基于BIM與GIS的智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)建模技術(shù)研究

黃楊成 李 健 張 蓉*

(江蘇科技大學(xué)船舶與建筑工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

作為目前建筑行業(yè)項(xiàng)目生命周期的傳統(tǒng)四部分，即規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段、施工建設(shè)階段、建筑運(yùn)營與維護(hù)階段和報(bào)廢拆除階段，是建筑工程對于建筑全生命周期常見的劃分。其中，運(yùn)維階段的資金成本構(gòu)成了建筑全生命周期的絕大部分，即占到了總成本的82.5%[1]。

由此可見，運(yùn)維階段的建筑項(xiàng)目成本與整個(gè)項(xiàng)目全生命周期成本有著密切聯(lián)系，其管理是否高效是項(xiàng)目運(yùn)維階段首要考慮的。但是我國建筑行業(yè)管理模式粗放，傳統(tǒng)建筑運(yùn)維管理與服務(wù)系統(tǒng)主要是通過簡單二維或三維圖形和紙質(zhì)資料匯總來保存建筑項(xiàng)目在各個(gè)階段的信息，以滿足建筑項(xiàng)目對運(yùn)維資料的管理，顯然這會(huì)引起很多額外的問題。主要體現(xiàn)在若干方面：

1)建筑設(shè)備運(yùn)維信息數(shù)據(jù)通常保存時(shí)間有限，且容易丟失或被篡改，其準(zhǔn)確性與安全性無法保障。

2)由于運(yùn)維數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大、周期長、內(nèi)容層次復(fù)雜，數(shù)據(jù)量往往很龐大，在查找時(shí)就需要查閱大量信息，且由于內(nèi)容層次復(fù)雜，很難關(guān)聯(lián)其前后信息，從而在運(yùn)維信息的橫向?qū)Ρ壬戏浅２焕硐?，不僅達(dá)不到預(yù)期效果還降低了管理與服務(wù)效率。

3)建筑運(yùn)維數(shù)據(jù)縱向的關(guān)聯(lián)難以實(shí)現(xiàn)。例如設(shè)計(jì)階段圖紙需要變更，則不能保證變更的信息及時(shí)反饋到圖紙上，涉及到多處細(xì)節(jié)需要修改時(shí)，極易造成工作的繁重和時(shí)間、資源與人力的浪費(fèi)，不僅影響工作質(zhì)量，還可能拖延項(xiàng)目工期。

4)導(dǎo)致建筑運(yùn)維階段管理與服務(wù)難度和經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本提高的主要原因是建筑運(yùn)維階段信息數(shù)據(jù)的集成和傳遞缺少高效管理[2]。

因此，基于BIM與GIS的建模技術(shù)建立建筑設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)庫，完善運(yùn)維管理系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)運(yùn)維服務(wù)存在的一些問題，實(shí)現(xiàn)三維立體、智慧、可感知的建筑運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建，不僅能提高管理效率，還節(jié)約運(yùn)營成本。

1 BIM與GIS融合度分析

BIM技術(shù)在三維模型與各類數(shù)據(jù)的集成管理方面效率高，可視化程度明顯，數(shù)據(jù)種類豐富，是運(yùn)維管理的理想工具，但BIM模型數(shù)據(jù)的來源和種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)建筑三維模型，而且龐大的模型數(shù)據(jù)量又加大了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)荷。因此如何高效獲取所需數(shù)據(jù)、又能使BIM模型輕量化，是構(gòu)建智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的建模技術(shù)中的重點(diǎn)之一。

1.1 BIM與GIS技術(shù)契合性分析

BIM與GIS技術(shù)不同點(diǎn)在于，BIM技術(shù)能劃分設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的物料屬性信息，如外形、大小、所占空間，并能及時(shí)匯總進(jìn)行橫向比較，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)運(yùn)維管理與服務(wù)方式上的缺陷，而且BIM提供的可視化管理降低了管理與服務(wù)的門檻，方便更多業(yè)主與用戶參與到建筑運(yùn)維中，集思廣益使其更智慧更高效。而GIS技術(shù)則是對建筑項(xiàng)目外部環(huán)境、現(xiàn)有建筑群的分布和目標(biāo)建設(shè)項(xiàng)目外部形狀的客觀描述，是一個(gè)具備模型建立以及環(huán)境設(shè)備數(shù)據(jù)查詢和分析功能的平臺(tái)。

