基于BIM的智能建筑的动态信息扩展

王剑 贺海斌

【摘 要】建筑信息模型（BIM）是当今建设行业中的技术热点，用于支持建筑物各专业在其全生命周期内的协同决策。针对智能建筑物与普通建筑物在设计和运营阶段的差异，探讨了BIM技术在智能建筑中的应用，因传统的BIM解决方案由于其静态特性并未涵盖智能建筑技术的所有需求，提出采用动态BIM进行智能建筑的信息扩展，以弥补传统BIM在智能建筑物生命周期设计和运行阶段的差距。

【关键词】BIM；智能建筑；动态信息

中图分类号： F416.92；TU855 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.007

0 前言

本世纪人们所关注的全球性问题之一是世界对能源需求和可用能源消耗的巨大增长。在过去的50多年里，计算机性能提高了数百万倍。这两个因素的结合使得智能技术成为节约资源、提高人们生活舒适度的重要主题和可行的方法之一。智能技术的重要组成部分是智能建筑[1]。

对于当今的建设行业，我们有很多规范、标准和面向设计、施工、运维管理的辅助工具。其中一个强大而有广阔应用前景的工具是BIM（建筑信息建模）。然而由于其静态性质，传统BIM不能作为创建用于设计和运行智能建筑物的CAD系统的可靠基础。首先，传统的BIM是静态的，因为它们不能向我们展示发生在建筑物中的过程，它们只显示物理建筑特征。结果表明，对于智能建筑的可靠设计，我们需要建筑物的智能（建筑智能指数，BIQ）[2-3]和模型（MODEL），使我们能够模拟建筑物内的环境变化和居民活动以便于考核BIQ。 其次，传统的BIM是静态的，因为所有的模型更新都是由工程人员手动完成的。这在操作阶段非常不方便。因此，建筑模型可能已经过时并且不正确，使得它无法用于有效的设备管理。为了在建筑物生命周期的运营阶段支持决策，需要一个显示实际参数和过程而不是设计值的模型。

1 BIM的动态扩展

与动态建筑信息模型的利益相关者有：智能建筑解决方案的开发者； 设计师可以选择现有的一些智能建筑解决方案；建筑设备管理者；规范和标准的开发者[4]。

动态建筑模型可能对智能建筑解决方案的开发者有用。开发者应该以某种方式测试和验证他们的产品。显然，不可能在真实的建筑物中验证真实居民的所有情况。因此，智能建筑解决方案的开发人员需要建立一个模型，以模拟在建筑物中进行的过程，以测试和调试其算法。 除了测试功能要求（即由建筑物人工智能所做的正确决定的百分比）之外，动态模型还可以用作非功能（性能）要求的测试环境。性能是构建建筑智能的关键。如住宅建筑通常传感器触发和响应之间存在滞后，包括算法复杂性+网络延迟+硬件延迟。 这种滞后不应该太长以致不便居民。找到其中的原因，对住宅建筑内居民的舒适度进行改进。

设计师想知道如何为特定建筑选择最佳的智能建筑解决方案？要找到更好的方案，我们需要一个正式、理想的量化表达式来定义“最佳”。作为建筑智能的一种测量和评价，我们可以使用建筑智能指数。由于动态建筑模型可以模拟环境变化和居民活动，因此可以用它来计算BIQ。

设备管理人员在运营阶段需要可靠的近实时管理和监测功能。当然由于在设计阶段的假设不准确，建筑功能与预期略有不同。由于建筑物配备了因环境变化和人们活动触发的传感器和仪表，可以使用传感信息实时且自动调整建筑模型。因此，可随时看到建筑物正在发生什么变化。设备管理部门可以使用最新的信息来更有效地规划一些活动，例如特殊情况下的紧急疏散。特殊模块可以使用累积数据自动执行分析以检测设备故障。例如，某特定建筑区域尽管加热器始终工作在较高功率状态，但其温度长期低于正常水平，向修理组发送通知，说明检查的原因和特定设备。

因为动态模型反映了建筑物的实际状态和行为，并能根据各种因素解释建筑物状态的变化，所以建筑模型可以成为用于建筑设计的标准与其实际性能之间的桥梁。它可以在没有特殊检查的情况下判断设计规范的实际达成度，了解规范与工程现实之间的差距，最后确定标准以实现更好的建筑表现。

2 BIM和相关软件基础设备的动态扩展架构

如下图1显示了动态建筑信息模型和相关软件基础设备的组件级架构。

模型构建器接收关于建筑物的拓扑和几何信息来定义模型的静态属性。要定义动态属性，需要场景来执行建筑过程的模拟，接收包含有关环境变化和居民活动信息的情景。这种模拟可以被智能建筑解决方案的开发者用于测试和调试目的。此外，设计师还可以使用它来计算BIQ，这对于为特定建筑物选择最佳智能建筑解决方案至关重要。

在运营阶段，由于模型将使用真实设备的实际现场信息来更新其状态，因此不需要使用场景。作为一个始终保持最新状态的动态模型，它可以用于实时监控，这对设备管理人员非常有用。为了允许消息传递到某些目的地，消息解析被用来实现发布（见图2）。如今，硬盘容量已变得越来越大，允许存储大量的信息。我们可以利用它存储历史数据中的所有环境变化和真实设备的居民活动。历史数据的储存给了我们一些新的功能。

首先，历史数据可用于报告和分析目的。可能的分析任务的一个例子是预测故障检测。这些技术旨在按优先顺序安排维护，以防止意外的设备故障。它使设备管理更加透明。规范和标准开发人员可以从可从历史数据存储中检索的报告中受益。报告包含有关实际建筑物参数的信息，如果它们与设计值差别太大，并且差异不是由设备故障引起的。报告中还包含一些可能解释差异的上下文。规范和标准开发人员可以使用这些报告来调整旧规范文档和开发新文档。

其次，历史数据可用于智能建筑解决方案的回归测试。软件通常是反复测试的，通常是在每次反复测试和纠错之后，添加新功能并发布新版本的产品。引入一个数据存储，在我们拥有所有输入（事件）和输出信息的情况下，我们可以在每次系统更新之前轻松进行回归测试。我们可以使用历史数据来运行模拟，并检查所有子系统的工作性能是否更好，或者至少不会因处理不当比以前版本的产品差。如果由于某种原因系统性能变差，则不会安装此更新。

此外，历史数据可能是模拟建筑过程场景的良好来源。经过一些数据处理后，我们可以提取有关环境变化，居民活动和居民的偏好等信息。显然，对于正在设计的建筑，我们只需要从具有相同功能目的和类似特征的建筑物中获得场景。

最后，历史数据可用于支持建筑物運营阶段的决策。设备管理人员可以使用从存储中提取的场景来更改模型并反复分析某些局部运营中的故障，以便在实际生活中实际实施之前了解更改的工作原理。

3 结论

前述内容已经表明，传统BIM技术由于其静态性质而在智能建筑方面存在一些差距，本文提出BIM的动态扩展来填补这些空白。其主要特点是：动态模型能够显示在建筑物中发生的过程，在运行阶段，模型会自动更新并始终保持最新状态。存储保存建筑与环境相互影响的数据、住宅内居民的历史数据用于支持上一级决策。

【参考文献】

[1]李建成，王广斌.BIM应用·导论[M].上海：同济大学出版社，2015：10-27.

[2]丁士昭，等.建设工程信息化导论[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]李建成.数字化建筑设计概论[M].（第2版）.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4]张建平，等.信息化土木工程设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.