超大型数据中心项目BIM深度应用研究*

陈 燕，黄耀庆

(上海建工集团工程研究总院，上海 200120)

0 引言

数据中心主要是用于存放计算机、服务器、网络设备、存储设备等设备的建筑物，具有专业众多、建设及运维要求高、施工工艺复杂等特点。建筑信息模型(BIM)技术具有可视化、协同化等特点，可有效辅助设计复杂空间环境下的众多系统，在施工方案验证、指导现场施工、提高多参与方协同等方面发挥作用[1-2]，最终作为数字资产交付的BIM模型，可有效沿用于运维。因此，不同于常规建筑物，数据中心对BIM全过程深度应用的需求更加迫切[3]。目前国内对数据中心项目BIM应用的研究尚处于起步阶段[4-6]，深度应用BIM的案例较少。本文结合实际项目，从全过程BIM应用策划、BIM应用实施、BIM应用过程管理等方面阐述BIM应用情况。

1 工程概况

某数据中心项目建筑面积为22.6万m2，主要由8栋数据中心机房、2栋生产辅助楼、1栋应急指挥中心、2栋动力楼、1栋总降压站、2栋油泵房构成，呈向心、围合式布局。

本项目具有以下特点：①系统规模大 机房面积达14万m2，共8栋数据机房楼，配置90个模块化机房，2万台标准机柜；②建设标准高 按照国际权威数据中心等级Uptime Tier-Ⅳ标准(行业最高标准)、Uptime Tier-Ⅲ标准进行设计和认证；③机电系统复杂 运用弥漫式侧向送风、机房热通道封闭等技术；④设备安装困难 供电线路、网络传输路由复杂，所有设备管线应进行物理隔离，需在有限空间内分批投入设备及布置管线，并为维护预留检修空间；⑤运维工作艰巨 项目运维涵盖多专业、多系统、多设备、多管路，涉及数万个操作环节，相互关联、相互制约。

本项目是由业主主导，BIM咨询顾问(业主委托)进行全过程BIM策划及管理。业主和BIM咨询顾问能从项目全过程角度考虑BIM应用。本项目BIM应用目标如下：①有效辅助业主决策，提高设计质量，提升施工精细化管理水平，实现可视化、智慧运维；②完成全过程BIM策划及管理，提高各方BIM工作效率，保证BIM效益最大化；③提高各参与方的协同工作效率。

2 全过程BIM应用策划

为确保BIM应用达到预定目标，BIM咨询顾问在项目前期制定BIM管理方案，明确BIM应用总体目标、组织架构及各方职责、总体实施流程、交付成果要求、协同工作机制等，以提高各参与方的BIM实施效率。同时编制项目BIM标准，包含建模范围、文件命名、模型几何及非几何信息要求等，指导和规范各参与方的BIM实施，提高各参与方的BIM实施效率。实施进程中，BIM咨询顾问根据实际情况对BIM标准及管理办法进行修正和版本升级，以保障适用性和时效性。BIM标准及管理方案迭代更新如图1所示。

图1 BIM标准及管理方案迭代更新

3 项目全过程BIM应用

3.1 设计阶段BIM应用

1)光照分析 利用BIM软件渲染模拟仿真功能研究建筑日照对建筑形态的影响，同时通过Revit结合Ecotect软件，进行日照或照度计算。经研究发现，优化处理原Revit模型后，可通过XML格式导入Ecotect软件中进行模拟计算分析，从而结合Ecotect与Revit软件。

本项目通过Revit结合Ecotect软件，对M1，M2楼上部形体竖向遮阳构件进行光照分析。方案1采用600mm厚遮阳构件，方案2采用300mm厚遮阳构件，分别对2种遮阳构件方案的室内光照效果进行仿真模拟及光照辐射数值分析，如图2所示。经过对比分析，可直观看到采用300mm厚的遮阳构件比600mm厚的遮阳构件更能增加采光面积。同时根据幕墙规范及消防规范，在各种材料比选中，最终采用铝板作为遮阳构件材料。

图2 竖向遮阳构件光照分析及方案比选

2)CFD分析 基于Revit模型，对D1机房进行CFD分析，包括机房气流分布、精密空调送回风温度布置、机房机柜进出风温度分布、百叶风口X断面冷热通道风速等。

对数据机房屋顶空间气流组织进行数值模拟，如图3所示，研究夏季最不利工况下，冷却塔及风冷式冷水机组运行时屋顶空间的气流组织情况，以验证运行时是否返混率严重，使制冷量降低，不满足机房制冷要求，同时进一步指导屋顶有限空间内冷却塔、风冷式冷水机组及其他设备的布置。

