基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)設計與實施研究

楊絲云，王 旋，胡 玨，蔣森林

（1.同濟大學 經(jīng)濟與管理學院，上海 200000；2.中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430000）

BIM 在設計和施工過程中能夠更精確、更準確的識別信息是毋庸置疑的[1-2]，但BIM 在運營階段的研究仍處于早期，利用率遠落后于設計和施工階段[3]。設施管理（Facility management）旨在整合人員、空間、流程和技術等要素，綜合利用各管理學科方法，確保建筑設施系統(tǒng)功能實現(xiàn)，進而保障該設施系統(tǒng)支持的組織核心業(yè)務持續(xù)和戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的過程[4]。雖然在設施管理中BIM 應用研究在不斷增長，但也大多只停留在理論研究上[5-7]。近年來國外學者多從BIM 技術在設施管理中的應用價值[8-10，13]和阻礙[5，11-12]兩方面進行研究，也有部分學者設計出了設施設備信息模型，但局限于微觀應用上，僅適用于某棟建筑[14-15]或某類專業(yè)[16-17]工程，對于建筑物通用的運營系統(tǒng)開發(fā)還不足。

本文將在分析現(xiàn)有建筑物運營需求的基礎上，引入綜合設施管理理念，設計基于BIM 的設施管理建筑運維系統(tǒng)，詳細介紹該系統(tǒng)的架構、基礎配置及其功能模塊，并提供系統(tǒng)的初步界面，為日后建成國內(nèi)領先、本土化的一站式建筑運營管理平臺提供參考依據(jù)。

1 基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)架構設計

近年來隨著BIM 技術的發(fā)展，BIM 模型已經(jīng)應用在設施管理的各個工作領域，例如石保亞[18]研究了設施管理的物業(yè)信息化服務平臺，侯國棟[19]則將其引入了消防設施，張坤杰[20]看到了商業(yè)地產(chǎn)項目的不足，馬中文等[21]將眼光放在了醫(yī)療設施領域?？偟膩碚f，基于BIM 設施管理建筑運維系統(tǒng)可作為一個集成的信息化平臺，能有效掌握建筑物的各項信息，依靠BIM 軟件平臺，將建筑信息可視化，提高設施管理的效率和成本。

綜合文獻研究成果，并根據(jù)設施管理的定義和功能要求，本文認為運用BIM 技術對建筑設施進行管理，應當包括運維管理、空間管理、自動預警與報警、服務標準和資產(chǎn)管理共五大模塊，具體內(nèi)容如圖1 所示。

依據(jù)上文的框架構建思路，基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)采用C/S 架構如圖2 所示，框架包括4 層：感知層、數(shù)據(jù)層、服務層以及應用層。

（1）感知層。感知層的實質是采集數(shù)據(jù)，所以主要由感知設備構成，例如視頻監(jiān)控、傳感器、計量表、定位裝置等等。感知層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將根據(jù)設施管理不同功能模塊的需求，產(chǎn)生相應的信息模型，并按一定的規(guī)范格式傳輸至數(shù)據(jù)層。

圖1 基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)結構圖

圖2 基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)架構

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層包含用于存儲空間相關數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，包括實時庫、歷史庫、交換庫、備份庫以及分析庫。模型的信息將通過BIM 信息集成中心來進行讀取、保存、集成和交互，不同的數(shù)據(jù)庫將用于響應不同的功能訪問需求，保證各BIM 和各專業(yè)之間的信息共享。

（3）服務層。服務層包括通用型服務以及接口型服務，主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)相關服務的統(tǒng)一管理，為應用層提供建立統(tǒng)一的接口契約和入口。

（4）應用層。應用層由來自設施管理各功能模塊所需的應用軟件、系統(tǒng)和模型組成。本系統(tǒng)主要包含運維、空間、資產(chǎn)、服務標準及自動預警與報警五大應用模塊。功能的實現(xiàn)依賴于對BIM 集成數(shù)據(jù)的邏輯分析。

2 基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)標準與編碼設計

在明確系統(tǒng)架構之后，為了實現(xiàn)各功能模塊，還需設定系統(tǒng)的編碼與標準，以建立規(guī)范化、標準化、統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)交互邏輯，如圖3 所示。

