基于BIM的建筑检测实验室运维管理系统研究

吕延岗， 陈朝

(石家庄职业技术学院a.教务处；b.建筑工程系，河北 石家庄 050081)

BIM(Building Information Modeling，译为建筑信息模型)是以三维数字技术为基础，将建筑的空间结构、设施设备和功能属性进行数字化仿真和模拟.在建筑项目不同阶段的生命周期，各使用方和利益方可以根据实际需要进行模型数据信息的提取、增加、修改和更新[1]，解决了分布式、异构式工程数据之间的一致性、共享性等问题，为建筑项目的全过程管理提供了决策和参考.近年来，BIM在全球的建筑行业得到了广泛认可，我国住房和城乡建设部先后出台了系列政策和文件,明确提出“通过运营维护信息录入和数据集成，建立项目BIM运营维护模型”，“深入研究BIM、物联网等技术的创新应用”[2-3]等要求以加大BIM在建筑行业的应用和推广力度.

建筑项目的运行维护阶段是生命周期中最长的部分[4]，传统的运行维护管理方式主要是通过二维CAD图形和纸质档案资料对其进行管理和维护.在实际的运行管理过程中，存在CAD图形复杂、难以理解；技术档案资料容易遗漏和丢失；设备和人员信息分散并缺乏更新；设备保养缺乏时效性，致使影响维护质量；场地运行数据难以实时监控等问题.在该阶段引入和应用BIM技术改变传统的运维管理方式和机制，实现建筑项目的设施、设备、档案、人员等对象在三维空间中的准确定位和信息化管理，解决上述运维管理中存在的问题，对于提高管理水平和增加经济、社会效益具有良好的效果.因此，本文以建筑检测实验室BIM模型为中心，构建了建筑检测实验室运维管理系统.

1 系统概述与功能设计

1.1 系统概述

建筑检测实验室是承接各种建筑材料检测工作的专门实验室和机构，其设备的种类、数量随着行业发展和需求迅速增多，复杂化、专业化、精细化管理要求也在不断增强.本文构建的建筑检测实验室运维管理系统是在运行维护阶段， 利用BIM强大的信息整合和数据集成能力，在实验室BIM模型的基础上，融合设备数据、人员数据、运行数据与档案资料等台账信息和各种数据，进行模型相关信息的增量处理[5]和数据共享，形成有效支撑实验室运维管理的大数据BIM管理系统[6].系统实现设备管理工作与BIM模型相结合，设备运行维护状态自动提醒，设备档案、人员档案、技术标准等资料的数字化整理、归纳与检索，实验室运行状态实时监控和温湿度数据实时采集与管理，使管理人员能够全面掌握建筑检测实验室的运行状况，进一步提高实验室精细化管理的水平和工作效率.

1.2 系统功能设计

1.2.1 设备管理

系统将实验室设备的使用记录、维护保养记录、核查记录、设备履历表等记录存储到数据库中，通过设备构件ID与BIM模型中的设备构件关联管理，实现设备运维过程记录的管理、查看、下载与打印等功能，提高设备管理的可靠性和精细化水平.

1.2.2 人员管理

系统将实验室相关人员的职称证件、任职文件、岗位证书、培训记录等资料进行数字化转换并存储到数据库中，通过人员构件ID与BIM模型中的人员构件关联，实现人员档案信息的查看、更新与修改和人员培训计划的更新、维护，提高人员管理的规范性和规划性.

1.2.3 档案管理

系统将设备的合格证、说明书、校准证书等图纸和纸质资料进行数字化转换并存储到数据库中，通过设备构件ID与BIM模型中的设备构件关联管理，将建筑检测行业的技术标准、行业规范、检测结果等资料进行数字化转换并存储到数据库中.需要查询时，可以按照关键字和标准号进行档案检索和浏览.

1.2.4 运维管理

系统将网络监控探头和温湿度传感器设置在实验室适当的位置，并与BIM模型中的监控和传感器构件关联，实现对实验室内的监控视频、温湿度和空气质量等指标的实时监测和横向、纵向对比分析，为实验室日常管理提供数据支撑；通过全景漫游，以虚拟现实场景界面的形式直观表现实验室内部的环境及设施.

1.2.5 系统管理

系统设置了分级权限管理，实现对人员权限、账号和密码的统一管理，不同用户使用和操作的数据不同.普通用户只能浏览规定权限内的内容和信息，不能查看或修改超越权限的内容.其目的是确保系统信息管理的准确性和保密性.

系统结构图如图1所示.

