文化场馆开馆后建设基于数字孪生的建筑智慧运维系统的应用实践*

余芳强 徐晓红 宋天任 张淳毅

(1上海建工四建集团有限公司, 上海 201103; 2.上海科技馆, 上海 200127)

1 项目概况

为加快推进上海科技创新中心建设,“十三五”期间上海市政府主导建设了多项重大文化场馆。但由于我国建筑业长期“重建设、轻运维”,导致新建文化场馆在开馆后面临运维人员紧张、专业度不够、智能化系统落地应用难等普遍问题。特别是在疫情防控常态化形势下,传统的“出现问题、解决问题”的被动式建筑运维模式难以满足需求,急需主动式、智慧化的运维管理模式和技术。

上海天文馆坐落于上海市浦东新区临港新片区滴水湖畔,占地面积58 603 m2,建筑面积37 741 m2,2016年11月8日开工建设,2021年7月17日正式开馆,是集教育、研究、收藏、展示、交互功能为一体的重大文化场馆,为世界规模最大的天文馆[1],如图1所示。

上海天文馆作为一座大体量异形建筑,建设难度大,建筑信息模型(BIM)技术在设计和施工阶段全面应用,最终交付了竣工BIM[2]。但由于对运维阶段BIM需求不明确,业主并未对竣工BIM进行针对性的验收工作;并且开馆后部分空间增加了隔断、变更了功能,未及时更新模型,导致BIM难以应用于运维管理中。上海天文馆建筑智能化水平较高,部署了楼宇智能系统、能耗计量、智能安防、智能消防、太阳能监测等系统,系统多、数据量大。但在开馆试运行时发现各智能化系统相互独立,使用不便,难以实现系统联动。另外,由于智能化系统点位变更,竣工资料缺、漏、错现象普遍存在[3],给智能化系统使用带来较大困难。

图1 上海天文馆实景Fig.1 A picture of shanghai Astronomy Museum

在智慧展馆建设和“碳达峰、碳中和”背景下,天文馆运维方决定以数字孪生模型为核心,融合BIM和各个建筑智能化系统数据,建设数据驱动的智慧运维系统。上海建工四建集团作为智慧运维系统建设方,结合上海天文馆项目实际需求,提出了基于数字孪生的智慧运维实施方案,并落地实施,达到以较低成本、较快速度提升上海天文馆的运维智能化水平的效果。上海天文馆是典型的现代化科技馆,本项目的智慧运维系统实践经验对其他新建、改扩建和新开的科技馆的智慧运维建设具有一定借鉴意义。

2 建筑数字孪生模型构建方法

2.1 问题分析

数字孪生模型是在计算机里建立的建筑实体的孪生体,需要准确描述建筑构件的几何、物理信息,以及建筑系统中设备上下游逻辑控制关系等系统机理,并感知建筑动态运行状态[4]。其中,建筑构件的几何和物理信息由BIM构建,建筑运行状态由建筑智能化系统采集。但由于建造和运维需求差异大,现有以建造应用为主的BIM不满足运维需求[5]。并且天文馆建筑系统复杂,系统机理建模工作量大。另外,天文馆建筑运行状态数据由多个智能化系统采集,来源多、结构差异大、融合难度高[6]。因此,首先需要解决数字孪生模型构建的问题。

为高效建立天文馆的建筑数字孪生模型,本研究对天文馆试运行期间的相关问题进行了深入调研,总结出主要问题如下。

1)竣工后,展陈布置等需求导致空间划分变更、管线迁移、设备点位优化,而竣工模型未能及时根据现场变化而调整,导致竣工BIM的空间、设备、管线等元素的几何和物理信息与现场不一致;

2)分楼层创建的竣工BIM中,跨楼层的建筑机电系统的物理连接断开,设备上下游控制等系统机理缺失,不满足运维管理要求;

3)各个智能化系统相互割裂,不提供数据互用接口,数据映射工作量大、融合难度高。

2.2 数字孪生模型构建流程

针对以上问题,本研究提出了新开天文馆建筑数字孪生模型构建流程,如图 2所示,包括BIM模型审核与完善、几何模型轻量化、系统机理模型构建、智能化系统数据融合等步骤,最终形成融合“建筑信息+系统机理+运行状态”的数字孪生模型。

