基于BIM 的建筑空间管理系统分析和设计研究

吴文亮,王 旋,胡 珏,蒋森林

(1.同济大学 经济与管理学院,上海 200092；2.中建三局第二建设工程有限责任公司,湖北 武汉 430000)

在建筑物全生命周期中,运营阶段涉及的时间跨度最大,所耗费的成本也最高[1]。通过开展有效的设施管理(Facility Manangement)能显著提升建筑运营和维护的效率,确保建筑功能的实现[2]。而作为设施管理的一个重要组成部分,空间管理在这个过程中扮演着重要角色。空间管理指通过合理分配和使用空间,从而在使用频率和占用率方面最大程度地提高空间利用率[3]。依靠传统的基于2D 图形与纸张的管理模式显然难以实现这一目的[4]。BIM 作为一种颠覆传统建筑管理模式的新兴技术,在支撑建筑运营阶段空间管理方面具有显著优势[5]。基于其可视化、数字化、集成化的特点,BIM 能协助建筑运营人员高效地管理空间信息,提升对空间规划、空间分配、空间定位等空间相关需求的应对与处置能力[6]。

本文将在分析建筑空间管理需求的基础上,设计基于BIM 建筑运营阶段空间管理系统,详细介绍该系统的架构、基础配置及其功能模块,并展示系统的功能实现界面。

1 基于BIM 的建筑空间管理系统需求分析

空间是设施管理的载体和媒介。设施管理通过综合运用各学科交叉的技术、方法和手段,集成人员、空间、过程和技术,确保建成空间环境功能的实现。空间不仅承载着有形的设备资产,也承载着无形的人员组织。空间管理通过为人员创造更好的工作环境而提高人员的生产力,进而为组织发展创造价值。所有的设施管理职能都可以通过空间要素进行整合,进而实现更高的管理绩效。

基于BIM 的空间管理系统可作为一个集成的信息化平台,在BIM 模型与空间信息高度关联的基础上,实时展示建筑空间的使用情况,提升组织的空间管理水平及对空间需求的应对能力,实现空间利用效益的最大化。对建筑空间管理领域的相关文献进行阅读与梳理,识别出BIM 在建筑空间管理的十个主要应用领域,如表1 所示。

根据表1 的文献梳理结果,对基于BIM 的建筑空间管理系统提出以下需求：

(1)实现空间三维可视化展示。空间三维可视化是BIM 的突出优势之一,能动态且直观地展示建筑外部及内部的空间信息。在确保空间信息得到及时更新与维护的基础上,使用者可通过与BIM 模型的交互查看不同层次的空间细节。此外,还可将建筑空间按特定属性进行分类显示,比如根据空间用途的差异用不同颜色对相应空间进行着色显示,以提升BIM 空间信息的可读性。

表1 BIM 在建筑空间管理的十个主要应用领域

(2)实现空间信息的统计与分析。空间信息除了包含空间本身的物理参数、功能属性之外,还可进一步囊括发生于空间内的活动或事件信息。附加于BIM 模型上的空间信息能直观传递特定空间的多维度属性,这是BIM 区别于传统CAD 平面图形的重要特征。通过开展基于BIM的空间信息统计与分析,能准确描述空间使用现状,揭示空间的占用特征及规律,进而为空间需求的预测提供强有力的依据。

(3)提升空间相关需求的管理效率。空间需求主要包含空间改造、搬迁、空间租赁等与空间变更相关的事项。以某大型科技企业为例,随着其业务的扩张,需要对空间使用现状进行大范围调整,以容纳更多的员工和设施开展价值创造活动。如果采用传统的纸张化、平面化的管理方式,将面临效率低下、信息滞后等诸多问题。通过将空间需求处理流程集成于空间管理系统之中,能实现空间需求信息与BIM 空间信息的高效对接,有效提升管理效率。

(4)实现空间及其附属对象的准确定位。组织、设备以及基于空间的活动等均可视为空间附属对象。空间定位的作用在于根据请求,将特定空间及其附属对象的位置信息以三维图形的形式反馈至用户界面。此外,还可通过与视频监控、传感器、计量表等感知装置的结合实现位置主动报警。空间定位在应对诸如火灾、设备故障、外部入侵等紧急情况时将发挥重要作用,可有效提升人员的反应速度。

2 基于BIM 的建筑空间管理系统设计

2.1 系统架构设计

基于BIM 的建筑空间管理系统架构,如图1 所示。本系统采用C/S 架构,并划分为感知层、数据层、服务层以及应用层四层结构：

(1)感知层。感知层主要由收集数据并感知环境的物理设备构成,例如视频监控、传感器、计量表、定位装置等等。基于BIM 的空间管理系统需要借助具备感知能力的物理设备实现与现实环境的强耦合。感知层产生的数据将按一定的规范格式传输至数据层。