因此，BIM與GIS的契合性主要體現(xiàn)在三方面：第一，BIM技術(shù)側(cè)重單體建筑內(nèi)部和詳細(xì)建筑信息的匯總整理，為運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)提供良好的建筑內(nèi)數(shù)據(jù)支持，但對建筑外部環(huán)境的模型和信息數(shù)據(jù)匯總很少，而GIS對建筑群及其外部環(huán)境建模有著良好表現(xiàn)，不僅能準(zhǔn)確反映外部環(huán)境及其特征，而且快速高效，彌補(bǔ)了BIM自身缺憾；第二，兩者技術(shù)基礎(chǔ)都包括圖像處理和數(shù)據(jù)庫管理與開發(fā)，有著良好的相通性，這為智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)可視化功能提供了較好的基礎(chǔ)；第三，二者在模型數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)與方式上相似，甚至二者的數(shù)據(jù)在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下可以相互轉(zhuǎn)化。因此可將BIM與GIS數(shù)據(jù)通過某一標(biāo)準(zhǔn)相互傳導(dǎo)，互作數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)受體，可以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)備智慧運(yùn)維的良好管理與傳遞。

1.2 BIM與GIS數(shù)據(jù)交互性分析

IFC(Industry Foundation Classes工業(yè)基礎(chǔ)類)，又常被稱為IFC標(biāo)準(zhǔn)，是國際合作聯(lián)盟國際聯(lián)盟(IAI)建立的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性名稱，運(yùn)用IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件具有良好的平臺(tái)無關(guān)性，它是一個(gè)中性的數(shù)據(jù)文件，具有自描述能力好等特性，不會(huì)由于軟件系統(tǒng)的任務(wù)終止而引起信息丟失等問題。

IFC標(biāo)準(zhǔn)正在成為大多數(shù)BIM軟件和相關(guān)技術(shù)的通用格式，以便提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口。不同的BIM模型信息的軟件可以轉(zhuǎn)換成相同的IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，從而形成了同一數(shù)據(jù)模型的建筑產(chǎn)品[6]。

2 基于BIM的智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1 智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的定義

目前，國內(nèi)外并沒有關(guān)于智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的完整定義，根據(jù)類似運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)在使用中的情況，智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的運(yùn)維系統(tǒng)的區(qū)別在于，它是整合人員、設(shè)施、環(huán)境和技術(shù)，通過BIM與GIS等可視化技術(shù)的相互結(jié)合的管理與服務(wù)系統(tǒng)。它具有高度的包容性，融合了建筑智能化、設(shè)備管理、能源管理、物業(yè)管理等功能。但各模塊的融合并非簡單的數(shù)據(jù)采集和表現(xiàn)，而是使各個(gè)功能模塊能夠相互調(diào)用、影響，從而形成新的應(yīng)用。龐大的底層系統(tǒng)更可以支持用戶新的應(yīng)用擴(kuò)展，以滿足各種層次需求。

2.2 建立智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的面向?qū)ο笾饕獮楣芾碚咭约拔飿I(yè)管理人員，同時(shí)其高效直觀的可視化特點(diǎn)可使未受過專業(yè)訓(xùn)練的業(yè)主也能較好操控。根據(jù)面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，基于BIM和GIS模型開發(fā)的運(yùn)維管理與服務(wù)數(shù)據(jù)庫，將可以與二維圖紙、運(yùn)維文件等信息和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化交流，不僅信息交流和反饋?zhàn)兊每焖?，可視化效果好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的場地管理、氣候管理、空間管理、設(shè)備管理、合同管理和應(yīng)急管理等，能從各個(gè)方面、由內(nèi)而外對設(shè)備信息全面、智能化管理,實(shí)現(xiàn)了管理的安全、實(shí)時(shí)、高效性,為實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行維護(hù)管理和服務(wù)系統(tǒng)的宗旨提供可能。目前，數(shù)據(jù)庫基本可分兩大類：外部信息和內(nèi)部信息，如圖1所示。

3 BIM結(jié)合GIS技術(shù)的建筑及周圍環(huán)境快速建模

3.1 地形等自然條件建模

在工程的運(yùn)維階段，其模型數(shù)據(jù)主要來源于場地地貌、植被、河流、氣候等因素在設(shè)計(jì)施工階段的綜合體現(xiàn),這些因素是影響建筑物運(yùn)行和維護(hù)外部環(huán)境決策的重要因素。其建模準(zhǔn)確度與效率的高低，決定了場地分析及評價(jià)的準(zhǔn)確度。場地條件管理分為：地形地貌、氣候管理、空間管理。

