基于BIM的城市地下空間運維管理研究與應用

賀 曉 鋼

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃指出，到2020年不低于50%的城市完成城市地下空間開發(fā)利用規(guī)劃，初步建立地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀、規(guī)劃建設(shè)管理、檔案管理等綜合管理系統(tǒng)，有效提升城市地下空間信息化管理能力［1］。地下空間作為城市地面空間的重要補充，將成為城鎮(zhèn)化發(fā)展新階段的必然需求。同時，城市地下空間管理的標準化、信息化、精細化水平將不斷提升，逐步實現(xiàn)數(shù)字化、信息化管理。

在項目全生命周期管理過程中，運維階段會持續(xù)幾十甚至上百年，因此這一階段的管理工作尤為重要。由于城市地下空間體量大，運維管理時間跨度大、周期長、內(nèi)容多、涉及人員復雜，管理數(shù)據(jù)量龐大，因此，傳統(tǒng)的運維管理效率相對低下［2］。

BIM技術(shù)作為革命性技術(shù)，已經(jīng)成為城市規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維的重要基礎(chǔ)，可用于項目設(shè)計、施工、運營和維護各階段管理，實現(xiàn)項目全生命周期管理的各種功能需求。BIM技術(shù)的引入，不僅能夠滿足用戶基本活動需求，增加投資收益［3］，還能夠通過繼承設(shè)計、施工階段項目信息，實現(xiàn)全生命周期信息共享，提高信息準確性，并提供統(tǒng)一的管理平臺，提升城市地下空間運維管理的效率。

1 城市地下空間特點

城市地下空間是指地表以下的空間，從城市現(xiàn)代規(guī)劃和運維角度出發(fā)，可分為地下商業(yè)、地下交通、地下安防、地下管網(wǎng)、地下環(huán)境等幾種不同業(yè)態(tài)［4］。城市地下空間的開發(fā)利用包含多專業(yè)，兼具地上和地下，同時注重各地下空間之間的聯(lián)系性，打破傳統(tǒng)地下空間給人封閉、孤立的印象，使之成為四通八達的聯(lián)系性空間。

1.1 多專業(yè)、多領(lǐng)域、多學科交叉互補

城市地下空間工程涉及領(lǐng)域多、專業(yè)廣，具有多領(lǐng)域交叉、多學科互補的特點。城市地下空間建設(shè)過程面臨多專業(yè)協(xié)同交互要求高、信息交互數(shù)據(jù)量大、運維管理難度大等挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的工程建設(shè)與管理模式已經(jīng)不能滿足當前城市地下空間數(shù)字化、智能化、智慧化管理需求了。

1.2 空間復雜、互聯(lián)互通

城市地下空間的互聯(lián)互通主要包括：地下商業(yè)設(shè)施、地下通廊和通道、隧道和地下交通樞紐、地下綜合管廊、停車場等的并軌連接以及地下空間與周邊區(qū)域的銜接等。四通八達的城市地下空間兼具空間復雜、設(shè)備復雜、人流復雜的特點，其運維管理是整合人工、設(shè)備、環(huán)境等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)工程科學。傳統(tǒng)運維管理比較抽象，而基于BIM的運維管理能夠克服這一缺點，進而實現(xiàn)城市地下空間信息模型管理的三維可視化。

2 運維管理系統(tǒng)的建設(shè)

基于BIM的城市地下空間運維管理主要串聯(lián)三個關(guān)鍵要素：BIM+運維+城市地下空間管理。將各要素進行有效集成和應用，以“運維管理”為核心，對城市地下空間中的各項數(shù)據(jù)和信息進行全面和多方位的跟蹤、統(tǒng)計、分析與預測，繼而反饋出各項動態(tài)數(shù)據(jù)，進行城市地下空間動態(tài)運維管理，實現(xiàn)可持續(xù)應用。

