基于BIM的智能建筑的動態(tài)信息擴展

王劍 賀海斌

【摘 要】建筑信息模型（BIM）是當今建設行業(yè)中的技術熱點，用于支持建筑物各專業(yè)在其全生命周期內的協(xié)同決策。針對智能建筑物與普通建筑物在設計和運營階段的差異，探討了BIM技術在智能建筑中的應用，因傳統(tǒng)的BIM解決方案由于其靜態(tài)特性并未涵蓋智能建筑技術的所有需求，提出采用動態(tài)BIM進行智能建筑的信息擴展，以彌補傳統(tǒng)BIM在智能建筑物生命周期設計和運行階段的差距。

【關鍵詞】BIM；智能建筑；動態(tài)信息

中圖分類號： F416.92；TU855 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0019-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.007

0 前言

本世紀人們所關注的全球性問題之一是世界對能源需求和可用能源消耗的巨大增長。在過去的50多年里，計算機性能提高了數(shù)百萬倍。這兩個因素的結合使得智能技術成為節(jié)約資源、提高人們生活舒適度的重要主題和可行的方法之一。智能技術的重要組成部分是智能建筑[1]。

對于當今的建設行業(yè)，我們有很多規(guī)范、標準和面向設計、施工、運維管理的輔助工具。其中一個強大而有廣闊應用前景的工具是BIM（建筑信息建模）。然而由于其靜態(tài)性質，傳統(tǒng)BIM不能作為創(chuàng)建用于設計和運行智能建筑物的CAD系統(tǒng)的可靠基礎。首先，傳統(tǒng)的BIM是靜態(tài)的，因為它們不能向我們展示發(fā)生在建筑物中的過程，它們只顯示物理建筑特征。結果表明，對于智能建筑的可靠設計，我們需要建筑物的智能（建筑智能指數(shù)，BIQ）[2-3]和模型（MODEL），使我們能夠模擬建筑物內的環(huán)境變化和居民活動以便于考核BIQ。 其次，傳統(tǒng)的BIM是靜態(tài)的，因為所有的模型更新都是由工程人員手動完成的。這在操作階段非常不方便。因此，建筑模型可能已經過時并且不正確，使得它無法用于有效的設備管理。為了在建筑物生命周期的運營階段支持決策，需要一個顯示實際參數(shù)和過程而不是設計值的模型。

1 BIM的動態(tài)擴展

與動態(tài)建筑信息模型的利益相關者有：智能建筑解決方案的開發(fā)者； 設計師可以選擇現(xiàn)有的一些智能建筑解決方案；建筑設備管理者；規(guī)范和標準的開發(fā)者[4]。

動態(tài)建筑模型可能對智能建筑解決方案的開發(fā)者有用。開發(fā)者應該以某種方式測試和驗證他們的產品。顯然，不可能在真實的建筑物中驗證真實居民的所有情況。因此，智能建筑解決方案的開發(fā)人員需要建立一個模型，以模擬在建筑物中進行的過程，以測試和調試其算法。 除了測試功能要求（即由建筑物人工智能所做的正確決定的百分比）之外，動態(tài)模型還可以用作非功能（性能）要求的測試環(huán)境。性能是構建建筑智能的關鍵。如住宅建筑通常傳感器觸發(fā)和響應之間存在滯后，包括算法復雜性+網絡延遲+硬件延遲。 這種滯后不應該太長以致不便居民。找到其中的原因，對住宅建筑內居民的舒適度進行改進。

設計師想知道如何為特定建筑選擇最佳的智能建筑解決方案？要找到更好的方案，我們需要一個正式、理想的量化表達式來定義“最佳”。作為建筑智能的一種測量和評價，我們可以使用建筑智能指數(shù)。由于動態(tài)建筑模型可以模擬環(huán)境變化和居民活動，因此可以用它來計算BIQ。

設備管理人員在運營階段需要可靠的近實時管理和監(jiān)測功能。當然由于在設計階段的假設不準確，建筑功能與預期略有不同。由于建筑物配備了因環(huán)境變化和人們活動觸發(fā)的傳感器和儀表，可以使用傳感信息實時且自動調整建筑模型。因此，可隨時看到建筑物正在發(fā)生什么變化。設備管理部門可以使用最新的信息來更有效地規(guī)劃一些活動，例如特殊情況下的緊急疏散。特殊模塊可以使用累積數(shù)據自動執(zhí)行分析以檢測設備故障。例如，某特定建筑區(qū)域盡管加熱器始終工作在較高功率狀態(tài)，但其溫度長期低于正常水平，向修理組發(fā)送通知，說明檢查的原因和特定設備。