傳統(tǒng)的場地分析方法，存在定量分析不足、主觀因素過重、信息調(diào)取與傳遞困難、無法集中處理大量數(shù)據(jù)等弊端。因此，利用BIM針對單體建筑的詳細(xì)可視化管理結(jié)合GIS對建筑群外環(huán)境的空間外環(huán)境管理，包括土地、基礎(chǔ)設(shè)施等，采用Autodesk Revit與GIS的結(jié)合，快速生成目標(biāo)單體建筑內(nèi)部環(huán)境和目標(biāo)建筑周圍外環(huán)境模型，不僅使管理者了解建筑運(yùn)維信息，及時(shí)做出調(diào)整，還能使普通業(yè)主用戶直觀了解計(jì)劃和管理意圖,促進(jìn)溝通和信息傳遞。在3D地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行了分析,并對環(huán)境進(jìn)行了仿真分析，再加上地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評估，生成智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)的外部信息。

3.2 建筑快速建模

為實(shí)現(xiàn)建筑快速建模，必須摒棄傳統(tǒng)的電子繪圖方式——從建立軸網(wǎng)開始逐步建立建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在Revit軟件中，可通過概念體量族功能實(shí)現(xiàn)類似Sketch up的功能，直接操縱設(shè)計(jì)中的點(diǎn)、邊、面，創(chuàng)建形狀以研究包括拉伸、掃描和放樣的建筑概念。達(dá)到快速的外觀建模。同時(shí)，還可以這些族為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用墻、屋頂、樓板和幕墻系統(tǒng)來創(chuàng)建更為詳細(xì)的建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行初步的空間分析。如圖2所示，根據(jù)研究的對象，可以適當(dāng)簡化周圍環(huán)境建筑不必要的建模，以達(dá)到更快的建模速度。

3.3 建筑光環(huán)境建模

Autodesk Revit利用基于蒙特卡洛算法的引擎，使太陽光照明分析成為可能，通過準(zhǔn)確地建立室內(nèi)外照明模擬的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置不同的模擬參數(shù)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)或研究的目的。生態(tài)分析是一種建筑物理分析的模擬工具，范圍從太陽輻射、陽光、遮陽、照明、植物、室內(nèi)聲場和室內(nèi)風(fēng)場等7個(gè)方面都可以進(jìn)行模擬，包括熱和風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、陽光、經(jīng)濟(jì)環(huán)境影響和能見度、建筑物理環(huán)境[6-9](見圖3)。

3.4 設(shè)備建模

建立建筑外環(huán)境與內(nèi)環(huán)境的BIM-GIS設(shè)備運(yùn)維三維數(shù)據(jù)模型后，仍然需要設(shè)置運(yùn)維設(shè)備的三維和信息數(shù)據(jù)模型，并追加設(shè)備的必要運(yùn)維信息，包括設(shè)備的基本狀態(tài)信息、維護(hù)信息、各個(gè)時(shí)期的合同信息和成本信息等等，以共享的形式添加。這些信息可以獨(dú)立導(dǎo)出，生成數(shù)據(jù)庫可讀的文件格式，如ODBC格式等，導(dǎo)入相應(yīng)設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)庫文件，可以做進(jìn)一步開發(fā)，見圖4，圖5。

4 結(jié)語

基于BIM提供的信息共享展示平臺(tái)，綜合應(yīng)用BIM技術(shù)以及快速建模技術(shù)，利用集成設(shè)備信息的BIM-GIS模型對建筑內(nèi)外環(huán)境中的設(shè)備等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢與匯總，從而建立了建筑設(shè)備運(yùn)維管理與服務(wù)數(shù)據(jù)庫，通過BIM提供的運(yùn)維數(shù)據(jù)模型共享平臺(tái)，使參與工程的各方對工程的運(yùn)營與維護(hù)的管理服務(wù)信息進(jìn)行共享，實(shí)現(xiàn)智能、高效、安全且直觀的操作和維修服務(wù)的平臺(tái)，它不僅消除了信息不對稱等弊端，而且實(shí)現(xiàn)了快速查詢、設(shè)備信息的數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計(jì)功能，大幅度延長運(yùn)維數(shù)據(jù)保存時(shí)間，提高數(shù)據(jù)信息反饋速度與安全性，為管理者節(jié)約了大量的時(shí)間。但是，智慧運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)停留在初步階段，在系統(tǒng)應(yīng)用和BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究上仍不夠深入，對運(yùn)維管理階段數(shù)據(jù)的信息和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，還需要繼續(xù)深入研究相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、整合、優(yōu)化等問題，進(jìn)一步將個(gè)體建筑運(yùn)維拓展到建筑群(社區(qū))的運(yùn)維。

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