图1 基于BIM 的建筑空间管理系统架构

表2 空间分类标准

表3 空间面积分摊标准

(2)数据层。数据层主要包含用于存储空间相关数据的各类数据库,包括实时库、历史库、交换库、备份库以及分析库。不同的数据库将用于响应不同的功能访问需求。

(3)服务层。服务层包括通用型服务以及接口型服务,主要用于实现系统相关服务的统一管理,为应用层提供建立统一的接口契约和入口。

(4)应用层。应用层主要包含系统的核心功能应用,是空间管理活动内容的直接体现。功能的实现依赖于对空间数据的逻辑调用及分析。

基于BIM 的建筑空间管理系统的四个核心功能模块分别为：

(1)空间可视化模块。该模块重点在于实现空间三维可视化展示,是其它功能模块的基础。使用者可自行选择空间展示的范围与精细度。

(2)空间信息统计与分析模块。该模块实现对于空间相关信息的统计及数据分析,并以图表的形式返回至用户界面。使用者可以自行限定统计分析的空间对象范围,并自由选择统计图表的展示形式与分析层次。

(3)空间需求管理模块。该模块主要实现空间需求处理的规范化、流程化。空间需求严格按照申请-审批-执行的流程在系统中进行流转,系统将记录并提醒相关需求所处的状态。

(4)空间定位模块。该模块可实现空间位置的准确定位与跳转。使用者可以通过在检索框中输入楼层、部门、设备等信息,跳转至对应的空间界面进行空间查看。此外,通过连接相关的感知设备,还可实现对异常设备或位置的报警及定位。

2.2 系统基础配置设计

在构建好系统架构之后,还需对系统的基础配置加以定义,以建立规范化、统一化的空间数据交互逻辑。空间管理系统的基础配置主要包含对空间标准以及空间编码方法这两个空间数据基础层面的定义。

表4 基于BIM 的建筑空间管理系统空间编码方法

图2 机电管线可视化示例

(1)空间标准

空间标准是开展建筑空间管理的基础,其包含空间分类标准、空间面积测量标准、空间分配标准、空间分摊标准、空间计费标准等基本空间管理标准。空间标准是空间管理系统开展逻辑分析的依据,在系统中表现为可修改的知识库。本系统内置了空间分类标准以及空间面积分摊标准。

a. 空间分类标准

设定空间分类标准的目的是将现有建筑空间根据功能类型进行分类,为空间数据分析提供规则基础,以支撑针对特定空间类型的分析与决策。参考BOMA 办公空间分类标准和相关建筑设计规范,建立本系统的空间分类标准,如表2 所示。考虑到可能存在某些空间分类不在以下类型中的可能,系统应具备新增空间分类标准功能。

b. 空间面积分摊标准

空间分摊标准主要适用于办公建筑,商业建筑以及医疗建筑,用于在空间计费前,将未分配给使用主体的公用空间或支持性空间,根据所属区域的使用部门自有面积比例归入楼层、大厦、园区公摊,确保使用者对公用空间享有权利,承担责任。以园区为例,其计费面积的公式如下：

计费面积=自有空间面积+自有空间面积*(楼层总公摊面积/楼层总专用面积+楼栋总公摊面积/楼栋总专用面积+园区总公摊面积/园区总专用面积)

各空间的分摊类型由系统设定初始值,可手动更改。本系统的空间面积分摊标准,如表3 所示。

(2)空间编码

空间编码的目的是将建筑空间进行分解,为子空间添加特有的“身份编号”,实现BIM 模型与数据库之间的关联。使用者可以通过空间编码在BIM 模型中查找特定的空间位置,并查看与之关联的空间信息,如空间的面积、用途等。

空间编码的内容、长度需考虑建筑类型、系统的集成程度等因素。一般情况下,如果将不同类型的建筑物的空间进行统一编码,则编码所反映的子空间的功能属性将被弱化。比如,对教学楼与居民楼进行统一编码,则教室将不再适宜作为单独的编码层级,需考虑采用一种更加泛化的层级描述。此外,系统的集成程度不同,相应的空间编码所包含的层级也不同。如果空间管理系统仅面向一栋建筑物,则可从楼层一级开始编码；如果系统面向的是处于不同地理位置的多栋建筑物,则可按实际需要在楼层之上加入国家、省份、城市、园区、建筑物等编码层级。

图3 内部漫游可视化示例

图4 空间利用情况统计示例

图5 空间租赁情况统计示例

基于BIM 的建筑空间管理系统空间编码方法,如表4 所示。其中,编码层级共包括省份、城市、园区等六个层级,编码长度及内容可根据实际需要进行调整。

3 基于BIM 的建筑空间管理系统功能实现

基于BIM 的建筑空间管理系统主要包含空间可视化、空间信息统计与分析、空间需求管理以及空间定位四个核心功能模块。以某案例项目为载体,开发基于BIM的空间管理系统桌面客户端,实现上述四项功能。