BIM技術(shù)是實現(xiàn)信息有效管理的關(guān)鍵。通過“BIM+運維+城市地下空間管理”的思路，集成城市地下空間多項管理系統(tǒng)，突出“精細、智能、可視”的特點，建設(shè)一個集城市地下空間三維應用、設(shè)備設(shè)施管理、應急管理等多種運維管理功能于一體的城市地下空間管理系統(tǒng)。

基于BIM的城市地下空間運維管理系統(tǒng)建設(shè)應貫穿于項目的全生命周期，即：從項目開始階段進行運維數(shù)據(jù)的集成和完善。通過將運維階段的多源信息進行集成、分析、管理等操作，方便工程運維管理各方實時、全面掌握運維信息，實現(xiàn)運維管理工作效率和質(zhì)量的顯著提升。

2.1 系統(tǒng)功能建設(shè)

城市地下空間按照使用功能的不同可分為地下商業(yè)空間、地下交通空間（地鐵站、地鐵隧道等）、地下綜合管廊等。針對不同的使用對象和用途，城市地下空間運維管理過程中對相關(guān)功能的需求和管理目標是不同的。

城市地下空間運維管理系統(tǒng)的功能主要包括空間管理、資產(chǎn)管理、設(shè)備管理、應急管理、能耗管理、安全管理等。其中，地下商業(yè)空間側(cè)重于空間分配管理、用戶管理和合同管理以及緊急情況下的人員疏散和視頻監(jiān)控的公共安全管理［5］；地下交通空間則比較關(guān)注使用過程中的建筑結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、設(shè)備折舊和維修等資產(chǎn)管理、設(shè)施管理；地下綜合管廊關(guān)注點則在于空間內(nèi)各類管道及設(shè)備的正常運行管理、環(huán)境監(jiān)測管理等。在進行城市地下空間運維管理系統(tǒng)設(shè)計前，應根據(jù)地下空間類型分析其功能側(cè)重點，確定其所需的管理目標，使運維管理系統(tǒng)功能更加具有針對性，且管理效率更高［6-7］?；贐IM的城市地下空間運維管理系統(tǒng)的功能目標設(shè)計如圖1所示。

圖1 運維管理系統(tǒng)功能目標設(shè)計

2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

基于BIM的城市地下空間運維管理系統(tǒng)由下到上分為4層，分別為信息模型層、數(shù)據(jù)庫層、功能模塊層、用戶層。運維系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中最底層的模型信息層是BIM運維模型與設(shè)備、資產(chǎn)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集合，主要提供地下位置幾何空間關(guān)系、設(shè)備設(shè)施屬性信息等。數(shù)據(jù)庫層的功能主要是對下層數(shù)據(jù)進行采集、存儲，并保證數(shù)據(jù)能夠在系統(tǒng)與模型之間實現(xiàn)共享。功能模塊層建立在數(shù)據(jù)庫層基礎(chǔ)上，并直接面向用戶層，根據(jù)不同的功能需求開發(fā)不同的模塊。用戶層通過在電腦中安裝客戶端軟件或通過瀏覽器對城市地下空間運維進行查看和管理。

圖2 運維管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

3 運維管理系統(tǒng)的應用

基于BIM的城市地下空間運維管理系統(tǒng)的核心是信息模型，是與實際地下空間完全一致對應的虛擬地下空間。因此，基于BIM的運維管理面向的對象是數(shù)字化城市地下空間，并且管理過程不受時空限制。

基于BIM技術(shù)信息集成的優(yōu)勢，將城市地下空間信息數(shù)據(jù)集成于BIM模型中，建設(shè)城市地下空間信息資源數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)基于BIM的城市地下空間運維管理應用。

3.1 三維可視化管理

將BIM軟件創(chuàng)建的模型以及地理信息、運維數(shù)據(jù)集成到運維管理平臺中，實現(xiàn)城市地下空間與設(shè)施的可視化管理。通過三維可視化的功能，用戶可以更加直觀、方便、快速地瀏覽，高效、精確地獲取所需的地下空間信息。