图2 建筑数字孪生模型构建流程Fig.2 The modelling procedure of building digital model

2.3 基于智能设备的模型审核与完善

2.3.1基于混合现实(MR)设备的BIM几何模型审核方法

为保障BIM中几何模型与建筑实体的一致性,满足运维要求,本文采用头戴式MR设备将BIM投射至现实空间,实现模型和实体的快速比对,从而找到模型与现场不一致问题点,如图3所示。主要步骤如下:

1)将模型转换为IFC格式,上传至MR设备中;

2)选取模型中2～3个平面,通过程序自动与现实平面贴合定位,实现将模型投射至现场;

3)直观查看混合现实画面,检查模型与现场不一致位置;

4)针对构件尺寸或位置不一致的问题,应用MR设备测量模型与现实的误差;

5)针对误差超过运维要求的区域,对BIM几何模型进行修改。

2.3.2基于移动端的BIM属性信息审核与完善方法

针对新开天文馆内部空间名称、使用部门、功能等属性信息,以及设备的名称、类型和供应商等信息与BIM不一致的问题,本研究采用基于移动端的属性信息审核与完善方法。主要步骤如下:

1)将竣工BIM通过轻量化插件转化为网页端可打开的模型,支持通过平板电脑查看模型;

2)运维人员通过平板电脑逐个房间进行审核,确认房间名称、面积、使用和管理部门,以及房间内的主要设备的数量、位置、名称、类型、供应商等信息的一致性,如图4所示;

3)查验过程发现属性信息不一致问题,可直接在模型上修正;或标记后在BIM模型中修正。

a—基于MR对模型进行审核; b—模型与实体误差测量。图3 基于MR的几何信息一致性审核Fig.3 Checking of geometric model’s consistency by using MR

图4 运维人员使用平板电脑进行模型查验Fig.4 Model checking using tablet computers by operators

2.4 模型轻量化方法

文化场馆模型体量大,为提升运维使用模型的体验,需要进行轻量化处理。由于天文馆外形设计以异形多曲面为主,其幕墙模型采用了Rhinoceros软件进行高精度建模,模型文件约为18.6 GB,难以流畅渲染,无法直接用于运维管理。本文针对幕墙等复杂模型,提出了一种以贴图代替复杂几何模型的轻量化方法,具体步骤如下:

1)在建模软件中拾取复杂构件的面边缘,生成平滑曲面;

2)将原高精度模型表面凹凸纹理等细节渲染烘焙为贴图,形成高真实感材质球贴图;

3)将贴图配置到简化后的平滑曲面,通过基于物理的渲染管线进行高真实感渲染,可在三维场景下产生立体感,如图 5所示;

4)调整各个构件的材质、优化光照参数,使得渲染效果与实际建筑高度相似。

图5 基于贴图的装饰模型Fig.5 Lightweight decorative model based on texture

2.5 建筑系统机理模型自动构建

竣工BIM缺失建筑系统中设备上下游控制逻辑关系等系统机理信息,而系统机理对运维至关重要。譬如,查询地下室的冷水机组的上游冷却塔编号,通过物理连接查询需要遍历数十个管道才能追踪到,效率极低。因此,本文研发了一种根据建筑系统的物理连接关系自动生成其逻辑连接关系,具体步骤如下。

1)将BIM中机电系统抽象为有向连通图——即将机电设备、开关阀门、管道等元素抽象为图的节点,元素的连接器抽象为图的边,如图6a和6b所示,阀门A、泵A和连接的管道均为图的节点;

2)将物理连接图中设备、开关阀门等元素节点删去,将相互连接的一组管道节点抽象为一个管道团,每个管道团相互割裂,如G1、G2等;再根据物理连接图计算设备、开关阀门等阶段与各个管道团的连接关系,从而将设备与大量管道的复杂连接转换为设备到少数管道团的简单连接,如图6c所示;

3)在通过一个管道团连接的两个设备之间,建立逻辑连接关系;并根据设备与管道团之间连接器的方向,确定两个设备之间的逻辑连接方向,如图6d所示;譬如阀门A流向管道团G1,管道团G1流向泵A,则阀门A和泵A之间的逻辑连接方向为阀门A到泵A;

4)最后通过最短路径方法计算具有逻辑关系的两个设备之间的物理连接最短路径,并计算物理连接的方向,存入数据库;从而支持快速查询设备之间的逻辑关系和对应的物理路径。

a—某系统物理模型; b—物理连接图; c—计算设备之间的逻辑关系; d—计算设备与管道团的关系。图6 机电系统机理模型计算与建模方法Fig.6 Automatic construction of MEP systems’ mechanism model

