基于BIM的建筑运维管理系统架构设计

高琪 汤涛 琚康和

【摘 要】建筑业作为资源消耗的重要领域，服务水平的提升过程就是科学管理和高效整合的过程。基于BIM的建筑数字化技术在设计施工阶段已取得一定的应用进展，但在运维阶段的运用仍需加快探索步伐，从而实现建筑业运维管理向数字智能化的转型升级。文章在对建筑运维管理现状进行分析的基础上，明确了基于BIM的运维系统的目标和需求，给出了3种运维系统架构的实现方式，并从开发难易程度、耗费人力成本及原始信息留存3个方面对这3种实现方式进行比较，发现利用Unity 3D引擎技术的运维系统架构优势更大，为建筑运维及其与互联网、物联网、云计算等技术的深度融合提供了一定思路。

【关键词】BIM技术;运维系统;数字化;可视化

【中图分类号】F407.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）02-0050-03

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）这一概念最早由Eastman提出[1]，如今它的应用改变了建筑设计方法与设计思想。作為一种新的建设工程施工管理方法，BIM技术通过建立虚拟的工程三维模型，并以数字技术作为支撑，为该模型提供完整、可靠的工程信息库，提升了工程的数据集成化程度，促进了建筑信息的交互[2]，实现施工建设由静态向动态的转变，大幅提高施工企业的运行效率和管理水平。

在建筑项目的全生命周期中，运维阶段是项目建设的最后一个阶段，涉及工种跨度大、工作内容多而杂、对管理人员能力要求高，需要耗费大量的人力、物力和财力[3]，具体工作包括日常的物业管理、有关设备的检修维护、火灾等突发事件的应急处理等[4]，可以说是整个建设周期中最重要的一环。若在运维管理中引入BIM技术，一方面可以提升投资效益，另一方面可以促进设计、施工和运维阶段的信息交互，为运维人员提供一个便捷的管理操作平台[5]。

随着虚拟现实技术的逐步发展，国内外开始进行相关引擎的设计研发工作，其中Unity 3D技术可兼容多种格式的文件，具有综合性强、场景真实、可视化模拟等功能，在不同的操作平台可实现互动交流。此外，Unity 3D支持多种程序语言，拥有可定制的IDE环境，并可在多平台发布，能满足大部分用户对项目的需求。总的来说，尽管虚拟现实技术在我国的应用刚刚起步，但是Unity 3D在虚拟现实领域优势明显，若在建筑运维管理系统中引入Unity 3D技术，可利用代码驱动实现对建筑的可视化管理与监控。

本研究在对传统运维方式的弊端进行分析后，整合新需求和新目标，列出基于BIM的运维管理系统应具备的功能，并给出3种运维系统架构的实现方案，通过对比这几种方案发现，结合Unity 3D引擎的运维系统架构在各方面优势明显，有望减轻运维管理人员的工作负担，提升建筑运维智能化水平。

1 建筑运维管理的内涵

建筑运维管理，是指通过对运维技术、设施设备及建筑使用者等资源的整合利用，在正常使用和管理的情形下，从建筑投产使用到使用寿命终结的过程中，为增加投资收益、降低使用成本而进行的一项综合性管理工作。近年来，随着城市化进程的加快，人们对建筑的使用功能追求越来越高，这对建筑运维管理水平也提出了更高的要求，运维管理也从简单的物业管理维修逐步向智能化方向过渡。

建筑运维管理的特点可以总结为以下6个方面：①系统性。建筑运维管理涉及多个专业和内容，是一项系统性工作，需要各方的紧密联系和通力合作，形成合力实现整体管控。②连续性。在运维管理过程中，既要考虑项目完成后的工作，还要对接前期已完成的工作，实现连续化管理。③唯一性。建筑属性不同，运维需求也有很大差异，需根据具体要求进行针对性的设计，所以运维体系要相对独立。④技术性。建筑结构日趋复杂，各种设备越来越先进和智能化，因此需要匹配先进技术和专业人才支撑运维工作。⑤复杂性。建筑运维管理需要充分协调建筑功能、业主需求等，需考虑的各种因素多，工作内容复杂。⑥商业性。对于建筑运维者来说，必须在一定的经济目标下制订管控计划。

2 建筑运维管理现状分析

目前，建筑运维主要采用台账式的管理模式，这种管理模式难以对海量信息进行有效的筛选，进而做出正确的决策分析，已经无法满足现代化的建筑运维新需求，暴露的问题主要集中在以下几个方面[6]。