BIM的可視化功能在設(shè)計和施工中發(fā)揮了重要的作用，在地下空間改造或重建的設(shè)計和建造階段為設(shè)施管理人員提供空間的可視，尤其是在暖通空調(diào)和給排水等隱蔽工程的改造設(shè)計中，能為設(shè)施管理人員提供直觀的參考。在運維階段，通過其三維可視化和對建筑材質(zhì)、設(shè)備材料等相關(guān)信息的集成顯示功能，還能通過模型對地下空間設(shè)施設(shè)備的使用和運營進行可視化檢查，尤其對于設(shè)施集中的高密度區(qū)域顯得尤為重要。BIM技術(shù)的導航、漫游、透視圖和空間、設(shè)備、人物的可視化功能，都能通過創(chuàng)建室內(nèi)空間的圖像、動畫和實時漫游來被用作會商展示的方式。

3.2 設(shè)施管理

基于BIM的設(shè)施管理系統(tǒng)的核心思路就是要改變傳統(tǒng)的信息傳遞和共享方式，通過BIM技術(shù)把建設(shè)項目全生命周期各個階段、各參與方之間的設(shè)施管理相關(guān)信息進行有效集成，真正實現(xiàn)設(shè)施管理方的早期介入和參與，確保設(shè)施管理所需信息的完整性和有效性。

（1）設(shè)施快速定位。BIM中的模型和數(shù)據(jù)，能夠?qū)C械設(shè)備、管道和其他系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)備的位置進行三維顯示，包括各種隱蔽工程的位置，讓該設(shè)備的現(xiàn)場定位數(shù)據(jù)能和操作環(huán)境相關(guān)聯(lián)。設(shè)施管理人員可以通過BIM技術(shù)來查看問題發(fā)生區(qū)域有哪些導致該問題的設(shè)施，并且從BIM中獲取設(shè)施相關(guān)的產(chǎn)品型號、維修包養(yǎng)記錄、使用說明等信息，幫助降低運維成本。同時，設(shè)施管理人員還可以操作BIM模型并且運用BIM的相關(guān)功能（比如可視化、搜索、過濾），將需要尋找的構(gòu)件進行高亮顯示。另外，將BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進行結(jié)合，還能引導設(shè)施管理人員直接找到構(gòu)件。

（2）設(shè)備信息存儲和實時更新。BIM技術(shù)能為所有需要的城市地下空間設(shè)施管理信息提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，將BIM模型與設(shè)施管理系統(tǒng)軟件進行關(guān)聯(lián)，設(shè)施管理人員可以在定位BIM模型構(gòu)件的同時，瀏覽其相關(guān)的文件、現(xiàn)場傳感器、工作任務(wù)和設(shè)計參數(shù)等信息。在進行信息更新時，設(shè)施管理人員只需要在BIM的圖形界面中進行操作，把相關(guān)信息錄入到相應的設(shè)施管理軟件系統(tǒng)中，在簡化工作量的同時，提高了信息提取和利用的準確性，確保信息更新的時效性。

（3）設(shè)施管理人員培訓。運用BIM的三維可視化和漫游功能，可使接受設(shè)施管理培訓的人員身臨其境般地置身于地下城市空間中，熟悉建筑空間、組件和設(shè)備，了解相關(guān)的數(shù)據(jù)、工作區(qū)域和任務(wù)，從而更快地進入工作狀態(tài)，更好地履行職責。同時，BIM技術(shù)還能用于崗位評估。運用BIM模型考察受訓者是否能夠快速定位某個特定建筑設(shè)備或構(gòu)件，迅速找到需要維修設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，回應維修電話，制作新的維護報告等，通過這一系列的評估，能夠判斷受訓者是否已經(jīng)具備合格上崗的能力。

（4）設(shè)備維護管理。設(shè)施管理人員根據(jù)系統(tǒng)對設(shè)備制定保養(yǎng)計劃，在對信息進行輸入時，可以借助設(shè)備編號中的輔助錄入功能，錄入的內(nèi)容為設(shè)備臺帳中的信息。在選擇設(shè)備編號信息后，相應的設(shè)備名稱、設(shè)備型號、使用部門信息會自動輸入（見圖3）。

