基于BIM的城市地下空间运维管理研究与应用

贺 晓 钢

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

城市地下空间开发利用“十三五”规划指出，到2020年不低于50%的城市完成城市地下空间开发利用规划，初步建立地下空间开发利用现状、规划建设管理、档案管理等综合管理系统，有效提升城市地下空间信息化管理能力［1］。地下空间作为城市地面空间的重要补充，将成为城镇化发展新阶段的必然需求。同时，城市地下空间管理的标准化、信息化、精细化水平将不断提升，逐步实现数字化、信息化管理。

在项目全生命周期管理过程中，运维阶段会持续几十甚至上百年，因此这一阶段的管理工作尤为重要。由于城市地下空间体量大，运维管理时间跨度大、周期长、内容多、涉及人员复杂，管理数据量庞大，因此，传统的运维管理效率相对低下［2］。

BIM技术作为革命性技术，已经成为城市规划、设计、建设、运维的重要基础，可用于项目设计、施工、运营和维护各阶段管理，实现项目全生命周期管理的各种功能需求。BIM技术的引入，不仅能够满足用户基本活动需求，增加投资收益［3］，还能够通过继承设计、施工阶段项目信息，实现全生命周期信息共享，提高信息准确性，并提供统一的管理平台，提升城市地下空间运维管理的效率。

1 城市地下空间特点

城市地下空间是指地表以下的空间，从城市现代规划和运维角度出发，可分为地下商业、地下交通、地下安防、地下管网、地下环境等几种不同业态［4］。城市地下空间的开发利用包含多专业，兼具地上和地下，同时注重各地下空间之间的联系性，打破传统地下空间给人封闭、孤立的印象，使之成为四通八达的联系性空间。

1.1 多专业、多领域、多学科交叉互补

城市地下空间工程涉及领域多、专业广，具有多领域交叉、多学科互补的特点。城市地下空间建设过程面临多专业协同交互要求高、信息交互数据量大、运维管理难度大等挑战。传统的工程建设与管理模式已经不能满足当前城市地下空间数字化、智能化、智慧化管理需求了。

1.2 空间复杂、互联互通

城市地下空间的互联互通主要包括：地下商业设施、地下通廊和通道、隧道和地下交通枢纽、地下综合管廊、停车场等的并轨连接以及地下空间与周边区域的衔接等。四通八达的城市地下空间兼具空间复杂、设备复杂、人流复杂的特点，其运维管理是整合人工、设备、环境等关键技术的系统工程科学。传统运维管理比较抽象，而基于BIM的运维管理能够克服这一缺点，进而实现城市地下空间信息模型管理的三维可视化。

2 运维管理系统的建设

基于BIM的城市地下空间运维管理主要串联三个关键要素：BIM+运维+城市地下空间管理。将各要素进行有效集成和应用，以“运维管理”为核心，对城市地下空间中的各项数据和信息进行全面和多方位的跟踪、统计、分析与预测，继而反馈出各项动态数据，进行城市地下空间动态运维管理，实现可持续应用。

BIM技术是实现信息有效管理的关键。通过“BIM+运维+城市地下空间管理”的思路，集成城市地下空间多项管理系统，突出“精细、智能、可视”的特点，建设一个集城市地下空间三维应用、设备设施管理、应急管理等多种运维管理功能于一体的城市地下空间管理系统。

基于BIM的城市地下空间运维管理系统建设应贯穿于项目的全生命周期，即：从项目开始阶段进行运维数据的集成和完善。通过将运维阶段的多源信息进行集成、分析、管理等操作，方便工程运维管理各方实时、全面掌握运维信息，实现运维管理工作效率和质量的显著提升。

2.1 系统功能建设

城市地下空间按照使用功能的不同可分为地下商业空间、地下交通空间（地铁站、地铁隧道等）、地下综合管廊等。针对不同的使用对象和用途，城市地下空间运维管理过程中对相关功能的需求和管理目标是不同的。

城市地下空间运维管理系统的功能主要包括空间管理、资产管理、设备管理、应急管理、能耗管理、安全管理等。其中，地下商业空间侧重于空间分配管理、用户管理和合同管理以及紧急情况下的人员疏散和视频监控的公共安全管理［5］；地下交通空间则比较关注使用过程中的建筑结构安全监测、设备折旧和维修等资产管理、设施管理；地下综合管廊关注点则在于空间内各类管道及设备的正常运行管理、环境监测管理等。在进行城市地下空间运维管理系统设计前，应根据地下空间类型分析其功能侧重点，确定其所需的管理目标，使运维管理系统功能更加具有针对性，且管理效率更高［6-7］。基于BIM的城市地下空间运维管理系统的功能目标设计如图1所示。

图1 运维管理系统功能目标设计

2.2 系统框架结构

基于BIM的城市地下空间运维管理系统由下到上分为4层，分别为信息模型层、数据库层、功能模块层、用户层。运维系统框架结构如图2所示。其中最底层的模型信息层是BIM运维模型与设备、资产、业务数据的集合，主要提供地下位置几何空间关系、设备设施属性信息等。数据库层的功能主要是对下层数据进行采集、存储，并保证数据能够在系统与模型之间实现共享。功能模块层建立在数据库层基础上，并直接面向用户层，根据不同的功能需求开发不同的模块。用户层通过在电脑中安装客户端软件或通过浏览器对城市地下空间运维进行查看和管理。

