建造运维一体化BIM应用方法研究——以上海市东方医院改扩建工程为例

许璟琳 余芳强 高 尚 宋天任

(上海建工四建集团有限公司,上海 201103)

引言

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是基于三维几何模型对建筑设施的物理特性和功能特性进行描述的一种技术[1]。近年来，政策的鼓励和技术的发展驱动了BIM技术在建设工程行业的广泛应用，借助BIM的三维可视化能力和建筑信息集成能力，指导设计和施工过程已成为重大工程的常规做法[2-3]。也有一些项目开始探索基于BIM的运维管理技术[4-6]，通过融合BIM和运维信息系统构建数字孪生建筑，为建筑后期运维提供条件和基础。数字孪生的概念最早由Grieves教授[7]提出，经过不断完善和发展可理解为构建一个融合物理信息的产品模型，利用物理模型、传感器数据和历史数据等反应与该模型对应的功能、实时状态及演变趋势等，基于数字孪生模型实现交互、协作和服务应用[8]。

BIM技术的应用重点专注于建筑本体，通过创建三维可视化的协作设计和施工的过程尽快交付一个高质量的建筑； 而数字孪生建筑则是在BIM竣工模型基础上，融合现场硬件的智能感知与互联，最终目的在于给业主提供便捷的建筑运维服务应用和精准管理服务。因此BIM技术的应用可为孪生数字建筑提供关键的模型和数据输入，而数字孪生建筑的应用和推广可为BIM技术的深度应用指明方向，通过运维阶段的信息收集和分析反馈设计和建造阶段的问题，优化以后的设计和施工方案。

1 一体化BIM应用方法

1.1 以运维需求为导向构建BIM模型

以运维需求为导向构建BIM模型，除了考虑施工阶段的BIM应用，还需要保证施工BIM模型的可处理性和信息准确性。通过建立面向运维的施工BIM建模规范，约定竣工模型文件的拆分及命名方式、各个专业的建模内容、空间及设备编码要求、信息录入要求等，在施工BIM建模过程中收集完整的施工阶段信息、确保机电系统管路完全联通、而且管道内的介质流向准确、完整、与现场情况一致。对于重要的机电设备，需要建立设备精细模型，描述设备的内部结构和传感器点位，如图1所示。

图1 重点设备精细模型

在施工过程中，构建好的BIM模型用于辅助施工过程管理，包括施工图审核及优化、模型综合协调及碰撞检查、重点施工工艺模拟、三维深化设计等方面。基于自主研发的智慧建造管理平台，在施工现场采用智能手机作为扫码终端，在进场和吊装等关键节点变更构件状态，实现了预制构件的进度管理。

图2 基于扫码的预制构件追踪

如图3所示，融合BIM和虚拟现实技术完成了医院办公室、病房层的装修深化设计，通过虚拟装修场景直观反映室内装修装饰方案和施工阶段的信息，帮助业主提高设计沟通效率，减少了二次装修的成本。

图3 基于BIM和VR的病房层装修深化设计效果

1.2 跨阶段BIM模型转换

医院建筑建造和运维阶段对BIM模型应用需求存在较大的差距，譬如，建造阶段更多使用BIM中设备的外轮廓来判断安装过程是否会有碰撞干涉，而运维阶段则需要使用机电系统的逻辑关系进行溯源管理、针对重要设备的内部构造的维修保养培训、掌握零部件健康状态等。本项目实践过程中，针对跨阶段BIM模型转换的若干关键问题提出了对应的解决方法。

(1)利用自动化审查工具检查BIM模型

人工检查BIM模型几何数据和校验BIM信息质量难度大，反复修改成本极高，而且准确性难以保证。Motamedi A[10]等针对FM-BIM提出了空间模型准备和质量检查规则； 文献[11]验证了基于Solibri Model Cheker可以对BIM模型进行建筑、结构专业检查，对建筑内部缺陷进行检测等，然而，已有的方法和工具尚不能实现对机电系统BIM模型质量的自动审查。本项目基于Revit开发了竣工模型自动化检查工具，自动审查BIM中空间信息、空间几何完整性、机电设备属性信息、机电设备连接关系等运维阶段关键要素，确保了竣工模型的几何完整性、信息准确性和关系联通性。各专业施工BIM团队都需获得审查通过报告后方可将BIM模型交付给运维开发团队。

