BIM技術(shù)在建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)維中的應(yīng)用研究

范楷

【摘要】BIM技術(shù)在建筑的設(shè)計(jì)和施工階段已被廣泛的采用，本文著重研究BIM技術(shù)在建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)維中的應(yīng)用。使用建模軟件對(duì)智能化系統(tǒng)進(jìn)行BIM建模，基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型輕量化，轉(zhuǎn)換為Web端可流暢運(yùn)行的應(yīng)用模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成對(duì)智能化底層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，經(jīng)過界面的二次開發(fā)，建立基于應(yīng)用模型的建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)維平臺(tái)。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維圖表模式，基于BIM應(yīng)用模型的運(yùn)維平臺(tái)，延續(xù)了二維平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，并把智能化系統(tǒng)運(yùn)維提升到了三維的高度，對(duì)與管理者來說更加直觀，提高了運(yùn)維的效率。

【關(guān)鍵詞】BIM;輕量化;WebGL;應(yīng)用模型;數(shù)據(jù)交換

1、引言

在建筑智能化領(lǐng)域，傳統(tǒng)的運(yùn)維平臺(tái)界面基于二維圖表結(jié)構(gòu)，管理者很難直接去理解數(shù)據(jù)后面的深度信息，特別在故障出現(xiàn)后，通過圖表并不能直觀的反應(yīng)整個(gè)故障位置和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在BIM技術(shù)的出現(xiàn)，讓三維可視成為了可能，結(jié)合現(xiàn)代的信息化技術(shù)，建立基于BIM的智能化系統(tǒng)運(yùn)維平臺(tái)，把三維模型和二維圖表數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，呈現(xiàn)的信息更加直觀、具體和全面，對(duì)于管理者來說能更好的把控整個(gè)運(yùn)維過程。

2、BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞[4]，使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑、運(yùn)營(yíng)單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。

BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)。該信息庫(kù)不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對(duì)象（如空間、運(yùn)動(dòng)行為）的狀態(tài)信息。借助這個(gè)包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項(xiàng)目的相關(guān)利益方提供了一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)[2]。

本文采用Autodesk公司的Revit系列軟件作為BIM的建模工具，對(duì)基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)和智能化系統(tǒng)點(diǎn)位分布、設(shè)備形狀尺寸及管路管線走向，進(jìn)行BIM建模還原。若實(shí)施項(xiàng)目建筑，已具備完整的竣工BIM模型（涵蓋全專業(yè)），則根據(jù)應(yīng)用范圍，通過Revit軟件對(duì)智能化相關(guān)的模型進(jìn)行剝離，形成智能化獨(dú)立的BIM模型[5]。

3、模型輕量化

BIM原始模型都是重模型，應(yīng)用程序都基于桌面客戶端，需要很高的計(jì)算機(jī)配置，上行和下行的流通使用都受到很大的約束。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而基于Web的輕模型，將更能滿足具體應(yīng)用的需求。然而由于受Web端計(jì)算能力和內(nèi)存限制等方面的影響，原始模型的數(shù)據(jù)組織方式須做出相應(yīng)調(diào)整，需要通過三維模型輕量化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行處理。

模型輕量化技術(shù)主要包括兩個(gè)方面：模型輕量化顯示和模型文件轉(zhuǎn)換[3]。

基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型輕量化顯示。WebGL技術(shù)為瀏覽器提供硬件圖形加速渲染，借助系統(tǒng)顯卡可以在瀏覽器里更流暢地展示3D場(chǎng)景和模型。使用WebGL技術(shù)做BIM模型的輕量化，需要對(duì)原始BIM模型進(jìn)行解析，并在瀏覽器端或移動(dòng)端對(duì)BIM模型進(jìn)行重新繪制渲染。本文利用WebGL技術(shù)的三維GPU渲染原理，通過WebGL開發(fā)實(shí)現(xiàn)BIM模型在Web端的輕量化重建和渲染。

原始BIM模型大多數(shù)采用單文件或幾個(gè)文件來存儲(chǔ)模型信息，比如幾何信息、材質(zhì)信息、紋理貼圖及屬性，不利于網(wǎng)絡(luò)端傳輸，需進(jìn)行模型文件的轉(zhuǎn)換。一方面，大的文件傳輸時(shí)間過長(zhǎng)，另一方面，需等待模型下載完成后才能解析顯示。因此要重新定義適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇竽Ｐ臀募慕M織方式，把原始的模型文件轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸和輕量化的文件格式。首先構(gòu)建模型流，模型流的方式，無需等待模型下載完即可實(shí)時(shí)看到已經(jīng)下載的部分，因此通過定義模型流的排序，對(duì)重要結(jié)構(gòu)或構(gòu)建先下載先顯示，其他細(xì)節(jié)部分后顯示，并且不影響其他操作。二是，在模型轉(zhuǎn)換時(shí)，把具有相同形狀的幾何對(duì)象進(jìn)行唯一性表達(dá)，即用相同的幾何描述不同的構(gòu)件，可大規(guī)模減少幾何體的數(shù)量，減少模型的大小，也能減少顯示時(shí)GPU的占用。最后通過gz壓縮算法針對(duì)對(duì)json和幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