图2 运维管理系统框架结构

3 运维管理系统的应用

基于BIM的城市地下空间运维管理系统的核心是信息模型，是与实际地下空间完全一致对应的虚拟地下空间。因此，基于BIM的运维管理面向的对象是数字化城市地下空间，并且管理过程不受时空限制。

基于BIM技术信息集成的优势，将城市地下空间信息数据集成于BIM模型中，建设城市地下空间信息资源数据库，实现基于BIM的城市地下空间运维管理应用。

3.1 三维可视化管理

将BIM软件创建的模型以及地理信息、运维数据集成到运维管理平台中，实现城市地下空间与设施的可视化管理。通过三维可视化的功能，用户可以更加直观、方便、快速地浏览，高效、精确地获取所需的地下空间信息。

BIM的可视化功能在设计和施工中发挥了重要的作用，在地下空间改造或重建的设计和建造阶段为设施管理人员提供空间的可视，尤其是在暖通空调和给排水等隐蔽工程的改造设计中，能为设施管理人员提供直观的参考。在运维阶段，通过其三维可视化和对建筑材质、设备材料等相关信息的集成显示功能，还能通过模型对地下空间设施设备的使用和运营进行可视化检查，尤其对于设施集中的高密度区域显得尤为重要。BIM技术的导航、漫游、透视图和空间、设备、人物的可视化功能，都能通过创建室内空间的图像、动画和实时漫游来被用作会商展示的方式。

3.2 设施管理

基于BIM的设施管理系统的核心思路就是要改变传统的信息传递和共享方式，通过BIM技术把建设项目全生命周期各个阶段、各参与方之间的设施管理相关信息进行有效集成，真正实现设施管理方的早期介入和参与，确保设施管理所需信息的完整性和有效性。

（1）设施快速定位。BIM中的模型和数据，能够对机械设备、管道和其他系统构件设备的位置进行三维显示，包括各种隐蔽工程的位置，让该设备的现场定位数据能和操作环境相关联。设施管理人员可以通过BIM技术来查看问题发生区域有哪些导致该问题的设施，并且从BIM中获取设施相关的产品型号、维修包养记录、使用说明等信息，帮助降低运维成本。同时，设施管理人员还可以操作BIM模型并且运用BIM的相关功能（比如可视化、搜索、过滤），将需要寻找的构件进行高亮显示。另外，将BIM技术和GIS技术进行结合，还能引导设施管理人员直接找到构件。

（2）设备信息存储和实时更新。BIM技术能为所有需要的城市地下空间设施管理信息提供一个统一的数据接口，将BIM模型与设施管理系统软件进行关联，设施管理人员可以在定位BIM模型构件的同时，浏览其相关的文件、现场传感器、工作任务和设计参数等信息。在进行信息更新时，设施管理人员只需要在BIM的图形界面中进行操作，把相关信息录入到相应的设施管理软件系统中，在简化工作量的同时，提高了信息提取和利用的准确性，确保信息更新的时效性。

（3）设施管理人员培训。运用BIM的三维可视化和漫游功能，可使接受设施管理培训的人员身临其境般地置身于地下城市空间中，熟悉建筑空间、组件和设备，了解相关的数据、工作区域和任务，从而更快地进入工作状态，更好地履行职责。同时，BIM技术还能用于岗位评估。运用BIM模型考察受训者是否能够快速定位某个特定建筑设备或构件，迅速找到需要维修设备的相关技术参数，回应维修电话，制作新的维护报告等，通过这一系列的评估，能够判断受训者是否已经具备合格上岗的能力。

（4）设备维护管理。设施管理人员根据系统对设备制定保养计划，在对信息进行输入时，可以借助设备编号中的辅助录入功能，录入的内容为设备台帐中的信息。在选择设备编号信息后，相应的设备名称、设备型号、使用部门信息会自动输入（见图3）。

图3 设备保养计划

设施管理人员按照逐级分配的原则进行地下空间设备计划的任务分配。时间上，任务分配分为年、月、周三级设备维护计划；空间上，年度设备维护计划精确到具体月份和系统层级，月度设备维护计划精确到具体周和空间区域，周设备维护计划精确到具体时间、具体地点和具体人员，如图4所示。

图4 设备逐级分配维护计划

3.3 空间管理

基于BIM技术的城市地下空间设施管理系统可为设施管理人员提供详细的空间信息，这些信息包括地下空间的布局、实际空间占用情况、建筑设备在空间的具体部署情况。设施管理单位通过BIM模型的“三维可视化功能帮助”跟踪各单位部门位置，将建筑设备等信息与具体空间利用信息相关联，与建筑监控系统相关联，在监控平台中进行监控，从而使空间利用率大大提高。

