建筑机电设备BIM-SIM模型集成建模方法

魏 然， 閤桥露， 覃文波

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

建筑工程机电专业系统多而复杂，包括强电系统、弱电系统、给排水系统和暖通系统等。在设计、施工阶段，设计中的错漏碰缺等问题甚至进入施工阶段后才会被发现而进行临时更改，导致工程成本、工期等目标无法实现[1]。另一方面，在运营阶段，一般情况下建筑机电设备维护项目占总数的60%[2]，对安全有效运营起着至关重要的作用。因此，建筑工程机电专业对于一个工程项目的成功与否至关重要，且被认为是建筑业中风险最大的专业之一[3]。

应用BIM(Building Information Modeling)进行机电设备设计在国内起步的比较晚，随着BIM在MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing)领域的逐渐推广，应用深度也逐步增加，国内各大设计院、建筑公司及相关学者各自开展了在建筑电气专业方面的探索。根据国内BIM在建筑电气领域的应用情况文献汇总[4]，这些研究只是单位个体探索式的应用与分析，并没有形成系统的、共享式的应用成果与推广意见。目前，应用BIM的机电设备设计弊端在于：绘图功能有待完善，电器元件布置效率低，细节地方需要人工调整；平面图、轴测图及剖面图出图率不高，出图深度不足；设计说明、图例表、强弱电干线系统图目前无法绘制，电气设备末端细节难以表现[5]。因此，本文的研究重点在于如何利用辅助软件解决BIM在建筑电气领域的粗粒度建模问题。

1 建筑机电设备BIM-SIM模型概念

1.1 SIM的概念

系统信息模型(System Information Modeling, SIM)是描述利用适合的软件给复杂系统建模过程的通用性术语，产生于BIM深化发展的背景之下。具体来说，SIM是对连接系统(如电气系统、能源系统、通信系统等)的数字化表达[6]。SIM理念由I&E Systems提出，致力于提高石油和天然气行业领域的系统更换项目的精确性。该类系统具有高风险、系统内连接关系复杂等特点。基于对连接系统复杂关系管理的特点，SIM改变了传统设备管理的固有形式[7]。

构建一个连接系统的SIM模型时，所有实体设备及其连接关系的模型数据被储存在一个数据库里，且每个构建模型有且仅有一个。这样，系统信息模型和真实环境建立起了1：1的对应关系，可以大大减少信息冗余。SIM的代表性软件为Dynamic Asset Documentation(DAD)。

1.2 BIM-SIM模型集成的必要性

麦格劳-希尔建筑信息公司的调研[8]显示机电工程师采用BIM的比例少于暖通和结构工程师。部分原因可能是电力的基础内容相对较少，这方面对物理尺寸的要求也较少。但相比之下，建筑结构体系比较庞大、还有像管道之类的大型机械基础，有管道直径、间距及位置的要求。

虽然BIM的应用范围非常广泛，但是在扩大BIM模拟确定设计元素的技术应用上还有显著的提升空间。然而，机电工程师及承包商较少做机电设计建模的工作。由于机电设备中电器元件和缆线一般物理尺寸偏小，无法在3D环境中精确建模，无法完整的表达建筑机电设备的系统性，这极大地限制了BIM在机电领域的深入应用。

BIM是一个建设项目物理和性能的数字表达，是一种团队合作的平台，项目信息被集成在一个三维模型数据库中。而系统信息模型SIM则是通过点线表达对复杂系统连接关系的描述。在BIM三维模型中，可以观察到设备的三维形态，不仅可以明确建筑机电设备的区间位置，而且具体到其安装位置，进一步详细的展示设备与设备或建筑构件间的接口信息，并显示设备安装方式。而SIM的软件具备对线缆等建模的能力，比如说设备间关系信息。可以看出BIM与SIM的信息属性具有良好的互补性，两者的信息属性组合在一起可以构成设备运营管理的信息属性集合。

