建造運(yùn)維一體化BIM應(yīng)用方法研究
——以上海市東方醫(yī)院改擴(kuò)建工程為例

許璟琳 余芳強(qiáng) 高 尚 宋天任

(上海建工四建集團(tuán)有限公司,上海 201103)

引言

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是基于三維幾何模型對(duì)建筑設(shè)施的物理特性和功能特性進(jìn)行描述的一種技術(shù)[1]。近年來，政策的鼓勵(lì)和技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)了BIM技術(shù)在建設(shè)工程行業(yè)的廣泛應(yīng)用，借助BIM的三維可視化能力和建筑信息集成能力，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工過程已成為重大工程的常規(guī)做法[2-3]。也有一些項(xiàng)目開始探索基于BIM的運(yùn)維管理技術(shù)[4-6]，通過融合BIM和運(yùn)維信息系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字孿生建筑，為建筑后期運(yùn)維提供條件和基礎(chǔ)。數(shù)字孿生的概念最早由Grieves教授[7]提出，經(jīng)過不斷完善和發(fā)展可理解為構(gòu)建一個(gè)融合物理信息的產(chǎn)品模型，利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反應(yīng)與該模型對(duì)應(yīng)的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢(shì)等，基于數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)交互、協(xié)作和服務(wù)應(yīng)用[8]。

BIM技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)專注于建筑本體，通過創(chuàng)建三維可視化的協(xié)作設(shè)計(jì)和施工的過程盡快交付一個(gè)高質(zhì)量的建筑； 而數(shù)字孿生建筑則是在BIM竣工模型基礎(chǔ)上，融合現(xiàn)場(chǎng)硬件的智能感知與互聯(lián)，最終目的在于給業(yè)主提供便捷的建筑運(yùn)維服務(wù)應(yīng)用和精準(zhǔn)管理服務(wù)。因此BIM技術(shù)的應(yīng)用可為孿生數(shù)字建筑提供關(guān)鍵的模型和數(shù)據(jù)輸入，而數(shù)字孿生建筑的應(yīng)用和推廣可為BIM技術(shù)的深度應(yīng)用指明方向，通過運(yùn)維階段的信息收集和分析反饋設(shè)計(jì)和建造階段的問題，優(yōu)化以后的設(shè)計(jì)和施工方案。

1 一體化BIM應(yīng)用方法

1.1 以運(yùn)維需求為導(dǎo)向構(gòu)建BIM模型

以運(yùn)維需求為導(dǎo)向構(gòu)建BIM模型，除了考慮施工階段的BIM應(yīng)用，還需要保證施工BIM模型的可處理性和信息準(zhǔn)確性。通過建立面向運(yùn)維的施工BIM建模規(guī)范，約定竣工模型文件的拆分及命名方式、各個(gè)專業(yè)的建模內(nèi)容、空間及設(shè)備編碼要求、信息錄入要求等，在施工BIM建模過程中收集完整的施工階段信息、確保機(jī)電系統(tǒng)管路完全聯(lián)通、而且管道內(nèi)的介質(zhì)流向準(zhǔn)確、完整、與現(xiàn)場(chǎng)情況一致。對(duì)于重要的機(jī)電設(shè)備，需要建立設(shè)備精細(xì)模型，描述設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳感器點(diǎn)位，如圖1所示。

圖1 重點(diǎn)設(shè)備精細(xì)模型

在施工過程中，構(gòu)建好的BIM模型用于輔助施工過程管理，包括施工圖審核及優(yōu)化、模型綜合協(xié)調(diào)及碰撞檢查、重點(diǎn)施工工藝模擬、三維深化設(shè)計(jì)等方面?；谧灾餮邪l(fā)的智慧建造管理平臺(tái)，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用智能手機(jī)作為掃碼終端，在進(jìn)場(chǎng)和吊裝等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變更構(gòu)件狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制構(gòu)件的進(jìn)度管理。

圖2 基于掃碼的預(yù)制構(gòu)件追蹤

如圖3所示，融合BIM和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成了醫(yī)院辦公室、病房層的裝修深化設(shè)計(jì)，通過虛擬裝修場(chǎng)景直觀反映室內(nèi)裝修裝飾方案和施工階段的信息，幫助業(yè)主提高設(shè)計(jì)溝通效率，減少了二次裝修的成本。

