型与数据分离提供条件。BIM-surfer是基于WebGL标准SceneJS 3D引擎的开源浏览器应用,可让浏览器将JSON文件解析并展现为三维模型。IFC文件的数据重构流程见图2。

图2 IFC文件的数据重构流程

3.2 设备模型与数据分离处理

IFC标准较复杂，难以掌握。而管理平台采用图形与数据分离处理的模式,其独立的数据库处理能更易于被开发人员控制并用于管理系统开发[8]。在IFC数据转化为JSON文件后,JSON文件中的参数信息被初始化为独立的后台分布式数据库。该数据库用于根据业务流程进行的数据流转,可通过由IFC继承的设备唯一ID(专属号码)保持与图形对象的关联,并且在需要时可通过再开发的BIMsurfer软件调用Web图形显示。同样,也可在图形显示中调用后台数据信息以使选定图形模型显示信息。在业务管理中所需要的其它数据库(如设备管理数据、角色用户数据及流程关系数据等),都可由开发人员另外建立分布式NOSQL数据库(非关系型数据库)配合使用。设备模型与数据的分离处理流程见图3。

图3 设备模型与数据的分离处理流程

3.3 设备ID及二维码应用

在管理平台中,用户Web界面下的设备虚拟模型与实物外观一致。虚拟设备的参数信息可通过设备ID来后台数据库查询检索。设备状态(是否生产、是否到货、是否安装…)、经手人、经办时间、过程问题及验收文档等相关数据都储存在后台数据库,且可使用设备ID在管理平台进行检索查询、输入填报。

现场设备实物上张贴了二维码。此二维码与设备ID关联且唯一[9]。现场人员使用手机等移动设备登陆管理平台后[10],扫描设备实物的二维码即可完成在虚拟模型中定位设备、查询后台数据及进行填报等工作。

管理平台在轨道交通项目试用时,设备BIM族模型由设备厂商提交,且须按设备实际安装位置进行一一对应的排列放置。例如,交付10面相同规格的电气柜时,首先需在提交的BIM族模型中对这10面电气柜进行一一建模，并摆放到准确位置；然后，为每面电气柜对应填入设备ID和其它参数。在交付电气柜实物时,柜身必须张贴与设备ID对应的二维码。这样就实现了模型中设备ID与实物二维码的一一对应。

设备ID和二维码是一串机器可识别的长串码。设备ID的定义规则一般按设备专业、安装位置及设备商编号等条件设定,以确保每个设备ID的唯一性。

通过二维码与设备ID的串联(见图4),可将虚拟设备模型与设备实体关联,让现场的设备管理工作延伸至信息化管理平台,大幅提高了工作效率。

图4 设备ID和二维码的应用

3.4 云平台架构与云计算

设备管理的业务流程涉及多家不同单位、不同位置场所的使用,故应满足手机移动端的接入需求。因此必须采用B/S架构，并使用兼容性强的HTML5技术开发用户界面。

管理平台系统架构自上而下分为数据层、服务层、应用功能层和界面层(见图5)。

图5 云平台整体架构图

在前期准备阶段,通过审核的模型转为IFC文件导入平台处理为JSON数据文件,并被进行图形与数据分离的初始化处理。数据层储存图形和信息数据,使用MongoDB数据服务以NoSQL文档数据库存储用户信息、文档信息、过程信息和设备参数信息等。服务层包含使用GoogleGolang语言开发的业务管理Web应用,对数据层的各类数据进行提取和处理;使用BIM surfer再开发的WebGL图形处理应用,对三维图形进行Web端展示控制。应用功能层利用服务层提取和加工的数据,实现不同角色用户对不同工作的业务处理,并与模型图形进行互相调用。界面层使用HTML5技术完成界面UI设计,让用户通过计算机或手机移动端接入服务器,通过对应的用户界面完成平台操作。

以NoSQL文档数据库分布式处理各类JSON数据文件,充分体现了分布式云计算的概念。整个管理平台服务器端可部署于阿里云或其它云平台,只需投入很少的服务器管理资源便可获得强大的数据处理能力。当然如有保密要求也可独立部署。

