基于BIM的建筑运维管理系统研究

2018-04-24马小军

现代建筑电气 2018年3期

陈冲, 马小军, 王珍

(1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司, 江苏南京 210006;2.南京工业大学电气工程与控制科学学院, 江苏南京 211816)

0 引言

近年来,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术在国内外建筑行业得到了广泛的关注和应用,正积极推动着建筑行业向信息化的方向快速发展。特别是住房与城乡建设部在发布的《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》中提出要在＂十二五＂期间基本实现建筑企业信息系统的普及应用,加快推进BIM技术在建筑行业的推广使用。目前有关BIM技术的应用大部分还是在项目的设计阶段、施工阶段,很少涉及后期运维阶段。伴随着BIM技术的成熟,越来越多的人关注BIM技术所带来的更深层价值——延伸BIM技术到建筑运维管理中。由于BIM模型可以集成建筑项目全生命周期的数据模型,其参数化和无损共享的数据特性使得其在建筑设计、施工阶段中得到广泛应用,并产生较大的应用价值,对BIM技术在建筑运维阶段的落地实施带来很好的示范作用。

建筑运维管理是对建筑物和其内部的设施进行运行维护和管理,故也称为建筑设施管理(Facility Management,FM)。目前,FM定义尚未形成统一的标准,其中被广泛采纳的主要是国际设施管理协会(IFMA)关于FM的定义:“FM是以建筑设施及其组成的整个系统为研究对象,通过运用各种技术和组织措施来对设施从规划、设计、制造、购置、安装、使用、维修、技术改造、更新直至报废的整个全生命周期进行全过程的管理[1]”。

将BIM技术运用在建筑运维管理过程中,克服传统的运维管理方法存在的抽象管理缺点,让用户清晰、直观地了解运维的对象。同时由于BIM模型中包含的全生命周期的数据信息和提供的三维视角可以很好地帮助管理方改善运维流程,降低运维成本,提升运维的效率。

1 BIM运维模型构建

贯穿于建筑全生命周期的BIM模型是一个被逐渐循环利用和增量附加的过程,同时也是从设计阶段到施工阶段再到运维阶段不断逐步深化,但是由于各个阶段BIM模型的应用场景不同,使各个阶段的BIM模型都有其关键的要素和特征。相较于设计和施工阶段,运维阶段的BIM模型更关注模型数据的提取和模型视图的应用,因此当BIM模型从施工阶段交付给运维阶段使用时,要保证交付的BIM模型具有几个关键要素[2]。BIM运维模型构成要素如图1所示。

图1 BIM运维模型构成要素

BIM运维模型构成要素说明如表1所示。

表1 BIM运维模型构成要素说明

BIM模型在不同阶段为不同使用者所使用,在使用过程中对BIM模型的要求也各不相同。按照上述模型要求,从施工阶段交付过来的竣工模型往往会包含很多施工信息,这些信息在运维阶段通常不会被使用到,但这些多余信息会大大增加模型的数据量,同时如果不对这些冗余信息进行处理,不但造成模型过于复杂,还可能由于信息冗杂而干扰到系统功能,并且许多关于建筑运维管理需要的模型属性信息在模型中又不具备。所以,有必要根据运维阶段的具体需求对BIM竣工模型进行优化处理,这样建立的BIM运维模型才能满足运维管理的需求。

目前,BIM竣工模型的优化处理方法主要有2种:Autodesk公司的Navisworks软件,基于WebGL技术的BIM模型轻量化工具。其中Navisworks软件可以很好兼容包括Revit在内的多种常见BIM模型格式,且处理操作简单,能够满足一般的处理要求,是当前普遍使用的模型优化处理方法[3]。

当BIM竣工模型提交给Navisworks软件时,利用Navisworks对模型进行转换和创建,可以得到适合于运维管理的模型对象,这些对象能满足运维的一般功能要求。Navisworks软件对交付的模型优化处理流程如图2所示。

图2 Navisworks软件对交付的模型优化处理流程

由图2可知,利用Navisworks软件优化处理得到的BIM运维主要包括运维对象、视点视图、参数属性和系统结构树4部分,其中运维对象和系统结构树是Navisworks软件自动转换生成,视点视图和参数属性则是利用Navisworks软件中工具模块创建得到。模型转换和创建过程简单说明如下:

(1) 运维对象。运维对象是利用Navisworks软件对交付的BIM竣工模型按照运维管理的需求进行重新设定和组合的,过程是自动转换完成的,不需手动操作。BIM运维模型中的变压器运维对象如图3所示。