圖3 設(shè)備保養(yǎng)計劃

設(shè)施管理人員按照逐級分配的原則進行地下空間設(shè)備計劃的任務(wù)分配。時間上，任務(wù)分配分為年、月、周三級設(shè)備維護計劃；空間上，年度設(shè)備維護計劃精確到具體月份和系統(tǒng)層級，月度設(shè)備維護計劃精確到具體周和空間區(qū)域，周設(shè)備維護計劃精確到具體時間、具體地點和具體人員，如圖4所示。

圖4 設(shè)備逐級分配維護計劃

3.3 空間管理

基于BIM技術(shù)的城市地下空間設(shè)施管理系統(tǒng)可為設(shè)施管理人員提供詳細的空間信息，這些信息包括地下空間的布局、實際空間占用情況、建筑設(shè)備在空間的具體部署情況。設(shè)施管理單位通過BIM模型的“三維可視化功能幫助”跟蹤各單位部門位置，將建筑設(shè)備等信息與具體空間利用信息相關(guān)聯(lián)，與建筑監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，在監(jiān)控平臺中進行監(jiān)控，從而使空間利用率大大提高。

3.4 資產(chǎn)管理

現(xiàn)代城市地下空間設(shè)施信息量大，管理周期往往是建設(shè)時間的幾十倍以上，這些信息的儲存工具還相對落后。當出現(xiàn)緊急情況時，設(shè)施管理者想了解具體情況就需要查閱大量的圖紙和資料，往往不能及時反應，這就帶來效率低下和成本提升的問題。設(shè)施管理人員基于BIM技術(shù)，通過RFID的資產(chǎn)標簽芯片錄入設(shè)備等詳細信息和用戶需要的提示信息，基于BIM技術(shù)的設(shè)施統(tǒng)計功能，得到資產(chǎn)統(tǒng)計表，使建筑資產(chǎn)相關(guān)參數(shù)信息一目了然。

實時監(jiān)控、實時查詢和定位是城市地下空間設(shè)施資產(chǎn)管理的重要功能，按照傳統(tǒng)的物業(yè)管理辦法很難辦到。城市地下空間基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)施管理系統(tǒng)可以對空間區(qū)域進行劃分，分析統(tǒng)計各個劃分空間的資產(chǎn)。設(shè)施管理人員手持移動終端通過掃描二維碼的辦法收集資產(chǎn)的定位信息，并隨時和系統(tǒng)管理中心進行通信聯(lián)系。配合工作人員的設(shè)備標簽定位，了解資產(chǎn)的轉(zhuǎn)手過程，系統(tǒng)會自動采集和更新，方便后期管理和查詢。一旦發(fā)現(xiàn)貴重資產(chǎn)位置在不合理的區(qū)域出現(xiàn)，管理中心的系統(tǒng)就會自動報警提醒，出現(xiàn)問題的資產(chǎn)位置會顯現(xiàn)在監(jiān)控大屏上，方便管理人員查詢定位。

3.5 運行監(jiān)控

基于BIM的城市地下空間運行監(jiān)控技術(shù)是近年來隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化控制技術(shù)的進步而不斷發(fā)展起來的。它將原先孤立的各監(jiān)控平臺系統(tǒng)進行集成，形成城市地下空間運行監(jiān)控平臺，以提高地下空間自動化運營管理水平。

為實現(xiàn)集成監(jiān)控及一體化管理，城市地下空間運行監(jiān)控需滿足以下功能需求：環(huán)境、設(shè)備監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析，應急響應。

環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控對城市地下空間內(nèi)的環(huán)境因素及設(shè)備運行狀態(tài)進行綜合監(jiān)控。環(huán)境因素監(jiān)控包括對地下空間溫度、濕度、水位、氧氣濃度、有害氣體、煙霧、人流密集狀態(tài)、火災點等進行監(jiān)控與分析；設(shè)備監(jiān)控主要對城市地下空間內(nèi)通風、排水、供電、消防、空調(diào)、通信、預警等系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