（1）建筑数据离散碎片化，缺乏有效的互通流转。在传统的建筑工程交付过程中，主要是搜集海量的离散碎片化数据，将工程施工文字资料、竣工图纸、配套竣工资料、工程影像资料等转化为简单的电子化数据并留存，但各方数据之间缺乏有效的互通和流转，无法复用，给建筑运维阶段的查询利用工作带来较大困难。因此，打破信息孤岛，串联各阶段的数据信息，使建筑工程项目信息实现从设计、施工到运维阶段的协同传递，这已成为建筑施工单位必须解决的问题。

（2）建筑内子系统相互独立，集成化管控程度低。随着建筑功能的不断完善，结构体系内部的各种设备逐渐增多，并呈现出结构复杂、体型较大、种类繁多等特点，加之各系统相对独立，彼此之间无法互联共享，数据不能复用，这就要求运维人员必须针对各个独立的系统进行单独管理，会耗费大量的人力成本。因此，实现多源异构数据之间的融合互通及子系统的集成应用迫在眉睫。

（3）应急突发事件处理滞后，难以形成预警机制。当下的建筑运维模式仍以人工操作为主，由于设备数据的专业性强，而管理人员的业务水平参差不齐，不具备全局性的统筹能力，以及存在不合理的流程管控机制，从事前到事中再到事后，各类数据之间缺乏连续且有效的传递，因此难以快速识别异常位置，导致突发事件处理滞后，处理难度大，给人民的生命财产安全带来极大的隐患。若转换思路，做到事前有准备、事中紧跟踪、事后可溯源，形成智能化预警机制，则可大大减轻突发事件造成的不利影响和损失。

3 BIM运维系统目标及需求分析

通过对传统运维管理方式的弊端进行分析，明确了运维系统需集中解决的问题，目前非常有必要开发一套能系统、直观地显示建筑各部分狀态的，能对运维情况、应急处理、数据查询等信息实现数字化存储管理的系统[7]。结合新需求，在传统的运维管理平台的基础上，配套设计的系统具备的功能如图1所示。

（1）登录注册：初始用户完成注册后，通过账号及设置的密码进行系统登录。

（2）全景展示：通过对模型操作，可完成内外部的漫游、旋转、视角切换等3D浏览功能，实现对建筑全景的全方位显示。

（3）系统监控：以动画的方式展示模型相关信息，既可以实现静态浏览，也可以完成动态漫游。

（4）查询统计：通过设定条件，针对性地展示用户所需信息，如BIM设备信息、建筑能耗情况和环境参数等。

（5）能耗分析：多角度显示建筑内部能耗情况趋势图，通过分析数据可以更好地进行耗能管理。

（6）报警处理：对建筑运行情况进行动态监测，出现异常的部位可实时报警并精准定位。

（7）设备管理：主要包括设备的运行状态管理及工作人员对设备的管理评价。

4 BIM运维系统架构实现方式

4.1 基于IFC格式的BIM运维系统实现架构Ⅰ

基于IFC格式的BIM运维系统架构主要基于IFC标准，一方面通过IFC数据解析器将IFC格式数据进行转换，转换后的数据存储于BIM数据库中，BIM运维管理系统可以调用数据库中的有关数据信息，并进行整合和分类统计分析，从而实现对建筑物的实时监测控制;另一方面借助数据转换接口，将运维管理系统整合并统计分析的数据以IFC数据格式保存到BIM数据库中，供BIM中的建筑、结构和设备模型调用，在Navisworks中完成3D可视化及漫游等操作。

基于IFC格式的BIM运维系统实现架构Ⅰ如图2所示，具体实现过程如下。

（1）IFC格式的数据经过IFC数据解析器转换后，存储于关系数据库中，这些信息可以由运维系统调用，实现能耗分类统计与分析、设备故障诊断与报警等功能。

（2）将Revit建立的BIM模型以dwf格式导入Navisworks软件中，实现3D可视化展示及漫游管理等功能。

（3）运维系统将统计的有关数据，经数据转换接口，转成IFC格式的数据保存至BIM数据库中，并用于可视化展示和分析。

4.2 基于IFC格式的BIM运维系统实现架构Ⅱ

与第一种架构实现方式相似，同样以IFC格式为标准，但在其基础上引入了3D重构技术。首先，BIM数据库利用IFC数据解析器将IFC格式数据转换后存储于关系数据库中，这些数据信息可由BIM运维管理系统调用，以实现某些预设功能;其次，BIM中的建筑、结构和设备模型通过调用BIM数据库中的数据信息，利用3D重构技术，在BIM运维管理系统中以3D形式呈现。