图3 机房楼屋顶CFD分析

3)方案比选 除通过结合建筑性能化分析进行方案比选外，还通过渲染仿真等方法辅助方案比选。如在研究入口巨型水幕墙的过程中，根据视觉效果、造价、安全性等因素，选择最优玻璃划分方案创造合理且美观的入口形象。

4)多专业三维协调、碰撞 本项目涉及专业众多，特别是机电专业系统规模庞大，需合理规划空间，提高空间利用率。设计阶段基于BIM模型辅助各专业综合协同设计，有效减少专业内部及各专业间碰撞、不合理空间利用问题。

5)虚拟仿真漫游 通过对整体场地、走道、精密空调间等区域进行虚拟仿真漫游，实现项目设计方案全方位展示，能身临其境感受建筑内外部空间，同时可查验设计方案是否达到相应要求及预定目标。

6)辅助施工图设计 本项目研究基于Revit出图效果。Revit对图纸详图-图号关联一致性，即绘制详图符号时产生详图视图，该做法可有效减少部分施工图出图发生错误。

3.2 施工阶段BIM应用

1)施工场布规划 根据实际情况及工程进度，提前在模型中合理规划场地。在基坑及地下室施工阶段，通过场布规划，消除可能出现的空间冲突，并给出最合理的工作路线，保持施工顺畅，如图4所示。

图4 不同施工阶段场布模型

2)BIM辅助图纸会审 利用施工图模型辅助现场图纸会审，可发现图纸及模型存在的问题。同时，通过问题表单的方式进行图纸问题沟通、留档及追踪。

3)多专业综合深化设计 对土建、机电、钢结构、幕墙、精装专业进行BIM深化工作。BIM深化工作遵循以下原则：①模型沿用原则 指沿用设计模型，有助于提高模型利用率，防止资源浪费；②多专业协同原则 指土建、机电、钢结构、幕墙、精装等专业需协同深化，防止因信息不对称造成的专业间设计深化问题。在管线深化综合优化过程中，同时考虑施工可行性、运行维护等因素，使BIM模型达到可指导施工的精度。业主及设计方基于模型进行BIM深化成果确认，最后利用确认好的模型导出施工图指导施工。

4)施工模拟及方案验证优化 基于综合优化后的BIM深化模型，与临时设施、大型机械设备等施工模型，对施工流程和重点施工内容进行模拟，如群体性深浅基坑开挖模拟、支撑栈桥拆除模拟、群塔施工模拟及塔式起重机防碰撞验证、管线设备安装模拟及检修空间验证、大跨度钢结构施工模拟、多类型幕墙安装工艺及进度模拟、高大模板施工模拟等，以辅助验证及优化施工方案，提高方案合理性，最终模拟成果通过可视化交底，提高交底效率，辅助规范化施工。

本项目涉及群坑开挖及结构穿插施工，施工期间交通组织困难。根据总体开挖安排和以U形运维区为重点的土方开挖技术，建立模型，模拟土方总体开挖安排和U形运维区开挖施工流程。经过土方开挖模拟，辅助优化基坑开挖分块、步序及施工期间的场内交通组织。

本项目涉及群塔施工，各塔式起重机均有不同程度的重合区域，需通过模拟进行验证。根据各工况下的塔式起重机平面布置图，建立三维模型，模拟塔式起重机移动状态，分析群塔作业是否能够顺利进行，如图5所示。主要验证群塔作业时，小车在前端，塔式起重机钢丝绳与其他塔式起重机的碰撞。

图5 群塔施工模拟及塔式起重机防碰撞验证

为保障在1.8m宽狭窄走道内顺利安装机电系统，同时验证检修空间的合理性，进行重点区域管线安装模拟。

本项目针对30m大跨度钢结构连廊、65t出入口钢桁架等部位，进行节点吊装模拟，以保障复杂工况下钢结构顺利吊装。

为确保多类型幕墙有序施工，进行点支撑玻璃雨篷、蜂窝铝板系统、干挂石材系统、铝合金装饰百叶等多节点、多类型的幕墙安装模拟及整体进度模拟。

5)BIM+Trimble测量机器人应用 施工期间，采用Trimble测量机器人——天宝机器人，基于BIM模型进行放样，应用流程如下：模型导入→点选放样点或复核点→现场测量→定位放样。采用全站仪放样D5楼首层需要3.5h，3.5个人工，天宝机器人放样D6楼首层需2h，2个人工，有效提高测量放样效率，同时减少人工。