2.6 智能化系统的动态运行数据融合方法

针对各个智能化系统之间难以数据共享的问题,本研究采用标准的信息通信协议集成各智能化系统实时数据流,如表 1所示;利用BIM数据结构化优势,将动态数据与建筑空间、设备、系统快速匹配,最终将海量异构数据汇集于数据仓库。具体步骤如下。

表1 建筑智能化系统的数据接口协议Table 1 Interface protocols of building intelligent systems

1)提取BIM中的空间、系统、设备、传感器以及设备编号、传感器编号等信息,存入数据仓库;

2)在边缘网关中部署ETL脚本,过滤重复数据和脏数据,支持断网续传,确保数据完整转发到数据仓库;

3)通过菜单配置的方式,将传感器监测数据的编码与BIM中设备编号或传感器编号匹配,从而无需编写代码即实现将监测数据关联到BIM;如图7所示,将BIM中配电系统的电表元素与能耗监测系统的用电数据快速关联;

4)以时间、空间、系统、设备、传感器类型等为维度建立数据立方体,支持对实时监测数据的多维度分类和统计,并形成可视化图表。

图7 菜单式配置BIM与动态监测数据的映射关系Fig.7 Mapping relations of BIM and dynamic monitoring data using menu

3 基于数字孪生的智慧运维系统开发

结合实际需求,在数字孪生模型构建基础上,本项目开发了天文馆建筑智慧运维系统,包括集成化运维管理、可视化空间管理、机电设备运维管理、维修管理和能耗管理等功能。由于本项目已投入运维,系统需求较为明确和聚焦。

3.1 集成化运维管理

针对现有运维管理系统数据分散、数据价值未能充分体现的问题,智慧运维系统提供了基于数字孪生的集成化运维管理功能,如图8所示。该功能支持运维人员在统一的模型中集中查询设备运行状态、设备预警和维修维保等信息,应用机理模型分析故障原因和影响范围,自动调取附近摄像头查看现场情况,快速调配维修班组和备品配件等运维资源,主动推送相关信息到维修班组,并支持维修班组将现场处理情况上传系统,形成闭环管理,如图9所示。系统实现了运维数据流和工作流的融合,提升故障处理效率。

图8 天文馆智慧运维系统的主页面Fig.8 Home page of intelligent operation and maintenance system for Shanghai Astronomy Museum

图9 移动端故障报修处理Fig.9 Handle repair events using mobile phones

3.2 可视化空间管理

天文馆的空间功能复杂,运维管理人员根据竣工图纸线下调配各个空间的使用部门和功能,沟通协调工作量大,效率低。智慧运维系统支持管理人员利用模型查询各个楼层的空间布局以及配电、通风、消防的条件,快速完成各个房间的使用部门和功能的调配决策,满足日益复杂的空间管理要求。

3.3 机电设备运行管理

天文馆中机电设备众多,客流量大,保障机电设备的稳定运行对天文馆运营极为重要。智慧运维系统基于模型可实现设备电子台账管理、运行管理、维修管理等功能。具体介绍如下。

1)电子台账管理:基于模型自动获取机电设备基础数据,建立设备台账信息,包括设备名称、类型、供应商等信息以及使用手册、维护手册等资料,为设备运行管理提供基础数据;

2)运行管理:在模型中查看设备运行状态和报警信息,查询故障设备的上游和下游的设备、阀门、管道和服务的空间,如图 10所示;对于空调箱等重点设备,可以通过精细化模型查看设备监测点位、报警的内部构件、维护维修方法等,用于日常培训和应急维修,如图 11所示;

3)维保管理:针对空调箱、电梯、冷水机组、冷却塔等重点设备,根据维保要求制定周期性维保计划,定期发起维保工单,分配给相关维保班组,支持在线处理、跟踪和审核维保工作,保障设备性能。

图10 查看设备服务范围Fig.10 View of a device’s service scope

图11 设备精细模型运行状态查看Fig.11 View of a device’s operation status in its fine model

3.4 在线化报修管理

智慧运维系统还支持在线化报修管理。一方面,当系统监测到机电设备发生故障时,系统会自动发送报修工单,根据空间和设备类型推送给相应维修班组。另一方面,游客或管理人员也可以通过电话、微信等方式上报故障,由后台管理人员录入维修工单,并人工分配给维修班组,实现在线化、闭环处理。