(2)提取竣工BIM建筑信息

通过竣工BIM模型提取建筑内管道的管径尺寸、建筑荷载信息、防火墙承重墙分布信息、设备空间位置、建立重点机电设备与安防摄像头、报警探头等弱电设备的空间位置关联，可在后期建筑装修改造时快速检索信息，或者故障发生时通过多系统联动实现快速故障处置。本项目通过引入图论的方法，实现了建筑机电设备逻辑连接关系的自动提取[12]，如图5所示。

(a)空调机箱故障影响的下游房间

(3)竣工BIM模型轻量化处理

针对竣工BIM模型构件数量多、全专业集成渲染难度高等问题，采用以下方法进行模型轻量化。首先，对同一类型的机电设备实例化，只保留该设备类型的一份几何数据，通过渲染管线中的几何变换和数据库中传感器与精细模型的关联得到运维平台多个设备不同状态展示，如图6所示； 第二，合并运维阶段不需要单独管理且面片数量较多的构件，减少构件数量； 第三，采用LOD分层次渲染策略，当机电系统靠近相机视点时，选用高精度的几何模型进行渲染，反之，则降低几何精度减少三角面片数量，保证渲染体验。

图6 空调机箱实例化

(4)建筑数据与BIM运维模型集成

医院建筑机电设备多且分散，运维数据散落在各处，不同医院建筑运维信息系统厂家提供的通讯协议也不尽相同，海量异构数据集成难度高。对BIM中建筑、系统、设备、零件等不同层级构件，建立对应的监测数据匹配和集成方法； 通过提前规划网络传输、与分包厂家提前确定通讯协议等实现了东方医院项目30个系统的数据集成，为进一步运维应用和运维数据收集奠定基础。

1.3 建立数字孪生模型和运维大数据

完成跨阶段的BIM模型转换之后，本项目构建了供运维阶段使用的孪生数字模型，如图7所示，通过运维平台功能的开发，以三维可视化方式描述建筑运行机理和能耗走势，记录建筑及设备历史的维修、维保信息，形成建筑电子病历卡。在新大楼竣工后，运维人员使用智慧运维管理平台辅助日常的维修维保管理、机电设备管理、能耗管理、使用BIM模型进行设备操作维保培训，减少了处理故障的时间和突发故障的发生率。

(a)电梯运行管理

图8 运维数据弹性可视化页面

本项目共安装约2 000个传感器，BA等系统的实时监测数据和告警信息数据量将不断累积； 与此同时，运维过程中需要存储维修工单、维保计划、流程处理记录等动态信息。整个项目的数据量大、获取数据的速度快、数据的种类多样、数据潜在价值巨大，初步具备大数据的特征。通过开发智慧运维大数据中心可进一步利用和挖掘运维数据价值。

(1)搭建建筑大数据仓库

从运维业务中提取数据分析需求，搭建在线分析服务后端，医院建筑运维人员通过简单的点击、拖拽可轻松进行数据探索和大数据多维分析。

(2)开发建筑大数据中控台

汇总智能分析引擎的分析结果，使用简单配置的方式生成数据图表并组合成数据页面，实现维修工单智能分析、异常能耗自动预警、多源数据集成分析。如图8所示，可将数据页面展示到手机或者运维中心的中控屏幕上，在各种尺度的设备体验大数据弹性可视化的效果，辅助建筑管理者了解建筑运营的薄弱环节。

2 总结与展望

本项目提出了建造运维一体化BIM应用方法，在东方医院改扩建工程项目中进行了深入应用，结果表明，本文所提方法可辅助提高工程项目的沟通协调效率、降低二次装修成本、提升施工质量，最终交付了基于BIM的孪生数字新大楼模型和智慧运维管理平台，为管理者和执行者掌握建筑运营动态、组织维护培训、跟踪维护任务提供了便利。通过对运维大数据的处理，打通了数据集成、存储、分析、可视化的流程，充分发挥大数据技术在建筑管理决策支持和数据挖掘上的价值。

目前，大多数施工BIM模型几何完整性和准确度低、信息质量参差不齐，严重影响模型应用和数据分析质量。未来，需要通过组织机制和技术手段进一步提升BIM模型交付能力，持续改善BIM信息质量； 运维BIM应用需深入管理流程解决医院建筑运维业务的痛点问题，真正用大数据驱动医院业务发展。