图1 系统结构图

2 系统关键技术分析

2.1 系统BIM模型构建

Autodesk公司提供了Revit系列软件来帮助建筑行业技术人员更好地构建、修改和维护BIM模型.系统在项目开发过程中采用的是Revit2017版.在建筑信息模型的构建过程中，建立准确而齐全的族库是关系着模型构建工作成功与否的重要环节.Revit族库的作用是通过携带有详细信息的设备模型来全方位描述实验设备应具备的所有信息，包括几何尺寸信息、空间位置信息、实验设备资料、实验具体数据结果等.建立完备的族库为BIM中实验室建筑与实验设备等各类别构件的正确组合与精准设计奠定了基础，对于提高模型的实际利用价值起到非常重要的作用[7].系统构建时，首先，利用Revit系列软件创建了适用于实验室特点的样板文件，即对实验室主体建筑的标高高度、参照平面、场地位置规划与轴网信息划分等基本信息进行确认与建立.然后建立实验室建筑主体的三维模型，并在建筑主体模型中添加所需的虚拟构件.系统用到的构件分为常规构件与非常规构件.为了提高构件建立效率，实现常规构件建立的标准化，Revit 软件为模型开发者设置有默认的常规构件样板.在模型构建过程中，还需要建立如实验室设备、实验仪器、实验人员、实验档案文件等非常规构件，这些非常规构件不能通过简单的常规参数来设置，利用自建族库文件样板可解决这一问题.

其次，针对实验室内所有设备及人员建立Revit全仿真族库和可以重复使用的构件标准集，并按照真实命名规则对其进行命名和管理，以为后续的模型轻量化处理和数据提取奠定良好的基础.在建模过程中，要充分考虑满足BIM模型在各处理流程中的需求, 模型构件标准集需含有适当的信息，并且在一定条件的约束下保证用户可以进行信息变更和修改[8].比如：系统建立人员族库构件的过程中，应充分考虑到运维管理过程中可能会遇到人员变动与调整的情况，对人员族库进行排序处理，其名称从人员1，人员2……至人员N，使人员族库模型不固定为某个具体人员，而是在系统数据库中赋予每个人员具体的信息.当人员出现调整时，直接通过更新系统数据库相应人员构件的关联信息即可，而不用重新修改和替换原有模型，这样来提高信息的可用性与准确性.

2.2 BIM模型轻量化处理模式

BIM模型在建筑项目生命周期的不同阶段，要包含和表达的数据信息以及详细程度也是不同的.对于运维管理而言，Revit软件中的部分数据属于过量数据和冗余数据[9]，相反，管理所需要的各种有用的数据无法集成到Revit软件中.因此，有必要对BIM模型的数据进行筛选和处理，从而实现模型轻量化处理.

第一种方式，使用Revit插件方式进行轻量化处理.首先，将使用Revit API 开发的DLL插件复制到Revit 2017安装文件Addins中，安装和修改RevitSDK2017 文件夹中的 Add-In Manager(插件管理器)，修改Autodesk.AddInManager.addin 配置文件.其次，用户通过点击附加模块中外部工具的 Add-In Manager 按钮加载和调用 DLL 文件执行模型轻量化命令，输出成能将Rvt文件中的模型信息转换成能被 Web GL 解析的通用OBJ数据格式.再次，利用面向 HTML5的WebGL技术引擎库(Three.js)，将OBJ模型文件利用 Three.js进行解析和处理，调用Three.js引擎的相关方法创建和显示BIM模型的三维场景，实现BIM模型的三维显示、旋转、优化和移动端适配功能，但模型轻量化后的相关数据信息仍然需要导出至数据库中进行分析和处理.此方式可以实现对模型轻量化的定制化开发、优化和应用，但前期的工作量较大并且复杂.

第二种方式，使用互联网BIM轻量化引擎进行处理.当前市场主流的BIM轻量化引擎均支持用户将Revit等建模软件生成的模型文件直接在平台进行轻量化处理，用户无需安装专业的BIM软件，即可直接利用浏览器显示和查看模型以及其数据信息和属性信息，并且支持BIM模型与管理系统的整合和开发.在项目开发过程中采用BIMFACE轻量化引擎，该引擎目前能够解析rvt、skp、fbx等35种常见工程图纸和模型，提供丰富的二次开放API接口.模型经BIMFACE引擎轻量化转换后即可把生成的离线数据包部署在云端或本地服务器中，用户可以在浏览器端或移动端查看模型、属性、图纸等信息，其过程分别对应JSON数据包文件中的几何数据和非几何数据.在此方式下，开发人员和用户无需关心模型轻量化和展示的具体细节，只需要将重点放在系统的业务逻辑和可扩展性上，比较适合当前的BIM管理平台开发和应用.