2.1 標準

標準是開展建筑設施管理的基礎，其包含運維標準、空間標準、服務績效標準、資產(chǎn)管理標準、預警參數(shù)等基本管理標準。標準是基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)開展邏輯分析的前提，在系統(tǒng)中表現(xiàn)為可修改的知識庫的形式。

（1）運維標準：運維標準是運維管理的基礎部分，是實現(xiàn)設備系統(tǒng)的分類和表示，以及維保、巡檢和維修業(yè)務標準化操作的基礎。主要分為維保、巡檢、故障三大板塊。

（2）空間標準：空間標準模塊是空間模塊的基礎，用于承載空間類別、空間編碼、空間面積測量方法、空間分配基準、空間分攤方法、空間計費方法等基本空間信息和方法。此部分是其他模塊及功能提取信息的來源與依據(jù)，在系統(tǒng)中表現(xiàn)為可修改的知識數(shù)據(jù)庫的形式。本系統(tǒng)為每項標準提供初始參考文件，但考慮到各公司組織結構與空間管理方法的不同，同時提供增補、刪減或修改標準的途徑。分為建筑分類標準、空間分類標準、空間測量標準、空間分配標準、空間分攤標準、空間計費標準、人員標準七大板塊。

（3）服務績效標準：服務標準模塊主要是指SOW/SLA/KPI 考核指標體系，SOW 服務范圍定義要“提供什么服務”，主要包括服務項目矩陣，服務責任矩陣與服務說明書。服務水平協(xié)議SLA 是指服務供應商和業(yè)主之間或者服務供應商之間的一種互相認可的協(xié)定，包含有雙方對服務內(nèi)容、優(yōu)先權和責任的共同理解，以及對服務質量等級的協(xié)定。KPI 可以簡單明了地為業(yè)主提供多維度的客觀考核工具，評價服務交付結果，牽引服務質量提升。KPI關鍵績效指標定義“怎樣考核供應商”，通常與綜合設施管理服務供應商的管理費掛鉤。

圖3 基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)標準與編碼設計框架

（4）預警參數(shù)：設備是預警系統(tǒng)工作的對象，對于建筑物內(nèi)可監(jiān)控到且有必要監(jiān)控的關鍵設備。根據(jù)業(yè)內(nèi)經(jīng)驗總結、行業(yè)專家研討以及行業(yè)通行標準，預警系統(tǒng)列出關鍵設備的重點指標項作為監(jiān)控以判斷設備是否正常運行的根據(jù)，同時按照國家及地方標準規(guī)范文件、企業(yè)標準以及業(yè)內(nèi)專家的意見，對各個設備的各指標項設定額定工作下的額定值或正常運行下的閾值。分為設備系統(tǒng)及部件一覽數(shù)據(jù)庫、設備監(jiān)控指標項及其參數(shù)閾值兩大板塊。

（5）資產(chǎn)管理標準：資產(chǎn)管理標準模塊是資產(chǎn)管理模塊的基礎，用于承載資產(chǎn)分類、資產(chǎn)折舊方法等基本資產(chǎn)信息和方法。此部分是其他模塊及功能提取信息的來源與依據(jù)，在系統(tǒng)中表現(xiàn)為可修改的知識數(shù)據(jù)庫的形式。本系統(tǒng)為每項標準提供初始參考文件，但考慮到各公司組織結構與資產(chǎn)管理方法的不同，同時提供增補、刪減或修改標準的途徑。

2.2 編碼體系

編碼的目的是將各子設施設備以及建筑空間進行分類，使其具有唯一的身份編號。根據(jù)設備編碼體系對設備進行編碼，確保每個設備及其子部件均具有唯一編號。根據(jù)項目編碼體系對維保、巡檢、故障項目進行編碼，確保每個維保、巡檢、故障項目均具有唯一編號。根據(jù)空間編碼體系為空間添加特有的“身份編號”，為空間規(guī)定統(tǒng)一的名稱，打破不同專業(yè)的語言代溝，通過唯一的編碼可以確定空間的位置分類等信息。