6)BIM+二维码技术应用 通过BIM+二维码技术，辅助现场实现构件信息查询、新增及修改。流程如下：①BIM平台生成构件二维码；②将二维码打印后粘贴于现场构件上；③手机扫描、查看、添加、修改构件信息。

7)BIM+VR技术应用 利用BIM模型及VR设备，对大堂精装方案进行VR展示，以指导现场施工。

8)施工进度5D模拟分析 施工期间，基于模型对计划进度与实际进度进行模拟分析，为进度计划调整优化、人员机械设备材料等资源合理配置提供依据。同时基于BIM模型对D3楼结构混凝土、钢筋、建筑门窗等进行工程算量，并比较分析实际用量与模型量，结果显示，模型量与实际用量虽有偏差但大致相符，当模型深度及精度达到一定要求时，模型算量具有一定参考意义。

9)预制构件BIM应用 对预制构件进行模型搭建→深化→加工→预拼接模拟→现场安装等全过程BIM应用，辅助现场预制构件全过程管理。

10)BIM模型全过程维护 施工期间总承包对施工模型进行全过程维护，保障模型及信息及时更新，反馈设计及施工最新情况。

11)竣工模型整合及交付 总承包通过对最终模型进行处理、信息调整，以满足运维需求，整合形成完整的竣工模型，实现模型、图纸及实物的高度一致，最终形成的数字化资产交付业主用于运维。

3.3 基于BIM的协同管理平台应用

为提高各参建方的工作协同效率，保证数据信息传递及时、有效准确，保障各流程责任的可追溯性，满足轻量化展示及质量、安全、进度管理需求，结合项目特点，定制开发应用于施工阶段的BIM协同管理平台。

3.3.1进度管理

在进度管理中，通过施工单位上报施工计划与实际进度，经监理单位审核后，使用BIM模型直观向业主单位展示进度现状。通过进度追踪及偏差分析，优化调整施工进度。

3.3.2质量安全管理

1)质量安全资料管理 质量、安全资料归档，同时每份资料与工程构件关联，做到以模型为载体，集成施工过程中所有信息，为将来的资料追溯及后期运维打下基础。

2)现场协同 通过移动端采集现场照片，发现问题及时上报，并进行协同处理，避免因纸质版流程造成问题滞后。

3.3.3资料管理

项目人员在施工过程中关联施工资料上传平台与模型，可查看施工进度、质量、安全等资料。该平台可实现设计施工资料与多方BIM资料有效管理。

3.3.4流程管理

BIM协同管理平台的流程管理系统优点是实现流程自定义，参与方可在平台上灵活制定不同协同工作流程。将签证管理流程、设计变更流程、技术核定流程、工程结算流程、BIM成果审核流程等搬至线上操作，提高多方协同工作效率。

3.4 运维阶段BIM应用

3.4.1策划与技术准备

为实现数据中心智慧运维管理，策划开发基于BIM的运维平台，主要实现以下目标：①从空间和逻辑方面全方位可视化展示数据中心，为数据中心的日常运维管理提供智能化的人机交互平台；②有效提升运维管理工作效率，实现数据中心立体化、透明化、可视化管理。

在运维BIM应用开展前，需要将最终形成的竣工BIM模型转换为运维模型，首先制定BIM建模规则，有效约束上游模型，同时形成模型审核机制，确保模型质量，保障模型在运维阶段的应用，再通过各模型逻辑计算，将几何关系转换成计算机语言。其中最核心的是将施工模型转换为运维模型，包括运维对象提取、模型关系生成、修复、美化等，该系统基于BIM生成满足运维要求的VR模型。各系统因数据结构不一致导致与BIM整合困难，为此采用系统对接系统、系统对接设备、系统对接设备中的具体构件模式。

该运维平台创新点如下：①实现3D可视化系统与竣工模型及数据库的无缝对接，实现BIM模型及数据的价值最大化；②通过处理BIM模型轻量化，实现最优可视化展示效果及操控体验。平台数据流策划网络及系统架构如图6，7所示。