本文采用原生的WebGL協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)3D能力封裝，經(jīng)過模型輕量化后，原始的BIM將轉(zhuǎn)化為一個(gè)Web端可快速瀏覽和交互的輕量化應(yīng)用模型，并且模型塊底層數(shù)據(jù)已封裝成JS腳本函數(shù)和參數(shù)設(shè)置，并提供功能豐富的API接口，實(shí)現(xiàn)模型各種功能應(yīng)用。

對(duì)模型的變動(dòng)（例如設(shè)備的增減），若是已有模型塊的增減，只需要對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)代碼段進(jìn)行復(fù)制和定位;而對(duì)新增的模型塊，則需要在BIM原型中進(jìn)行新增建模，再完成一次模型輕量化，得到新的應(yīng)用模型和相關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)代碼。

4、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和界面開發(fā)

建筑智能化系統(tǒng)是一個(gè)多系統(tǒng)多協(xié)議多數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)與應(yīng)用界面進(jìn)行交互時(shí)，底層各智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（狀態(tài)數(shù)據(jù)、命令數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等）需經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為上層模型相匹配的數(shù)據(jù)格式，才能在應(yīng)用模型中進(jìn)行加載。同樣在上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，才能與底層各子系統(tǒng)進(jìn)行交互。本文通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中間件，對(duì)不同來源格式和特性的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與包裝，保證數(shù)據(jù)按要求裝入目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，為高層訪問提供統(tǒng)一的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)源的共享[1]。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑智能化項(xiàng)目的展示和交互需求的不同，調(diào)用API接口實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和交互，進(jìn)行整體界面的二次開發(fā)，完成數(shù)據(jù)的展示和界面的交互。一是，分系統(tǒng)分模塊分類優(yōu)化菜單的功能，使得操作者能迅速定位到目標(biāo)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和設(shè)備（模型塊）;二是，在三維模型的基礎(chǔ)上以彈框的形式出現(xiàn)，形成二維和三維結(jié)合的信息傳遞方式，即清楚認(rèn)知了系統(tǒng)或設(shè)備結(jié)構(gòu)位置又同時(shí)獲得運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù);三是，具有故障運(yùn)維模式，模式中對(duì)所有故障進(jìn)行分級(jí)分系統(tǒng)管理，對(duì)運(yùn)維狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，方便管理者安排工單和制定運(yùn)維策略。

5、運(yùn)行效果及性能分析

本文搭建的測(cè)試運(yùn)行的環(huán)境為：處理器Intel Corei7 3.0 GHZ 四核，內(nèi)存16GB，硬盤512G SSD，顯卡設(shè)備GTX1080（8G），分辨率1920×1080P。目前基于BIM輕量化后開發(fā)的Web端的建筑智能化運(yùn)維平臺(tái)，運(yùn)行的效果及性能如下：在加載在10000個(gè)3D模型塊的規(guī)模下，模型加載時(shí)間在5s內(nèi)，運(yùn)行幀率可達(dá)到35幀以上，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間在2s以內(nèi)，下層設(shè)備聯(lián)動(dòng)時(shí)間在2s以內(nèi)?？筛鶕?jù)項(xiàng)目模型體量的大小，配置不同性能的運(yùn)行環(huán)境設(shè)備，可以滿足項(xiàng)目的運(yùn)行速度要求。

結(jié)論：

本文中探討了利用BIM來建立建筑智能化系統(tǒng)運(yùn)維平臺(tái)的方法。首先，通過Revit建模軟件來構(gòu)建智能化系統(tǒng)的BIM，還原整個(gè)智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu);然后通過模型文件的轉(zhuǎn)換和基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)模型輕量化顯示，對(duì)BIM的原生模型進(jìn)行輕量化處理，得到一個(gè)Web端可流暢運(yùn)行的應(yīng)用模型;最后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對(duì)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，以及交互界面的二次開發(fā)，構(gòu)建基于應(yīng)用模型的運(yùn)維平臺(tái)。與傳統(tǒng)的二維平臺(tái)相比，基于BIM應(yīng)用模型的智能化系統(tǒng)運(yùn)維平臺(tái)對(duì)于管理者來說，獲取設(shè)備管路結(jié)構(gòu)、故障位置等有用信息更為直接，有助于讓整個(gè)智能化運(yùn)維系統(tǒng)運(yùn)行的得更為高效。

參考文獻(xiàn)：

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