4 设备跟踪管理方法和功能设计

管理平台主要服务于项目的建设方，故设备跟踪的主要环节为设备到货、安装、调试及验收。在每个环节的交付签收时,参与方应使用本平台,通过二维码找到对应的虚拟设备，并填报作业过程信息。

服务器接收所有填报数据,并进行汇总分析,形成总体进度统计。还可为管理者提供各类分析报告,并对出现问题的环节提供预警报警、原因查询、资料检索等功能。具体的管理平台功能模块设计见表1。

表1 管理平台主要功能模块

5 结语

BIM可视化和数据库技术,实现了城市轨道交通项目使用云技术进行可视化设备管理平台的开发,并投入实际项目进行了试用。通过该管理平台在厦门轨道交通项目中的应用,实现了设备供应商对设备BIM族和设备信息资料的信息化填报,解决了设备安装过程中各方过程管理的信息化难题；通过二维码串联实现了设备的虚实结合，实现了对设备实体的云端模型虚拟可视化,实现了手机移动端的接入操作。在移交运营维护阶段,本平台“模型+数据”的服务器端数据可整体移交[11],通过数据接口为运营维护系统提供接入,作为运营维护系统设备可视化管理的模型和数据来源,实现对运营维护的数字化竣工移交。

该管理平台开发路线充分考虑了BIM国际标准IFC的兼容性以及开发技术的先进扩展性,不仅可用于设备管理平台的开发,其开发思路和成果还可继续用于“基于BIM的施工管理系统”等更大规模的平台开发中。

[1] 张洋.基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D].北京：清华大学,2009.

[2] 周成.基于IDM的建筑工程数据交付标准研究[D].上海：上海交通大学,2013.

[3] Building SMART Organization.IFC4 Reference view specification:S1001[S/OL]. (2015-10-07)[2017-05-03].http://www.buildingsmart-tech.org/specifications/ifc-view-definition/ifc4-reference-view.

[4] Building SMART Organization.IFC4 Design transfer view specification[S/OL].(2015-10-07)[2017-05-03].http://www.buildingsmart-tech.org/specifications/ifc-view-definition/ifc4-design-transfer-view.

[5] 毕湘利,陈鸿,赖华辉,等.基于建筑信息模型(BIM)的城市轨道交通设施设备分类和编码研究[J].城市轨道交通研究,2016(1):5.

[6] 王勇,张建平,胡振中.建筑施工IFC数据描述标准的研究 [J].土木建筑工程信息技术,2012(4):9-15.

[7] 秦飞巍.基于语义的异构三维CAD模型检索 [D].杭州：浙江大学,2014.

[8] 李犁.基于BIM技术建筑协同平台的初步研究 [D].上海：上海交通大学,2012.

[9] 胡振中,陈祥祥,王亮,等.基于BIM的机电设备智能管理系统 [J].土木建筑工程信息技术,2013(1):17-21.

[10] 马智亮,张东东,青舟,等.基于移动终端和既有信息系统的地铁工程施工现场物料管理系统[J].施工技术,2012(16):5-9.

[11] 张川,刘纯洁.城市轨道交通建设现场管理信息系统研究及应用 [J].城市轨道交通研究,2014(8):1-4.

Research of Equipment Management Platform Based on BIM Technology in Metro Construction

QIAO Feng

The development roadmap and feasibility of equipment management platform used in metro construction period are studied,requirements for the platform development are analyzed.The business process architecture of the platform is introduced,including the visualization of BIM,the working principle and separation process of the equipment model and recorded data,the equipment ID and two-dimension code, Cloud architecture and Cloud computing,as well as the design of the main modules.The system development uses BIM technology and information technology for visual tracking of the data and the whole process management,including procurement,delivery,installation,debugging and acceptance,in order to complete the BIM model which contains all of the associated equipment information data at the time of delivering to operation teams.Therefore,this platform can be used for the asset management in metro operation period.

metro; BIM (building information modeling); equipment management platform

TU71:U231

10.16037/j.1007-869x.2017.06.017

2016-12-27)