图6 运维平台数据流网络

图7 运维平台架构

3.4.2运维管理平台应用

平台功能包括空间管理、自动巡检、设施管理、能源管理、安防管理等。该平台实现多源异构数据集成及可视化展示，监控终端设备数量约10万台，预设采集约150万项监控指标。

1)空间管理 基于BIM整合楼内所有房间的几何和非几何信息，包括所有构件的统一编号、空间使用用途、空间面积等，管理人员可直接调取BIM相关数据进行参考及评估管理。

2)自动巡检 基于BIM实现以漫游方式自动巡检相关设施设备。同时通过云计算技术，将安防报警、视频监控和客服工单等运行数据实时显示在BIM中，一旦超出预定阈值，自动发出警报并产生工单推送至相关负责人。

3)设施管理 根据监测、维修及BIM信息做智能维保，包括检视建筑群设施及设备使用状况、派工维修、巡检保养、设备使用评估状况等。如发现同一批次设备报修率较高，则巡检整个批次设备，以减少突发故障。通过可视化管理，提高管理人员及维修人员的反应速度。

4)能源管理 监控和管理建筑群的能源状况并进行同比、环比分析，获取所有的能耗回路分类和实施运行情况，反映能耗真实占比和增长情况，通过数据挖掘方式，分析每个能耗回路的特征曲线。如果某月或某天与之前的能耗不一样，则被归于异常能耗情况，同时系统发起维修工单或维保工单，然后反映给相关负责人。基于BIM模型三维展示，更加直观监视追溯能耗源头等。

5)安防管理 将监控设备、报警、视频监控整合到系统中，监控建筑群的视频监控、门禁、周界等安防系统使用情况。如某个楼层电梯报修，可调出最近的监控。通过点选模型中的监控点位，可直观、快速、准确查看相应监控信息。

3.4.3运维过程中存在的问题分析

BIM运维应用涉及管理者、执行者等多层次人员，多数人员信息化应用能力较低，推广有一定难度。提高数据中心整体运维智能化和管理效率，实现综合管理平台的3D可视化，从空间和逻辑方面全方位展示数据中心，为数据中心的日常运维管理提供可视化人机交互平台。消除管理及运维过程中不同角色间的认知偏差和监管盲区，有效提升管理工作效率，实现数据中心立体化、透明化、可视化管理。但BIM运维平台只解决BIM技术问题，未能深入管理流程解决运维过程中的问题。

4 结语

目前我国数据中心项目BIM技术应用的深度不足，工程建设过程中，BIM技术应用易出现不落地的现象，导致BIM应用效益偏低。本文通过研究某超大型数据中心项目BIM应用，从全过程BIM应用策划、应用实施、管理等方面阐述BIM应用情况。

全过程BIM应用策划是实现BIM技术深度应用的前提。从项目特点分析BIM需求，完成总体BIM应用目标。基于BIM应用目标，策划BIM应用内容、应用标准、管理方案等。同时BIM咨询顾问基于实际情况，分阶段优化调整BIM策划内容，以指导各参与方的BIM工作实施。

本项目在建设全过程、全专业都应用BIM技术。设计阶段通过幕墙立面研究、光照分析等，有效辅助幕墙方案比选及业主决策。通过CFD数值模拟，辅助优化设计方案，提高机房及屋顶的空间利用率，同时有效降低空调预期能耗；通过多专业BIM协同设计、管线综合等应用，解决众多机电管线排布、净高、碰撞等设计问题，提高设计质量。施工阶段通过场布建模及分析，辅助施工场地布置规划，利用施工图设计模型辅助图纸会审，基于各专业BIM模型进行综合深化，在施工前解决各类专业内部及专业间的碰撞问题，并利用BIM出图指导现场施工；通过各类施工方案模拟，有效辅助施工方案验证及优化；通过天宝测量机器人、二维码、VR技术等BIM+应用辅助项目施工，提高施工精细化管理水平。基于项目需求研究并开发BIM协同管理平台，有效辅助施工期间的进度、质量、安全、流程、资料管理。运维阶段基于BIM运维管理平台，实现对数据中心资产、容量、设备运行等方面的智慧管理。

全过程BIM管理是BIM深度应用及实施的保障。通过制定BIM工作流程，有效约束和管理项目各参与方的协作方式。通过调整优化BIM计划、过程进度跟踪、偏差分析及计划，有效管理BIM实施进度，从而保障BIM应用的时效性。通过制定BIM应用标准以实现BIM质量管理有法可依，审核评估各参与方的BIM成果，严控BIM成果质量。