图3 BIM运维模型中的变压器运维对象

(2) 视点视图。模型视点视图创建是为更好地进行建筑内设施和空间的表达。将创建的视点视图与运维对象相关联,这样后期在运维过程中查找和定位显示运维对象时依靠建立的这些视点视图。模型中创建的部分视点视图如图4所示。

图4 模型中创建的部分视点视图

(3) 参数属性。在运维过程中的模型数据信息不仅会包括静态数据信息,也有后期运维过程不断添加的信息。模型中的静态信息可直接使用,而添加的运维信息则需通过创建参数模板进行录入,同时还要通过编码来实现数据关联,进而实现模型与数据的双向互动。

(4) 系统结构树。系统结构树建立是对模型对象进行编码和组织的过程,也是数据创建的核心环节。系统结构树可以将相同属性的模型构件归纳在一起,有利于进行统一管理和使用。通过结构树中每个对象指定合理的视点视图和属性模板,这样在运维平台中通过选择结构树中的对象就能实现定位显示和信息展示。模型中的系统结构树如图5所示。

图5 模型中的系统结构树

2 模型信息分类编码

建筑全生命周期过程中涉及大量的数据信息,如何在运维阶段有效地存储与管理这些模型数据信息是保证系统功能实施的基础,而其中最有效的方法就是对这些模型信息进行分类编码,只有在统一的信息分类编码标准下,才能将不同数据来源和不同数据格式的数据传递共享给运维系统,为系统的具体功能模块服务。本文在对模型信息分类编码时主要参考OmniClass标准,同时结合国内相关研究成果,制定模型信息编码规则[4]。模型信息分类编码规则具体说明如表2所示。

表2 模型信息分类编码规则具体说明

按照上述的分类编码规则,选取建筑-1F空调设备机房中的螺杆式冷水机组进行编码,则该设备编码为BG-1#KT01NT10030902001,同时借助Revit软件将该编码添加到对应的BIM运维模型对象中,同理依次完成对运维管理过程中所需的模型对象进行信息分类编码。添加空调螺杆式冷水机组编码后的效果如图6所示。

图6 添加空调螺杆式冷水机组编码后的效果

3 模型信息交换

利用BIM技术对建筑进行运维管理的重要基础就是要保证BIM数据能够按照一定的标准进行信息交换,而施工运营建筑信息交换(Construction Operations Building Information Exchange,COBOE)标准就是为运维阶段的信息交换而产生的数据标准,旨在考虑未来建筑由设计施工阶段向运维阶段交付时进行运维管理所交换的信息,对建立一套高效的建筑运维管理机制提供帮助[5]。

通过COBOE标准交换的数据信息通常包括设计阶段由建筑师提供的楼层、空间或设施布局等信息和施工阶段由承包商提供的设备序列号、参数、安装信息等,同时在运维阶段还可添加设施的运维信息,这样利用COBOE标准交换得到的信息将会包含建筑全生命周期各个阶段的信息,有利于支持管理人员在运维阶段对建筑进行更好地运维管理。COBOE信息交换流程如图7所示。

COBOE标准在进行信息交换时可提供3种不同格式的数据传递方式,分别为ifcXML、Excel表和STEP。因此,管理人员可根据需要选择合适的数据格式,不会存在数据传递困难的问题。

图7 COBOE信息交换流程

但目前被广泛使用的COBOE数据格式主要是前面两种,这是因Autodesk公司分别针对这两种数据导出格式开发相应的插件工具,分别为“IFC Export”插件和“Cobie Extension”插件,虽然“IFC Export”插件相比于“Cobie Extension”插件不需要进行插件单独安装,但是其数据导出操作的设置却比“Cobie Extension”插件复杂很多,同时“Cobie Extension”插件中的诸如动态分区管理功能都是“IFC Export”插件所不具备的,而这些功能对于建筑运维管理又是非常重要,并且利用“Cobie Extension”插件导出的Excel格式的模型数据可以很方便地转存到Access数据库中,因此比较推荐选择“Cobie Extension”插件来进行Cobie数据交换。Revit软件加载的“Cobie Extension”插件如图8所示。