3.4 资产管理

现代城市地下空间设施信息量大，管理周期往往是建设时间的几十倍以上，这些信息的储存工具还相对落后。当出现紧急情况时，设施管理者想了解具体情况就需要查阅大量的图纸和资料，往往不能及时反应，这就带来效率低下和成本提升的问题。设施管理人员基于BIM技术，通过RFID的资产标签芯片录入设备等详细信息和用户需要的提示信息，基于BIM技术的设施统计功能，得到资产统计表，使建筑资产相关参数信息一目了然。

实时监控、实时查询和定位是城市地下空间设施资产管理的重要功能，按照传统的物业管理办法很难办到。城市地下空间基于BIM技术的建筑设施管理系统可以对空间区域进行划分，分析统计各个划分空间的资产。设施管理人员手持移动终端通过扫描二维码的办法收集资产的定位信息，并随时和系统管理中心进行通信联系。配合工作人员的设备标签定位，了解资产的转手过程，系统会自动采集和更新，方便后期管理和查询。一旦发现贵重资产位置在不合理的区域出现，管理中心的系统就会自动报警提醒，出现问题的资产位置会显现在监控大屏上，方便管理人员查询定位。

3.5 运行监控

基于BIM的城市地下空间运行监控技术是近年来随着计算机技术、网络技术、自动化控制技术的进步而不断发展起来的。它将原先孤立的各监控平台系统进行集成，形成城市地下空间运行监控平台，以提高地下空间自动化运营管理水平。

为实现集成监控及一体化管理，城市地下空间运行监控需满足以下功能需求：环境、设备监控，数据分析，应急响应。

环境及设备监控对城市地下空间内的环境因素及设备运行状态进行综合监控。环境因素监控包括对地下空间温度、湿度、水位、氧气浓度、有害气体、烟雾、人流密集状态、火灾点等进行监控与分析；设备监控主要对城市地下空间内通风、排水、供电、消防、空调、通信、预警等系统运行状态进行监控。

数据分析是对采集到的监测数据进行统计，再通过对环境因素监测数据的分析、整理，做出异常情况判断并发出预警。如：监测到人流状态密集，就会发出相应预警，启动应急预案，引导人流疏散。通过对设备运行状态监测数据分析，实施掌握各类设备、应急系统的运行状态，保障在突发状况下设备正常运行。

应急响应通过数据分析发出预警，启动相应应急预案与设备联动控制模式，在情况发生的第一时间接到预警及报警信息，做出相应处置。如火灾警报发出后，消防自动灭火系统启动，同时启动应急预案，疏散人群，快速响应，减少灾害带来的生命、财产损失。

基于BIM的城市地下空间运行监控技术，在地下空间正常运营情况下，能够提供舒适的环境和良好的服务，实现节能运行；在遇到突发事件情况下，能够提供应急响应，各系统设备联动控制，最大程度地降低负面影响，减少损失。

图5 城市地下空间运行监控

3.6 应急管理

随着城市建设的发展，城市地下空间的规模不断扩大，应急救援的难度也不断提升，城市地下空间应急救援管理的重要性越来越明显。基于BIM的城市地下空间应急救援管理以实现性能化设计为核心，以BIM技术为平台，为城市地下空间应急管理信息化提供了新思路、新方法。

基于BIM的城市地下空间应急管理技术利用IFC标准化整合BIM建模、灾害模拟、人员疏散等软件形成完整的信息通路。通过BIM技术信息共享和联动，加强各部门之间的联系，从BIM建模、灾害模拟、救援方案预演等方面进行全过程应急管理，从而提高沟通效率和荒野行动，减少灾害隐患，降低救援难度，保障人员安全。

基于BIM技术的应急管理以BIM技术为核心，建立数字化消防防火应急管理系统，如图6所示。通过集成城市地下空间所有建筑的实体信息，如消防设备、消防疏散通道和消防箱的位置和状态等，消除繁琐的手工生产过程，简化当前计划的编译流和改善应急计划的效率，同时结合火灾动态模拟、人员疏散软件和性能化防火设计，进行火灾模拟演习，实现可视化和智能化的火灾应急分析。同时基于BIM+虚拟现实技术和游戏引擎方法，处理应急管理中的关键问题，如双向信息更新、应急响应培训。BIM+虚拟现实技术与游戏引擎无缝对接，能够实现火灾实时疏散引导。

图6 基于BIM的应急管理

4 结 语

运维管理是将城市地下空间的各种空间、设备信息、数据、资源整合起来，进行统一的管理。运维阶段是工程全生命周期过程中时间最长、信息量最大、费用最高的一个阶段。在运维管理过程中引入BIM技术，能够实现运维管理信息的共享和充分利用，同时还可以精确掌握城市地下空间实时运营状态，对提高城市地下空间运维管理信息化水平、降低运维成本、提升运维效率具有深远的影响。

本文基于城市地下空间体量大、空间复杂、设施复杂、人流复杂、运维信息量巨大的特点，引入BIM技术，研究了基于BIM的城市地下空间运维管理系统框架，为解决传统运维管理方式中存在的问题，实现高效、经济、安全的城市地下空间运维管理提供了解决方案。但本文基于BIM的运维管理系统缺乏技术层面的分析，缺乏BIM在城市地下空间运维管理中应用的具体案例分析，有待在下一步的研究中进一步深化。