2 建筑机电设备BIM-SIM模型集成

2.1 建筑机电设备BIM建模

构建三维模型是BIM技术介入的基础。图1描述了机电专业及其他各专业三维模型建立的具体流程。首先制作各专业族文件，然后构建建筑结构初级模型，根据上下游信息分析，制作给排水、暖通、电气专业模型，各模型之间通过信息再协调，达到最终模型。

图1 各专业BIM三维模型建立具体流程

BIM建模是否规范将对最终模型的信息完整度、可识别性带来很大影响。BIM规范建模通常包括以下几个方面[9]：

(1)模型构件配色标准

建筑模型设计系统种类复杂，各类管线繁多，为了保证管线在模型中的可识别性和相互区分程度，以及与施工运维管理的要求相一致，通常需要制定一套完整的管线配色方案。

(2)建筑机电设备BIM模型的建模精细度(Levels of Detail, LOD)

BIM模型建模精细度过粗就不能包含全部信息，信息表达上就会有所欠缺，而太细的模型可能会使信息量过大，信息复杂甚至冗余，从而造成延迟交付。应根据建模精细度标准确定基于不同的管理目的，BIM模型应该包含哪些东西。

(3)文件命名要求模型编码

建筑信息模型及其交付物文件命名需要确保信息的可读性和管理的有效性(图2)。

图2 某地铁站设备模型编码

2.2 建筑机电设备SIM建模

SIM面对对象模型为机电设备的信息管理提供了一个有效的解决办法(图3)。与BIM模型的区别在于，SIM模型的表达方式是二维块与线的组合，实际上就是点、线的表达。

图3 1∶1关系与m∶n关系

2.2.1SIM设计的基本理念

基于SIM的工程设计，文件存档会同时进行。随着设计进度的加深，真实世界中的每一个设备都会在SIM中被建模并赋予唯一的标签名称，且设备模型带有“类型”和“位置”等属性。其中“类型”属性定义设备功能，“位置”属性定义设备在建筑中的位置。通过这样一个属性类，工程师可以在SIM模型中定位浏览信息。设备间的电缆和信号流则以“连接器”表示，其形状、宽度、颜色在不同场景中单独定义。为了方便设计，如设备模块、电缆的大小和规格等属性，可以分配给每个单独的对象。SIM数据模型如图4所示。

图4 SIM对象数据模型

该数据模型反映了SIM设计的三个最基本理念：

(1)购买安装和运营维护对象，即“What is it”；

(2)明确对象所处位置或者安装位置，即“Where is it”；

(3)明确连接关系，即“How is it connected”。

2.2.2SIM建模流程

SIM模型是由电器元件、功能特性、连接器三大元素组成，其建模流程也就是对这三个元素的定义及组合分配过程，具体包括以下步骤：

(1)机电设备元件及其功能特性定义：参照标准ISA-95，用树形层次结构表达。每一个机电设备元件的子目录下对应的是功能应用和功能模块；

(2)连接器定义：机电设备元件和其功能特性建立之后，模型中便会产生数据流或者数据链，即指包括物理模型上的机电设备元件连接器和逻辑模型上的功能特性连接器，且每个连接器带有明确的方向，以表示数据相互交换的过程。连接器作为系统之间的数据链，采用的是动态绘制方式，它反映了现实世界中电器元件之间真实的数据转换过程。数据转换的方式确立于详细设计阶段，且互不相关。如果在建模过程中发生了数据流，连接器的名称及其类型将会以MS表格形式导出，编辑然后导入到DAD模型中显示出来；

(3)预案情景定义：预案情景是由一系列运维管理次级系统的功能流程组成的。它是通过“拖、拉”方式将某一机电设备元件子目录下的功能点移至预案情景目录下，从而实现对某一运营场景的图表化模拟，实质上就是指物理上或逻辑上功能分配；