圖3 基于BIM和VR的病房層裝修深化設(shè)計(jì)效果

1.2 跨階段BIM模型轉(zhuǎn)換

醫(yī)院建筑建造和運(yùn)維階段對(duì)BIM模型應(yīng)用需求存在較大的差距，譬如，建造階段更多使用BIM中設(shè)備的外輪廓來判斷安裝過程是否會(huì)有碰撞干涉，而運(yùn)維階段則需要使用機(jī)電系統(tǒng)的邏輯關(guān)系進(jìn)行溯源管理、針對(duì)重要設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造的維修保養(yǎng)培訓(xùn)、掌握零部件健康狀態(tài)等。本項(xiàng)目實(shí)踐過程中，針對(duì)跨階段BIM模型轉(zhuǎn)換的若干關(guān)鍵問題提出了對(duì)應(yīng)的解決方法。

(1)利用自動(dòng)化審查工具檢查BIM模型

人工檢查BIM模型幾何數(shù)據(jù)和校驗(yàn)BIM信息質(zhì)量難度大，反復(fù)修改成本極高，而且準(zhǔn)確性難以保證。Motamedi A[10]等針對(duì)FM-BIM提出了空間模型準(zhǔn)備和質(zhì)量檢查規(guī)則； 文獻(xiàn)[11]驗(yàn)證了基于Solibri Model Cheker可以對(duì)BIM模型進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)檢查，對(duì)建筑內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)等，然而，已有的方法和工具尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)BIM模型質(zhì)量的自動(dòng)審查。本項(xiàng)目基于Revit開發(fā)了竣工模型自動(dòng)化檢查工具，自動(dòng)審查BIM中空間信息、空間幾何完整性、機(jī)電設(shè)備屬性信息、機(jī)電設(shè)備連接關(guān)系等運(yùn)維階段關(guān)鍵要素，確保了竣工模型的幾何完整性、信息準(zhǔn)確性和關(guān)系聯(lián)通性。各專業(yè)施工BIM團(tuán)隊(duì)都需獲得審查通過報(bào)告后方可將BIM模型交付給運(yùn)維開發(fā)團(tuán)隊(duì)。

(2)提取竣工BIM建筑信息

通過竣工BIM模型提取建筑內(nèi)管道的管徑尺寸、建筑荷載信息、防火墻承重墻分布信息、設(shè)備空間位置、建立重點(diǎn)機(jī)電設(shè)備與安防攝像頭、報(bào)警探頭等弱電設(shè)備的空間位置關(guān)聯(lián)，可在后期建筑裝修改造時(shí)快速檢索信息，或者故障發(fā)生時(shí)通過多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速故障處置。本項(xiàng)目通過引入圖論的方法，實(shí)現(xiàn)了建筑機(jī)電設(shè)備邏輯連接關(guān)系的自動(dòng)提取[12]，如圖5所示。

(a)空調(diào)機(jī)箱故障影響的下游房間

(3)竣工BIM模型輕量化處理

針對(duì)竣工BIM模型構(gòu)件數(shù)量多、全專業(yè)集成渲染難度高等問題，采用以下方法進(jìn)行模型輕量化。首先，對(duì)同一類型的機(jī)電設(shè)備實(shí)例化，只保留該設(shè)備類型的一份幾何數(shù)據(jù)，通過渲染管線中的幾何變換和數(shù)據(jù)庫(kù)中傳感器與精細(xì)模型的關(guān)聯(lián)得到運(yùn)維平臺(tái)多個(gè)設(shè)備不同狀態(tài)展示，如圖6所示； 第二，合并運(yùn)維階段不需要單獨(dú)管理且面片數(shù)量較多的構(gòu)件，減少構(gòu)件數(shù)量； 第三，采用LOD分層次渲染策略，當(dāng)機(jī)電系統(tǒng)靠近相機(jī)視點(diǎn)時(shí)，選用高精度的幾何模型進(jìn)行渲染，反之，則降低幾何精度減少三角面片數(shù)量，保證渲染體驗(yàn)。

圖6 空調(diào)機(jī)箱實(shí)例化

(4)建筑數(shù)據(jù)與BIM運(yùn)維模型集成

醫(yī)院建筑機(jī)電設(shè)備多且分散，運(yùn)維數(shù)據(jù)散落在各處，不同醫(yī)院建筑運(yùn)維信息系統(tǒng)廠家提供的通訊協(xié)議也不盡相同，海量異構(gòu)數(shù)據(jù)集成難度高。對(duì)BIM中建筑、系統(tǒng)、設(shè)備、零件等不同層級(jí)構(gòu)件，建立對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匹配和集成方法； 通過提前規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)傳輸、與分包廠家提前確定通訊協(xié)議等實(shí)現(xiàn)了東方醫(yī)院項(xiàng)目30個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，為進(jìn)一步運(yùn)維應(yīng)用和運(yùn)維數(shù)據(jù)收集奠定基礎(chǔ)。