因為動態(tài)模型反映了建筑物的實際狀態(tài)和行為，并能根據各種因素解釋建筑物狀態(tài)的變化，所以建筑模型可以成為用于建筑設計的標準與其實際性能之間的橋梁。它可以在沒有特殊檢查的情況下判斷設計規(guī)范的實際達成度，了解規(guī)范與工程現(xiàn)實之間的差距，最后確定標準以實現(xiàn)更好的建筑表現(xiàn)。

2 BIM和相關軟件基礎設備的動態(tài)擴展架構

如下圖1顯示了動態(tài)建筑信息模型和相關軟件基礎設備的組件級架構。

模型構建器接收關于建筑物的拓撲和幾何信息來定義模型的靜態(tài)屬性。要定義動態(tài)屬性，需要場景來執(zhí)行建筑過程的模擬，接收包含有關環(huán)境變化和居民活動信息的情景。這種模擬可以被智能建筑解決方案的開發(fā)者用于測試和調試目的。此外，設計師還可以使用它來計算BIQ，這對于為特定建筑物選擇最佳智能建筑解決方案至關重要。

在運營階段，由于模型將使用真實設備的實際現(xiàn)場信息來更新其狀態(tài)，因此不需要使用場景。作為一個始終保持最新狀態(tài)的動態(tài)模型，它可以用于實時監(jiān)控，這對設備管理人員非常有用。為了允許消息傳遞到某些目的地，消息解析被用來實現(xiàn)發(fā)布（見圖2）。如今，硬盤容量已變得越來越大，允許存儲大量的信息。我們可以利用它存儲歷史數(shù)據中的所有環(huán)境變化和真實設備的居民活動。歷史數(shù)據的儲存給了我們一些新的功能。

首先，歷史數(shù)據可用于報告和分析目的。可能的分析任務的一個例子是預測故障檢測。這些技術旨在按優(yōu)先順序安排維護，以防止意外的設備故障。它使設備管理更加透明。規(guī)范和標準開發(fā)人員可以從可從歷史數(shù)據存儲中檢索的報告中受益。報告包含有關實際建筑物參數(shù)的信息，如果它們與設計值差別太大，并且差異不是由設備故障引起的。報告中還包含一些可能解釋差異的上下文。規(guī)范和標準開發(fā)人員可以使用這些報告來調整舊規(guī)范文檔和開發(fā)新文檔。

其次，歷史數(shù)據可用于智能建筑解決方案的回歸測試。軟件通常是反復測試的，通常是在每次反復測試和糾錯之后，添加新功能并發(fā)布新版本的產品。引入一個數(shù)據存儲，在我們擁有所有輸入（事件）和輸出信息的情況下，我們可以在每次系統(tǒng)更新之前輕松進行回歸測試。我們可以使用歷史數(shù)據來運行模擬，并檢查所有子系統(tǒng)的工作性能是否更好，或者至少不會因處理不當比以前版本的產品差。如果由于某種原因系統(tǒng)性能變差，則不會安裝此更新。

此外，歷史數(shù)據可能是模擬建筑過程場景的良好來源。經過一些數(shù)據處理后，我們可以提取有關環(huán)境變化，居民活動和居民的偏好等信息。顯然，對于正在設計的建筑，我們只需要從具有相同功能目的和類似特征的建筑物中獲得場景。

最后，歷史數(shù)據可用于支持建筑物運營階段的決策。設備管理人員可以使用從存儲中提取的場景來更改模型并反復分析某些局部運營中的故障，以便在實際生活中實際實施之前了解更改的工作原理。

3 結論

前述內容已經表明，傳統(tǒng)BIM技術由于其靜態(tài)性質而在智能建筑方面存在一些差距，本文提出BIM的動態(tài)擴展來填補這些空白。其主要特點是：動態(tài)模型能夠顯示在建筑物中發(fā)生的過程，在運行階段，模型會自動更新并始終保持最新狀態(tài)。存儲保存建筑與環(huán)境相互影響的數(shù)據、住宅內居民的歷史數(shù)據用于支持上一級決策。

【參考文獻】

[1]李建成，王廣斌.BIM應用·導論[M].上海：同濟大學出版社，2015：10-27.

[2]丁士昭，等.建設工程信息化導論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]李建成.數(shù)字化建筑設計概論[M].（第2版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4]張建平，等.信息化土木工程設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.