(4)用户定义：即解决功能权限分配的问题，与各阶段设计模型发布有关。

2.3 建筑机电设备BIM-SIM集成方法

基于BIM-SIM的建筑机电设备管理可实现对各类机电设备以及设备间逻辑关联的可视化管理，这就需要对设备及设备关系建模，具体实施方案如下：

(1)对各类设备及大型管件进行三维BIM建模，且建模程度需细化到机电设备组件，能够清楚地表现机电设备组件的所处位置；

(2)在DAD中，创建一个包含设备之间连接关系和设备系统布局的全设备系统虚拟模型；

(3)SIM与BIM模型集成：建立BIM模型数据与DAD模型数据的唯一连接。

BIM与SIM的模型构建与集成流程如图5所示：

图5 BIM与SIM模型集成方法

2.4 建筑机电设备BIM-SIM数据对接

BIM和SIM模型建立后，分别构建数据库。设备定义中设备ID可以作为BIM与SIM数据库的连接外键。通过识别设备唯一ID，BIM软件Revit和SIM软件DAD可以实现数据层面上的互相访问。

表1是部分BIM设备模型唯一ID与在DAD中对应的名称，本次集成的设备模型唯一ID以Revit编码为基准。

表1 Revit模型编码与对应的DAD模型名称

2.5 建筑机电设备BIM-SIM软件集成

本文中BIM与SIM的信息集成主要表现为软件Revit与DAD的集成。目前，以BIM为核心的软件集成方案按其集成广度不同可以大致分为两类[10]：

(1)接口集成，这种方案针对于两个不同软件系统或者模块通过软件接口形成连接集成，以达到对BIM模型中所包含建筑信息的传递，这种信息传递由于软件开放程度的限制有的可以做到软件之间的信息相互传递，有的只能做到一个软件对另一个软件的单向访问;

(2)系统集成：指以构建一个BIM信息系统为目的，将原本多个相互独立的软件组合在一起的集成方案，根据其集成深度，可以做到界面上的集成，更深层次的可以做到数据上的集成，所有软件模型所包含的建筑信息存储在一个模型里面，所有软件共享一个数据库，这样就形成了一个强大的信息集成和协调管理平台。

基于BIM-SIM的建筑机电设备管理应用根据集成使用环境，可以采用以上两种软件集成方式。

3 应用案例

地铁设备种类繁多、规模大、价格昂贵，其涉及线缆更是错综复杂，因此良好的运营维护管理是城市地铁管理企业需要面对的一项任务。为了实践BIM-SIM集成模型在建筑电气系统管理方面的应用，武汉地铁中南路站基于BIM-SIM的建筑机电设备全寿命周期管理模式(图6)，进行了车站电气模型的集成开发，可实现全寿命周期内的模型设计优化、设备及其缆线信息可视化施工管理和可视化运营管理等三大方面的应用。

图6 基于BIM-SIM的建筑机电设备全寿命周期管理

3.1 设计模式优化

在设计阶段，BIM-SIM工程设计依据武汉地铁中南路的总六册施工图纸，170张设计图纸，完成BIM的各专业完工模型构建，以及包括6050个电气元件和4690个连接器的SIM模型。BIM与SIM分别构建了自己的数据模型(库)后，通过识别对象ID来进行数据模型(库)连接，DAD软件开发者提供了调用DAD对象路径和检索DAD对象ID的脚本，以实现与BIM模型的信息传递。

所有图纸共享一个已建数据库，如果某一系统块需要修改，直接进入数据库修改就可以达到目的，效率得到了极大地提升。任何人对任何特定对象的任何修改都会被自动记录在系统中，以便日后的检查和验证，这样工程可以查询完整的历史记录，对比当前和历史设计版本，如图7所示。这种自动存档修改记录与历史版本查询的功能是项目各方提交设计反馈与接受模型信息更新的基础。

3.2 可视化施工

当设计达到可施工深度时，作为设计的数字化模型BIM-SIM会被发布给项目各方，如采购和施工专业。BIM工具与DAD把相关采购、施工信息(如待安装设备采购清单、设备与设备间的连接方式等)封装到BIM-SIM模型中。在BIM设备可视化的基础上，项目经理可清楚地了解设备的安装位置、安装方式以及设备与设备之间的接口方式，同时缆线信息的可视化使电缆的合理化管理成为可能，如图8所示。