1.3 建立數(shù)字孿生模型和運(yùn)維大數(shù)據(jù)

完成跨階段的BIM模型轉(zhuǎn)換之后，本項(xiàng)目構(gòu)建了供運(yùn)維階段使用的孿生數(shù)字模型，如圖7所示，通過運(yùn)維平臺(tái)功能的開發(fā)，以三維可視化方式描述建筑運(yùn)行機(jī)理和能耗走勢(shì)，記錄建筑及設(shè)備歷史的維修、維保信息，形成建筑電子病歷卡。在新大樓竣工后，運(yùn)維人員使用智慧運(yùn)維管理平臺(tái)輔助日常的維修維保管理、機(jī)電設(shè)備管理、能耗管理、使用BIM模型進(jìn)行設(shè)備操作維保培訓(xùn)，減少了處理故障的時(shí)間和突發(fā)故障的發(fā)生率。

(a)電梯運(yùn)行管理

圖8 運(yùn)維數(shù)據(jù)彈性可視化頁(yè)面

本項(xiàng)目共安裝約2 000個(gè)傳感器，BA等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和告警信息數(shù)據(jù)量將不斷累積； 與此同時(shí)，運(yùn)維過程中需要存儲(chǔ)維修工單、維保計(jì)劃、流程處理記錄等動(dòng)態(tài)信息。整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)量大、獲取數(shù)據(jù)的速度快、數(shù)據(jù)的種類多樣、數(shù)據(jù)潛在價(jià)值巨大，初步具備大數(shù)據(jù)的特征。通過開發(fā)智慧運(yùn)維大數(shù)據(jù)中心可進(jìn)一步利用和挖掘運(yùn)維數(shù)據(jù)價(jià)值。

(1)搭建建筑大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

從運(yùn)維業(yè)務(wù)中提取數(shù)據(jù)分析需求，搭建在線分析服務(wù)后端，醫(yī)院建筑運(yùn)維人員通過簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊、拖拽可輕松進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和大數(shù)據(jù)多維分析。

(2)開發(fā)建筑大數(shù)據(jù)中控臺(tái)

匯總智能分析引擎的分析結(jié)果，使用簡(jiǎn)單配置的方式生成數(shù)據(jù)圖表并組合成數(shù)據(jù)頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)維修工單智能分析、異常能耗自動(dòng)預(yù)警、多源數(shù)據(jù)集成分析。如圖8所示，可將數(shù)據(jù)頁(yè)面展示到手機(jī)或者運(yùn)維中心的中控屏幕上，在各種尺度的設(shè)備體驗(yàn)大數(shù)據(jù)彈性可視化的效果，輔助建筑管理者了解建筑運(yùn)營(yíng)的薄弱環(huán)節(jié)。

2 總結(jié)與展望

本項(xiàng)目提出了建造運(yùn)維一體化BIM應(yīng)用方法，在東方醫(yī)院改擴(kuò)建工程項(xiàng)目中進(jìn)行了深入應(yīng)用，結(jié)果表明，本文所提方法可輔助提高工程項(xiàng)目的溝通協(xié)調(diào)效率、降低二次裝修成本、提升施工質(zhì)量，最終交付了基于BIM的孿生數(shù)字新大樓模型和智慧運(yùn)維管理平臺(tái)，為管理者和執(zhí)行者掌握建筑運(yùn)營(yíng)動(dòng)態(tài)、組織維護(hù)培訓(xùn)、跟蹤維護(hù)任務(wù)提供了便利。通過對(duì)運(yùn)維大數(shù)據(jù)的處理，打通了數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)、分析、可視化的流程，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)在建筑管理決策支持和數(shù)據(jù)挖掘上的價(jià)值。

目前，大多數(shù)施工BIM模型幾何完整性和準(zhǔn)確度低、信息質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重影響模型應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析質(zhì)量。未來，需要通過組織機(jī)制和技術(shù)手段進(jìn)一步提升BIM模型交付能力，持續(xù)改善BIM信息質(zhì)量； 運(yùn)維BIM應(yīng)用需深入管理流程解決醫(yī)院建筑運(yùn)維業(yè)務(wù)的痛點(diǎn)問題，真正用大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)醫(yī)院業(yè)務(wù)發(fā)展。