（1）設備和項目編碼體系：設備編碼體系以《建筑信息模型分類和編碼標準》（GB/T 51269-2017）為基礎編制，包含系統(tǒng)編碼、分系統(tǒng)編碼、中系統(tǒng)編碼、子系統(tǒng)編碼、具體設備編碼、子部件編碼。設備編碼體系，如圖4 所示。項目編碼體系由設備編碼體系擴展得到，包含系統(tǒng)編碼、分系統(tǒng)編碼、中系統(tǒng)編碼、子系統(tǒng)編碼、具體設備編碼、子部件編碼、類別編碼、頻次編碼、項目編碼。項目編碼體系，如圖5 所示。

（2）空間編碼體系：編碼結構應包含城市代碼、園區(qū)代碼、建筑代碼、樓層代碼、房間代碼、功能區(qū)代碼，工位添加最后一級工位代碼（僅辦公）。（如圖6）

3 系統(tǒng)功能模塊設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要包含運維、空間、資產(chǎn)、服務標準及自動預警與報警五大應用模塊。

（1）運維管理：此模塊旨在結合BIM 模型實現(xiàn)設施管理運維服務過程自動化標準化，改善運維績效以及財務績效等，并挖掘的大量運維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備科學評價和自動預警的功能。此模塊主要包括六部分組成部分，分別為基本信息、運維標準、設施維保、設施巡檢、設施維修和統(tǒng)計分析。

（2）空間管理：組織在此模塊中整合空間相關信息，通過BIM 模型合理安排，最終實現(xiàn)空間狀態(tài)可視化并使所屬空間利用效率最優(yōu)。此模塊主要包括四項組成部分，分別為空間標準、空間更新、空間需求、空間數(shù)據(jù)。

圖4 設備編碼體系

圖5 項目編碼體系

圖6 空間編碼體系

圖7 運維管理模塊基本架構

（3）自動預警與報警：此模塊不同于巡檢、保養(yǎng)對設備設施在某一固定時點上的檢查和養(yǎng)護，而是對建筑物整體內(nèi)所有設備系統(tǒng)24 小時不間斷的監(jiān)控，是保障設備處于正常運營狀態(tài)的重要模塊。預警系統(tǒng)一方面監(jiān)控設備的運行情況，另一方面向管理者報告異常工作的設備及其故障部件，以便于更快更高效地開展維修工作。主要包括三項組成部分，分別為關鍵設備、關鍵參數(shù)、參數(shù)闕值。

（4）服務標準：服務標準模塊主要是指SOW/SLA/KPI考核指標體系，SOW/SLA/KPI 考核指標體系能夠幫助業(yè)主明確自身的設施管理服務需求，找到合適的外包供應商，同時對外包供應商進行強有力的考核，保障服務質量。

（5）資產(chǎn)管理：組織在此模塊中整合資產(chǎn)相關信息，將資產(chǎn)信息與BIM 模型整合在同一平臺，最終實現(xiàn)資產(chǎn)狀態(tài)可視化并使資產(chǎn)利用效率最優(yōu)，從而為實現(xiàn)資產(chǎn)全生命周期管理提供了有利條件。此模塊主要包括三項組成部分，分別為資產(chǎn)管理標準、資產(chǎn)全生命周期管理、資產(chǎn)數(shù)據(jù)及報表。

3.1 運維管理模塊

此模塊主要包括六部分組成，分別為基本信息、運維標準、設施維保、設施巡檢、設施維修和統(tǒng)計分析。基本架構關系如圖7 所示。

運維管理模塊以BIM、BA 以及企業(yè)ERP 系統(tǒng)，包括財務、OA、HR 系統(tǒng)等為基礎數(shù)據(jù)源，在整個運維管理業(yè)務流中進行數(shù)據(jù)、信息流的互通。設備維保、巡檢與維修是運維模塊的關鍵，均分為發(fā)起與執(zhí)行兩部分，業(yè)務在發(fā)起階段略有不同，執(zhí)行階段基本一致。維保和巡檢發(fā)起由計劃觸發(fā)，維修則由終端用戶或巡檢、維保一線技術人員發(fā)起故障報修需求。其中，發(fā)起故障報修需求的渠道包括電話熱線、郵件，同時也包括系統(tǒng)的app、web 或者微信小程序。

由于設施管理流程集成于其中，所以系統(tǒng)中的流程節(jié)點均為可視。以維保工單流程為例，如圖8 所示，整個維保過程都具有可視性，具體體現(xiàn)在狀態(tài)可視、責任人可視、位置可視、時間節(jié)點可視、歷史信息可視。能幫助降低運維成本，同時能基于必要的信息幫助檢測和診斷建筑設備，自動聯(lián)系并交付給現(xiàn)場人員。