图8 Revit软件加载的“Cobie Extension”插件

利用Cobie标准在对BIM进行交换时,虽不能将BIM模型中完整的数据信息进行导出,但其交换出的却都是运维阶段所必需的数据信息,且这些数据信息对运维阶段的建筑设施描述更具体、更全面。同时Cobie标准按照Excel数据格式导出后的数据信息可直接转换存储到运维数据库中(用于实现系统的功能),所以Cobie标准对于改变传统建筑运维阶段的数据信息交换模式具有一定优势。利用“Cobie Extension”插件在进行模型信息交换时,需先对插件的参数进行设置。Zoom Manager设置界面如图9所示。在设置全部参数后,就可将BIM模型中所需的数据信息导到Excel表中。

图9 Zoom Manager设置界面

4 基于BIM的建筑运维管理系统设计

4.1 系统功能目标

建筑按照使用功能的不同,可分为办公建筑、商业建筑、交通建筑,如火车站、汽车站等,由于使用对象和建筑用途的不同,在建筑运维管理过程中对相关功能的需求和管理目标的选择各不一样。建筑运维管理系统的功能划分主要包括空间管理、资产管理、设备管理、公共安全管理、能耗管理、合同管理、用户管理等。其中商业建筑可能更侧重于空间分配的空间管理、区域租赁的用户管理和合同管理,以及在紧急情况下人员疏散和视频监控的公共安全管理等;对于办公类建筑,比较关注其在使用过程中对设备的折旧和维修等资产管理、设备管理、系统人员管理相关问题。所以,在进行建筑运维管理系统设计前应先根据建筑物类型来分析其功能的侧重点,确立其所需的管理目标,使得运维管理系统的功能选择更具针对性,且管理效率更高[6-7]。

选择的研究对象为办公楼建筑,同时结合该建筑在竣工后实际使用时的功能需求,确立构建的运维管理系统的系统功能模块。系统功能目标设计如图10所示。

4.2 系统框架结构

基于BIM的建筑运维管理系统要满足多层次、分布式的结构设计,由上到下共分为4层,分别为模型信息层、数据库层、系统应用层、用户界面层。系统框架结构模型如图11所示。其中最底层的模型信息层是BIM运维模型信息与运维业务数据的集合,主要提供设备和设施的属性信息、几何空间关系等。数据库层主要是对下层的数据进行采集、存储,并保证数据能够在系统与模型之间实现共享。在数据库层基础上建立的系统应用层直接面向用户,主要根据用户管理的不同功能需求来开发的系统平台,因此系统主要的功能模块都集中在该层。通过在电脑中安装客户端管理软件,对建筑运维进行查看与管理,并通过在客户端中人员设置权限的方式对系统中的各项功能进行查询,并进行录入、统计和显示等操作。

图10 系统功能目标设计

图11 系统框架结构模型

5 系统开发与案例应用

在上述相关理论研究基础上,通过搭建系统开发环境,同时结合选取的实例来对系统的部分功能模块进行开发。南京某办公楼建筑已建成并投入使用,建筑总面积约为36 000 m2,建筑高度为36.7 m,包括地下2层和地上9层。办公楼建筑BIM运维模型如图12所示。

图12 办公楼建筑BIM运维模型

通过Navisworks软件平台,开发基于BIM的建筑运维管理系统,选择C#语言作为系统开发语言,同时借助Navisworks软件提供的API接口来实现对系统插件的加载。Navisworks附加模块中加载的系统启动按钮如图13所示,当点击该按钮时就可启动外部管理客户端。

图13 Navisworks附加模块中加载的系统启动按钮

根据搭建的上述系统开发环境,对系统的功能模块进行开发,以下就系统几个关键功能模块的实现方法和运行效果进行说明。

(1) 三维可视化。主要利用Navisworks软件创建的模型与设备视点及漫游过程来实现建筑空间与设施的三维可视化。同时由于Navisworks软件还提供属性查看,管理人员就能同步查看设施的属性,如安装位置等信息。“烟感报警器”三维可视化浏览如图14所示。通过借助三维可视化功能,用户能够更加直观、方便、快速地进行浏览,更精准、高效地查看建筑信息。

图14 “烟感报警器”三维可视化浏览

(2) 设备管理。设备管理是系统的主要功能之一,主要包括设备信息管理和设备故障管理两部分。其中设备信息管理用来对建筑内的设备信息进行汇总统计,并提供信息查询模块,方便用户对设备进行查找等操作。设备信息管理功能界面如图15所示。设备故障管理功能除了完成设备故障基础信息和设备故障维修信息管理外,还提供设备故障信息的统计。设备故障管理界面如图16所示。