基于IFC格式的BIM运维系统实现架构Ⅱ如图3所示，具体实现过程如下：？譹？訛建立BIM模型，通过编写C#脚本代码，利用IFC数据解析器，实现IFC格式数据的转化并存储于关系数据库中，同时BIM运维系统可调用关系数据库中相关数据信息进行预测、分析和诊断。？譺？訛BIM中的建筑、结构和设备模型调用BIM数据库信息，引入3D重构技术，在WebGL中重新以3D形式展示。？譻？訛基于WebGL进行运维系统的开发，同时结合重构的模型，实现3D视角下高效率的运维管理功能。

4.3 基于FBX格式的BIM运维系统实现架构

基于FBX格式的BIM运维系统架构，考虑到FBX格式的模型可以有效保留BIM模型的原始数据，并能被包括Unity 3D在内的多种软件支持，先在Revit软件中将BIM模型导出为FBX格式，再将FBX格式的BIM模型导入到Unity 3D中，在Unity 3D中通过编写脚本代码，实现BIM运维管理系统三维可视化功能。此外，批量保存于Bmob数据库中的信息，可与Unity 3D实现互联，还可应用于工程造价预算、建筑能耗分析等。

基于FBX格式的BIM运维系统实现架构如图4所示，具体实现过程如下：？譹？訛在Revit中，以FBX格式将BIM模型导出，最大化地保留模型的原始数据。？譺？訛将导出的FBX格式的BIM模型文件，直接导入Unity 3D中，或者经过3Dmax渲染编辑后，再输出为FBX格式的模型文件供Unity 3D辅助使用，在Unity 3D中，通过编写JavaScript/C#脚本代码控制BIM行为。？譻？訛将Revit中的BIM模型数据进行格式转换，批量存放入Bmob数据库中，与本地数据库可实现轻松互联。

4.4 3种BIM运维系统架构实现方式对比

本研究从开发难易程度、耗费人力成本及原始信息留存3个方面对3种架构的实现方式进行比较。通过对比发现，前两种实现方式在软件开发层面较为困难，对BIM模型原始信息保留程度不高且需耗费较大的人力和物力资源，性价比不高;而基于FBX格式的BIM运维系统实现架构，充分考虑到工作难易度、经济成本等因素，发挥Unity 3D引擎自身的优势，使数据库与BIM模型之间实现互联互通，并将开发分析功能集成于一个软件，便于运维系统实现综合统一管理，减少一些不必要的资源浪费，这将是建筑可视化运维管理系统发展的一个新方向。3种架构实现方式对比见表1。

5 结语

对于BIM技术在建筑运维管理中的应用，本文的研究过程是一次积极的尝试。但是，BIM技术在运维阶段的应用仍处在初级阶段，特别是与各种前沿科技的整合还有待进一步发掘和完善，未来仍有漫长的道路要走。随着物联网等技术的高速发展，将其与BIM技术相融合，并引入建筑全生命周期的运维管理阶段，将有望创造更大的价值。

参 考 文 献

[1]EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS R.BIM handbook：a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].New Jersey：John Wiley & Sons，Inc.，2011：1-30.

[2]马国丰，宋雪.基于BIM的办公建筑智能化运维管理设计研究[J].科技管理研究，2019，39（24）：170-178.

[3]孙玉梅，曹思琪，唐丽萍，等.BIM技术在实验研发中心楼运维管理阶段应用的研究[J].科技和产业，2021，21（5）：289-295.

[4]胡振中，彭阳，田佩龙.基于BIM的运维管理研究与应用综述[J].图学学报，2015，36（5）：802-810.

[5]李华强，陈思民，李佐宇，等.浅谈基于BIM的智慧运营维护[J].居舍，2021（12）：172-173，175.

[6]刘杰，唐世超，王志强.融合体验高效——基于BIM的运维管理系统构建[J].智能建筑，2021（1）：61-64.

[7]孙晓丹.基于BIM的建筑可视化运维管理系统的设计与实现[D].北京：北京林业大学，2019.