此模塊可以有效整合企業(yè)已經(jīng)構建的分散的管理信息，將其集中到一個管理平臺中，從而可以快速進行故障定位并找到問題根源。在結束運維服務后還可根據(jù)采集到的信息自動生成統(tǒng)計分析報告，為以后的維保計劃提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 空間管理模塊

此模塊主要包括四項組成部分，分別為空間標準、空間更新、空間需求、空間數(shù)據(jù)?；炯軜嬯P系如圖9 所示。

空間標準是其他三個空間功能的基礎，以可修改的標準數(shù)據(jù)庫的形式存入系統(tǒng)，供其他模塊或功能取用參考。空間更新功能允許在系統(tǒng)中對空間進行創(chuàng)建、分配、修改與退出，以便于保障空間信息的準確性和空間歸屬的確定?？臻g需求功能允許由于各種原因產(chǎn)生空間需求的部門或個人提交空間需求申請并經(jīng)由審批立項后執(zhí)行空間再分配。此部分功能在用戶端顯示為面向不同對象的表單?？臻g數(shù)據(jù)功能用于承載、顯示、分析各種空間相關數(shù)據(jù)以便于管理者進行決策和判斷。

圖8 維保工單示例

圖9 空間管理模塊基本架構

圖10 BIM 的建筑空間三級可視化

空間是人員、設備、資產(chǎn)的最終載體，空間管理旨在發(fā)揮空間使用的最優(yōu)效率，控制空間閑置率，為企業(yè)分攤運營成本、合理分配空間提供數(shù)據(jù)支撐。同時，由于基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)可以實時監(jiān)控空間的使用情況，空間管理員可以通過系統(tǒng)及時的解決各類問題，避免空間爭議與損失。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)基于BIM 的建筑空間三級可視化展示如圖10，包括各種隱蔽工程的位置，并能通過查詢系統(tǒng)精準定位高亮顯示，實現(xiàn)實施監(jiān)控測量。通過管理分類、分級，有效的識別用戶的身份，給予合理的權限，實現(xiàn)管理效率的最大化。

還可以實現(xiàn)從多個維度統(tǒng)計不同類型空間的占用比例，以反映建筑空間的使用現(xiàn)狀。通過整合視頻監(jiān)控、傳感器等產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)，還可進行空間占用情況的實時統(tǒng)計分析。在提前定義好報告模板的基礎上，系統(tǒng)還可針對特定的空間使用場景自動生成分析報告，如圖11 所示。

3.3 服務標準模塊

圖11 空間信息統(tǒng)計與分析

圖12 績效考核

圖13 預警模塊基本架構

服務標準模塊主要是指SOW/SLA/KPI 考核指標體系，SOW/SLA/KPI 考核指標體系能夠幫助業(yè)主明確自身的設施管理服務需求，找到合適的外包供應商，同時對外包供應商進行強有力的考核，保障服務質量。

通過SOW/SLA/KPI 建立考核指標體系，SOW 服務范圍定義要“提供什么服務”，SLA 服務水平協(xié)議用于定義SOW 中的“服務（內(nèi)容）需要達到什么水平”，KPI 關鍵績效指標定義“怎樣考核供應商”來進行績效考核，如圖12所示。

本系統(tǒng)根據(jù)20 多份典型設施管理服務范圍SOW，梳理出了一套通用型的設施管理服務說明書框架，每一部分又細分了具體的服務內(nèi)容。然后通過一份清晰的服務水平協(xié)議SLA，定義SOW 中的關鍵內(nèi)容需要達到的服務水平、成果、用于衡量的定量指標以及指標的期望目標，且需要根據(jù)服務內(nèi)容的重要性賦予其相對應的權重。最終，SLA 以打分表的形式應用于設施管理月度服務質量的評估，跟蹤日?？冃?。最后通過KPI 評價服務交付結果，牽引服務質量提升。

系統(tǒng)實現(xiàn)中，SOW/SLA/KPI 考核指標體系既可以置于合同管理模塊中，供合同管理相關人員查閱；亦可以分解至各服務模塊中，指引服務的提供，并收集相應數(shù)據(jù)，自動生成SLA 或KPI 結果，評估供應商表現(xiàn)。