另外,系统以空间、系统等多个维度分析哪些区域故障比较多,或哪些系统故障比多,辅助主动维修改造决策;还可以分析哪些维修班组工作比较多,计算各维修班组的绩效;分析各维修班组的处理及时性,对维修服务工作进行质量评价。

3.5 能耗管理

在“碳中和、碳达峰”背景下,天文馆运维管理者也十分关注能耗情况,需要定期制定节能措施。智慧运维系统支持在模型中查看各区域、各系统的用能情况和同比变化情况,分析各个房间、各个区域的用能密度,如图 12所示;并针对用能异常区域,制定节能管理措施。

图12 能耗分析数据Fig.12 Data analysis of energy consumption

4 智慧运维系统应用

天文馆实际应用中,2个BIM人员和2个运维人员应用MR设备和平板电脑,用7 d时间完成了3.7万m2建筑面积的模型审核,并用10 d时间完成了模型完善。该方法不但使得BIM满足运维要求,还同步完成了建筑空间和设备接管,为后续运维人员采用BIM进行运维管理奠定了基础。但为了减少对天文馆运营的影响,现场审核时间大都选在晚上等非营业时间,人工成本较高。另外,通过模型轻量化,将运维BIM体量减少为施工BIM的20%左右,支持在三维引擎中流畅运行,渲染效果逼真。接着,1个BIM人员在7 d内修复了竣工BIM模型中跨楼层管道断开、设备与管道连接断开等建模问题,并在2 d内完成了机电系统逻辑关系构建。对比笔者之前采用人工方式对东方医院新大楼进行模型审核和系统机理建模的案例[7],该方法减少了30%的模型审核时间,节约了20%接管验收时间和大约95%的机电设备逻辑关系建模时间。

由于需要和4个系统的供应商商量数据对接协议,BIM与智能化系统对接历时大约6个月,而常规项目只需要1个月左右时间。首先运维团队使用1个月时间完成了4个系统的验收和审核,提出了数据对接的要求和存在的施工质量问题,并形成了与弱电分包的补充协议和质量问题处理联系单;接着,天文馆与施工总包和弱电分包通过4个月的沟通,达成了智能化系统数据开放和整改补充协议;最后,弱电分包通过1个月时间交付了满足需求的数据开放协议,并对智能化系统大部分遗留问题进行了整改。本项目由于在开馆后实施,很多系统供应商已退场,协同困难;导致电梯监测、智能照明、室内环境监测、安防巡更、门禁、停车管理等10多个系统未能对接,对智慧运维系统的功能完整性影响较大。

本项目通过9个月左右完成了智慧运维系统建设,并在上海天文馆完成了为期6个月的试运行。实际应用情况如图 13所示,逐步实现从被动式运维模式转变为主动式运维模式,对后勤、基建和安保等部门具有显著的价值。利用系统三维可视化特点,后勤部可对外部物业人员进行培训和工作交底,方便物业人员快速熟悉建筑布局和系统运行情况,提高了物业人员运维管理水平。使用过程中,后勤部门接收了132项设备报警,发起了572项报修工单;通过内置处理流程,辅助运维人员将报警与工单进行快速处理,平均故障处理时间减少30%以上。基建部门应用模型为空间改造和设施维修提供参考,提高决策效率。运维过程中系统识别到闭馆时段内,展厅空调开启的异常情况12次;识别到会议室、办公区空调被设置为18度的异常情况22次;识别到用能超高的5个空调设备,调研发现这些空调服务的房间,经常出现同时打开空调和窗户的情况。由于系统未能实现与空调系统的智能控制,因此系统将识别出的异常情况推送给运维管理人员,通过管理手段进行处理,节能效果显著。

图13 天文馆智慧运维系统应用实景Fig.13 Application of intelligent operation and maintenance system in Shanghai Astronomy Museum

5 开馆后建设智慧运维系统存在的问题与应对举措

5.1 智能化系统对接困难

开馆后建设智慧运维系统有以下三方面挑战:1)科技展馆智能化系统复杂,子系统已达20多个,且由不同的供应商提供;这些系统采取相对独立的控制软件,跨系统数据共享问题较突出,难以实现数据融合和集中管理[8];2)智能化系统的竣工资料由供应商交给弱电分包,再交给总包,最后交付业主,各环节缺乏审核,资料完整性、数据准确性验证困难,实际使用效果不佳;3)二次装修过程中对智能化系统维护不重视、不及时,部分传感器被破坏,影响实际使用[9]。