在系统开发过程中，对Revit插件轻量化和互联网BIM轻量化引擎两种方式进行了测试和验证,最后采用了互联网BIM轻量化引擎的方式进行了系统开发和应用.

2.3 系统数据库构建

BIM模型数据中存储着各种类型的资源对象以及属性数据，但相关运行数据和档案资料必须存储到外置数据库中，以便进行查询、修改和管理，因此将BIM模型轻量化后的有效数据提取和存储至外置数据库中成为必须完成的工作.在开发过程中采用免费开源、稳定、易用的MySQL数据库来存储与模型相关的各种数据，通过各个构件ID与模型进行关联处理.从轻量化后的BIM模型离线数据包中定位modeldrive.db文件，该文件中存放着BIM模型中所有构件资源的ID，对象名称、族名称和组类型等关键数据，遍历实验室模型的所有构件清单，将运维管理所需的有效属性数据进行清洗和提取，将这些数据以可持久化的形式存储到MySQL数据库中，至此建立起了BIM模型和外置数据库之间的关联，如图2所示.在MySQL数据库中建立了以设备表为主表，使用记录表、维护保养表、核查数据表、设备确认表、设备履历表为关联表的数据库结构，使用设备表的ID字段作为主键进行关联和处理.在MySQL数据库中也建立了实验人员表、培训记录表、监控设备表和数据采集表相关数据库表以支撑系统运行和应用.

图2 模型构建与数据表转换流程

2.4 运行数据采集

在传统的运维管理模式中一般需要安排专门人员对实验室工作场所进行人工巡视和管理.随着网络监控技术的不断发展，管理人员可以通过PC或手机随时随地查看现场的运行情况，这样既加强了现场管理，也节省了管理成本.在项目开发过程中，使用萤石云平台，将在萤石云平台配置好的网络监控探头地址写入系统数据库中，并与模型中的摄像头构件关联，用户只需要双击模型中的摄像头即可通过网络地址直接查看和浏览实验室的现场环境和运行状态.

在建筑检测实验室的水泥室中，温度、湿度和PM2.5等运行数据是重要的监测运行指标，在水泥室中安装和部署物联网传感器并与模型构件关联，同时，及时采集相关数据并通过无线网络发送至系统数据库[10].在物联网传输领域，NB-IoT(Narrow-Band Internet of Things，译为窄带物联网) 和LoRaWAN(LoRa Wide Area Network，译为LoRa广域网)是最具发展前景的两项通信技术，已在工业检测、智慧物流、智慧交通、智慧城市等应用领域起到了良好的示范作用，两者在网络覆盖、设备成本、服务质量和使用频段等方面都有各自的优势.在管理系统开发过程中，基于现有移动网络的覆盖区域以及传感器本身的成本等方面考虑，传输网络采用中国移动提供的NB-IoT技术[11]，将物联网传感器采集到的数据以规定好的协议格式按照规定的时间、频率定时传输到指定服务器上.服务器端在接收到数据后，按照协议标准将接收到的数据包进行解码处理，并直接写入系统数据库供平台查询和应用.

3 系统实现

基于BIM的建筑检测实验室管理系统综合运用BIM、计算机软件、数据库和物联网等技术，实现了实验室运维管理工作的精细化和智能化.系统开发环境采用ASP.NET，系统数据库采用MySQL，系统架构采用B/S.用户使用浏览器本身的功能，不需要下载安装任何插件即可在Web端浏览、显示和控制三维BIM模型，符合 BIM 浏览与项目管理可视化的要求，能满足多用户同时管理，适用于协同办公应用.系统支持Google Chrome浏览器、360安全浏览器(极速模式)等浏览器，同时兼容IOS、Android手机移动浏览器.通过验证，系统实现了以下功能：用浏览器进行三维模型的查看、旋转、缩放和全景漫游等；模型目录结构树浏览，模型构件的隐藏与显示等；模型设备构件的全过程运维管理工作，检测时间的自动提醒；模型人员构件的档案管理管理工作，支持通过模型直接定位和浏览；监控设备的直接调用查看和采集设备的数据管理.

系统已在合作企业实验室中进行了部署和验证，并取得了良好效果，为BIM技术在建筑工程行业的推广和示范提供了参考.随着互联网和物联网技术的不断发展，如何实现BIM管理平台中数据采集的全面化和决策分析的智能化需要进一步的研究和完善.