图7 BIM-SIM的历史版本查询

图8 设备可视化安装信息

在施工过程中，如果BIM-SIM存在任何错误或遗漏，用户可以提交信息请求(Requests for Information: RFIs)给设计工程师以寻求解决方案。RFIs问题定位分为两种：(1)基于设备空间位置的的关系定位；(2)基于设备关系的空间位置定位(图9)。随着RFIs问题的发出与应答，工程设计师发布的设计模型发生局部变更，至项目竣工时，竣工信息反馈到BIM-SIM模型中。这样基于竣工信息发布的运营模型就与运营现场是保持一致的。

3.3 可视化运营

基于BIM-SIM设计发布、施工反馈后的运营模型适用于设备管理专业，其用户可以定义诸如测试、校准、检查、维修、局部变更和隔离等运营措施，并可以列入维护计划之中。

BIM-SIM模型具体包括如维护设备与缆线、设备区间分布情况及空间位置；设备系统之间的关系；设备间的关系；设备和缆线技术参数(运营手册)等。基于BIM-SIM的管理方式消除了设计数据、施工数据和运营管理数据之间的转换工作，这样既节约了大量的成本，也保证了数据的完整性。基于BIM-SIM的机电设备元件不仅按照专业系统进行分类，同时也进行了位置区间分类，运营维护对象不仅包括大型设备，同时也包括无明显几何尺寸的缆线，如图10所示。这样查询方式多样化，查询范围全面化。同时故障记录和维修记录功能可实时监测运营状态，基于此系统当前的状态可实时获取。

图10 设备缆线的运维信息

4 结 语

BIM-SIM与建筑机电设备管理契合性在于设备及其连接关系的可视化、全寿命周期内的信息即时存储以及信息的无障碍传递。设备管理是发生在项目全寿命周期内的一系列数据密集型的决策过程，其应从项目开始就开发数据库以储存和管理设备数据[7]。但是目前的设备管理却侧重于耗费大量成本与时间在项目完成时收集信息。而BIM-SIM在设计、施工、调试使用阶段不断记录设备信息，在保证了资产所有者利益的同时也提高了生产力和数据的完整性。

本文提出了结合SIM实现BIM在机电领域的应用方案，通过集成BIM与SIM模型，对建筑机电设备进行了包括设备关系、设备系统布局、设备及缆线等信息的完整表达。同时将基于BIM和SIM的建筑机电设备管理应用在武汉地铁中南路站的设计、施工、运营等三方面，为基于BIM-SIM的机电设备管理软件的开发奠定了基础。

[1] 高 远, 邓雪原. 基于BIM的建筑MEP设计技术研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2010, 2(2): 91-96.

[2] Zhou J, Love P E D, Matthews J, et al. Object-oriented model for life cycle management of electrical instrumentation control projects[J]. Automation in Construction, 2015, 49: 142-151.

[3] Hanna A, Boodai F, Asmar M E. State of practice of building information modeling in mechanical and electrical construction industries[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2013, 139(10): 47-54.

[4] 何清华, 钱丽丽, 段运峰, 等. BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J]. 工程管理学报, 2012, 26(1): 12-16.

[5] 杨群山. 利用Revit软件进行建筑电气设计出图的分析[J]. 福建建设科技, 2012, (5): 74-75.

[6] Love P E D, Zhou J Y, Sing C P, et al. Documentation errors in instrumentation and electrical systems: Toward productivity improvement using System Information Modeling[J]. Automation in Construction, 2013, 35(2): 448-459.

[7] Love P E D, Zhou J, Matthews J, et al. A systems information model for managing electrical, control, and instrumentation assets[J]. Built Environment Project and Asset Management, 2015, 5(3), 278-289.

[8] 哈维·伯恩斯坦, 斯蒂芬·琼斯, 米歇尔·罗素. 绿色BIM如何助力绿色设计和建造[J]. 土木建筑工程信息技术, 2015, 7(2): 20-36.

[9] GB/T 51212-2016, 建筑信息模型应用统一标准[S].

[10] 张 昆. 基于BIM应用的软件集成研究[J]. 土木建筑工程信息技术, 2011, (1): 37-42.