基于以上挑战,本项目提出了三方面的举措:1)根据运维需求,明确需要对接的智能化系统,包括BA系统、能耗监测系统、视频监控系统和安防报警系统;并提出了适宜的数据对接和验证标准,包括传感器编号、数据传输协议、网络连通等方面;2)与相应供应商签订补充协议,要求提供数据共享接口和对破坏的传感器进行修复;如有需要,可提供一定费用;3)梳理弱电分包原有工作的问题,对弱电分包单位提出相应整改意见,要求其在维保期内完成问题整改和补充协议相关内容;4)要求总包、弱电分包和相关供应商根据《建筑电气与智能化通用规范》等相关规范和合同要求,对需要对接的系统进行再次调试和数据准确性、完整性验收,包括传感器编号、位置、动态监测数据和报警预制等方面;验收合格后,才算完成保修期内工作;否则不支付工程尾款。

5.2 模型与现场一致性勘查困难

数字孪生模型创建需要对机电设备、开关阀门、主要管线和传感器点位等进行现场勘查,确保模型与现场一致性。在开馆后进行现场勘查工作,需要进入已投入使用的展厅等区域,协调工作量大;并且很多管线和阀门已被吊顶等遮住,勘查困难。因此,现场勘查是建立使用中建筑BIM的普遍问题[10]。

针对上述问题,本项目采用以下措施解决:1)结合实际运维需求,梳理运维关注的重点房间、设备、阀门、末端、管线等元素的台账,根据竣工图纸明确所在位置和所属系统;2)根据运维需求和《上海市房屋建筑施工图、竣工建筑信息模型建模和交付要求》等标准,制定各类元素的几何数据和属性信息的允许误差,如表 2所示;3)与各个区域的使用部门协商时间,先勘查设备机房、管道井等后勤负责的区域,再勘查展厅和办公区,尽量减少对科技馆运营的影响;4)对设备机房、管道井、走廊吊顶等管道复杂的区域采用MR技术,分区域、分楼层、分系统逐个排查模型与现场的一致性,对几何位置和尺寸误差超过允许范围的,采用MR设备直接测量、标记,方便后续修改;对不超过误差的偏差可以文字标记,或不做修改,从而提高模型审核和修改效率;5)采用平板电脑对所有房间、设备、开关阀门、末端和管线的属性信息进行核对,譬如名称、编号、型号、材质、供应商和重要参数等信息;若不一致,可以直接根据现场情况修改模型的相关属性;对于属性差异较大的,现场先拍照上传,后续再统一修改,提高效率;6)对于吊顶无法打开的区域,可以通过该区域附近的检修口,采用MR、平板电脑等设备对检修口可见区域的设备和管线进行复核;若存在误差,通过修改可见区域的管线,拟合不可见区域的设备和管线。

表2 竣工模型现场勘查要求Table 2 Requirements for site survey of as-built model

6 结 论

1)智慧运维系统建设对复杂文化场馆运维价值显著,包括提高空间分配效率,提升运维人员培训效果,提高建筑故障维修效率30%以上,监督设备按时维保,提升建筑可靠运行性等。对能耗数据的多维度分析,可以快速识别和定位空调温度设置过低、空开等异常情况,提高建筑节能管理精细化水平等。

2)通过基于MR和平板电脑的BIM模型审核和完善、基于图论的系统机理模型自动构建和“零代码”的智能化系统数据融合等技术,可以提升数字孪生模型构建效率30%以上,为智慧运维提供数据基础。其中MR设备可以直接测量实体与模型的几何误差,方便审核和修改几何数据;运维人员使用模型进行接管验收,即可审核和完善模型的属性信息,也可提升接管效率,具有推广价值。

3)文化场馆智能化系统种类多、各系统间数据不互通,开馆后进行智能化系统数据融合工作量大;因此,建议在智能化系统建设中提前策划,在建设合同中明确数据共享要求,并在竣工中针对性验收共享数据的准确性和完整性。鉴于常见的BA、能耗监测和视频监控等系统都有通用的数据开放接口,因此开馆后、维保期内仍能够进行智能化系统的数据融合;但数据对接周期会增加4个月左右,且只能对接少数、重要系统,使得智慧运维系统功能具有一定局限性。