(1)空间可视化

本系统可实现基于BIM 的建筑空间三级可视化展示,使用者可从建筑整体、单一楼层以及单一房间三个层面查看建筑空间信息。其中,在建筑整体层面上,将展示建筑外形、建筑高度、楼层数目、建筑功能分区等信息；在单一楼层层面上,将展示楼层空间布局、空间流线组织、楼层功能分区等信息；在单一房间层面上,使用者除可以查看房间内部空间布局等信息外,还可以以内部漫游的形式沉浸式地查看房间内部设施布置、墙面装饰等细节。

此外,在查看特定空间时,还可通过嵌套显示的方式调节模型显示的层次以及丰富度。例如在查看某一楼层的空间信息时,可通过点选左侧的空间关联系统,包括消防系统、电气系统、给排水系统等,实现空间与其附属对象的集成显示。机电管线可视化示例,如图2 所示。又例如在进行内部漫游时,可在空间内部叠加显示机电管线的排布情况。内部漫游可视化示例,如图3 所示。

(2)空间信息统计与分析

图6 停车场空间管理界面

本系统可实现从多个维度统计不同类型空间的占用比例,以反映建筑空间的使用现状。例如从空间利用维度出发,可统计当前建筑物整体或各楼层已利用空间与未利用空间各自的面积及所占比例；从空间租赁维度出发,可统计当前已出租空间和自用空间的占比情况；从组织维度出发,可统计已出租空间的企业行业分布状况。空间利用情况统计示例和空间租赁情况统计示例,如图4 和图5 所示。

通过整合视频监控、传感器等产生的动态数据,还可进行空间占用情况的实时统计分析。例如在查看停车场的空间信息时,系统会自动统计当前已使用的车位数量以及剩余车位数量,并绘制入场车辆的动态走势图。停车场空间管理界面,如图6 所示。此外,系统还可进一步分析停车位的月度、年度使用情况并自动生成报表,从而为管理人员提供决策支持。

在提前定义好报告模板的基础上,系统还可针对特定的空间使用场景自动生成分析报告。通过对接企业内部的财务系统、人力系统等子系统,该分析报告可展示某一周期内的空间使用效益,并通过系统内嵌的算法预测下一周期的空间需求,提升管理效率。

(3)空间需求管理

通过集成空间需求处理流程,本系统可实现对空间改造、搬迁、空间租赁等空间需求的高效响应和处理。组织可根据其内部的职权结构定义自身的空间需求处理流程,并赋予相关人员对应的操作权限。以空间改造为例,空间改造需求处理流程,如图7 所示。

空间需求处理流程详细说明,如表5 所示。

空间改造需求申请通常由空间管理员开展可行性论证,通过之后再由申请人的直接上级以及空间管理部门的决策人进行审核批准。呈现给不同角色的人员的表单信息将存在一定差异,差异由预先设置的数据权限规定。

(4)空间定位

本系统实现了基于请求的空间及其附属对象的精准定位及展示。使用者一方面可以通过在菜单中点选所要查看的特定楼层、房间的名称,跳转至相应空间进行信息查看,另一方面也可在搜索框中输入特定设备、组织的名称,在BIM 模型中查看相应空间附属对象的位置信息。

此外,通过BIM 模型与传感器等感知装置的结合,本系统可以实现对火灾、设备故障等紧急情况的位置主动报警。例如当某一房间内的空调机组发生故障时,系统的主界面将弹出故障内容、故障位置等相应的故障信息,提醒人员进行快速响应,对设备开展排障、维修等操作。当发生火灾时,系统同样将第一时间弹出报警信息,管理人员可通过视频监控查看现场的实时情况,快速处理人员疏散、救援等突发需求。设备故障定位报警示例,如图8 所示。

4 结束语

本文在全面分析基于BIM 的建筑空间管理系统需求的基础上,从系统架构、系统基础配置、系统功能三个层面开展基于BIM 的建筑空间管理系统分析与设计,并以某案例项目为载体,进行空间可视化、空间信息统计与分析、空间需求管理、空间定位四项核心功能的开发验证。初步开发结果表明,基于BIM 的建筑空间管理系统可实现以下目标：

图7 空间改造需求处理流程

表5 空间需求处理流程详细说明

(1)提升空间规划的合理性。通过采集与分析空间数据,为开展空间规划提供决策支撑,使空间规划契合组织发展需要。

(2)降低空间空置率。通过对空间的实时监测管理,快速掌握空间动态,进而采取合理策略降低空间空置率；

(3)提升需求响应效率。通过开展空间定位并集成空间需求处理流程,支撑高效的空间事务处理,实现空间需求响应效率的提升。

当前本系统主要基于桌面端进行空间管理功能的开发,后续研究将聚焦于在WEB 端和移动端实现空间管理功能,从而达成多终端协同作业、联动运行的目标,为基于BIM 的建筑空间管理系统的开发研究提供借鉴。

图8 设备故障定位报警示例