數(shù)據(jù)分析是對采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，再通過對環(huán)境因素監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、整理，做出異常情況判斷并發(fā)出預警。如：監(jiān)測到人流狀態(tài)密集，就會發(fā)出相應預警，啟動應急預案，引導人流疏散。通過對設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實施掌握各類設(shè)備、應急系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保障在突發(fā)狀況下設(shè)備正常運行。

應急響應通過數(shù)據(jù)分析發(fā)出預警，啟動相應應急預案與設(shè)備聯(lián)動控制模式，在情況發(fā)生的第一時間接到預警及報警信息，做出相應處置。如火災警報發(fā)出后，消防自動滅火系統(tǒng)啟動，同時啟動應急預案，疏散人群，快速響應，減少災害帶來的生命、財產(chǎn)損失。

基于BIM的城市地下空間運行監(jiān)控技術(shù)，在地下空間正常運營情況下，能夠提供舒適的環(huán)境和良好的服務(wù)，實現(xiàn)節(jié)能運行；在遇到突發(fā)事件情況下，能夠提供應急響應，各系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動控制，最大程度地降低負面影響，減少損失。

圖5 城市地下空間運行監(jiān)控

3.6 應急管理

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間的規(guī)模不斷擴大，應急救援的難度也不斷提升，城市地下空間應急救援管理的重要性越來越明顯?；贐IM的城市地下空間應急救援管理以實現(xiàn)性能化設(shè)計為核心，以BIM技術(shù)為平臺，為城市地下空間應急管理信息化提供了新思路、新方法。

基于BIM的城市地下空間應急管理技術(shù)利用IFC標準化整合BIM建模、災害模擬、人員疏散等軟件形成完整的信息通路。通過BIM技術(shù)信息共享和聯(lián)動，加強各部門之間的聯(lián)系，從BIM建模、災害模擬、救援方案預演等方面進行全過程應急管理，從而提高溝通效率和荒野行動，減少災害隱患，降低救援難度，保障人員安全。

基于BIM技術(shù)的應急管理以BIM技術(shù)為核心，建立數(shù)字化消防防火應急管理系統(tǒng)，如圖6所示。通過集成城市地下空間所有建筑的實體信息，如消防設(shè)備、消防疏散通道和消防箱的位置和狀態(tài)等，消除繁瑣的手工生產(chǎn)過程，簡化當前計劃的編譯流和改善應急計劃的效率，同時結(jié)合火災動態(tài)模擬、人員疏散軟件和性能化防火設(shè)計，進行火災模擬演習，實現(xiàn)可視化和智能化的火災應急分析。同時基于BIM+虛擬現(xiàn)實技術(shù)和游戲引擎方法，處理應急管理中的關(guān)鍵問題，如雙向信息更新、應急響應培訓。BIM+虛擬現(xiàn)實技術(shù)與游戲引擎無縫對接，能夠?qū)崿F(xiàn)火災實時疏散引導。

圖6 基于BIM的應急管理

4 結(jié) 語

運維管理是將城市地下空間的各種空間、設(shè)備信息、數(shù)據(jù)、資源整合起來，進行統(tǒng)一的管理。運維階段是工程全生命周期過程中時間最長、信息量最大、費用最高的一個階段。在運維管理過程中引入BIM技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運維管理信息的共享和充分利用，同時還可以精確掌握城市地下空間實時運營狀態(tài)，對提高城市地下空間運維管理信息化水平、降低運維成本、提升運維效率具有深遠的影響。

本文基于城市地下空間體量大、空間復雜、設(shè)施復雜、人流復雜、運維信息量巨大的特點，引入BIM技術(shù)，研究了基于BIM的城市地下空間運維管理系統(tǒng)框架，為解決傳統(tǒng)運維管理方式中存在的問題，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、安全的城市地下空間運維管理提供了解決方案。但本文基于BIM的運維管理系統(tǒng)缺乏技術(shù)層面的分析，缺乏BIM在城市地下空間運維管理中應用的具體案例分析，有待在下一步的研究中進一步深化。