3.4 自動預警與報警模塊

通過智能化的數(shù)據(jù)集成運營平臺對建筑物及其設備系統(tǒng)建設預警工作，無疑是當下先進的，也是未來全行業(yè)必將推進的發(fā)展方向。預警系統(tǒng)整體架構如圖13 所示。主要包括三項組成部分，分別為關鍵設備、關鍵參數(shù)、參數(shù)闕值。當設備的某一指標項參數(shù)超過閾值上限或低于閾值下限時，即觸動本平臺的預警機制。

此模塊旨在結合BIM 模型實現(xiàn)設施管理運營預警過程自動化標準化，實時監(jiān)測關鍵設備及其構件運行過程中的狀態(tài)，實現(xiàn)設備科學評價和自動預警的功能。如圖14，預警系統(tǒng)能實現(xiàn)對建筑物全設備系統(tǒng)的24 小時不間斷監(jiān)控，在解放了傳統(tǒng)的人力坐班的同時，還提高了設備監(jiān)控的效率和準確性。預警系統(tǒng)不僅僅是對巡檢之外的補充，還通過降低設備異常運行的時間延長了設備的使用壽命，是企業(yè)走可持續(xù)性發(fā)展道路的重要工具。

3.5 資產(chǎn)管理模塊

圖14 預警管理系統(tǒng)界面

圖15 資產(chǎn)管理模塊基本架構

此模塊主要包括三項組成部分，分別為資產(chǎn)管理標準、資產(chǎn)全生命周期管理、資產(chǎn)數(shù)據(jù)及報表，整體架構如圖15 所示。BIM 模型能生成可視化的圖形，顯示環(huán)境中的各個資產(chǎn)的信息以及它們之間或者與人之間的關聯(lián)。同時能夠在同一平臺上查看資產(chǎn)合約、資產(chǎn)檔案等詳細信息，便于企業(yè)實時記錄關鍵事件，并將重要變更告知利害干系人，為進一步實現(xiàn)綜合資產(chǎn)報告提供數(shù)據(jù)支撐。

在錄入資產(chǎn)與設施設備基本信息后，為了有效的進行設施管理，確保維修、購置、報廢等任務的順利進行，需要在系統(tǒng)中提取其使用信息、空間位置、主要構件等，如圖16。在進行信息更新時，設施管理人員只需要在建筑運營系統(tǒng)的圖形界面中進行一次操作，既能簡化工作量，又能提高信息提取和利用的準確性、時效性。

還可以通過對資產(chǎn)與設施設備的數(shù)量、類別、成本等屬性的統(tǒng)計，分析得到歷史臺賬、服務完成效率、實際/計劃工單總數(shù)、設備與資產(chǎn)的維修率/可動率/運轉率以及維保費用，提醒設施管理人員更換或者維修設備，為設施管理人員選擇購置資產(chǎn)設備提供參考，并根據(jù)預設模板生成分析報告，如圖17 所示。

傳統(tǒng)資產(chǎn)管理模式中，由于資產(chǎn)相關信息分散，實現(xiàn)資產(chǎn)的全生命周期管理十分不易。但是在基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)下，企業(yè)從源頭加強成本控制，通過精細化管理，完善資產(chǎn)從入庫到報廢的全過程監(jiān)督程序，降低運行維護成本，實現(xiàn)對企業(yè)單位資產(chǎn)的全生命周期管理。

4 結束語

本文應用綜合設施管理的理論和方法，提出了基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)架構，并以編碼與標準體系為基礎，設計了基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)功能模塊。結果表明，基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑信息的全過程跟蹤與分析應用，促成業(yè)務流與數(shù)據(jù)流的充分融合，有效提升運營階段管理效率。當前本系統(tǒng)主要基于桌面端進行空間管理功能的開發(fā)，后續(xù)研究將進一步在WEB 端和移動端進行相關功能的開發(fā)，從而實現(xiàn)多終端協(xié)同作業(yè)、聯(lián)動運行的目標，為開展基于BIM 的建筑運營系統(tǒng)的深度開發(fā)研究提供思路借鑒。

圖16 資產(chǎn)與設施設備可視化

圖17 資產(chǎn)與設施設備信息統(tǒng)計與分析