基于BIM的大型公共建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)

董 效 東

(江蘇達(dá)海智能系統(tǒng)股份有限公司 上海分公司,上海 200433)

0 引 言

大型公共建筑是指用于商業(yè)、辦公、旅游、科教文衛(wèi)、通信、交通運(yùn)輸?shù)扔猛?單棟建筑面積20 000 m2以上且采用空調(diào)的建筑[1]。大型公共建筑中的設(shè)備運(yùn)維管理活動(dòng),是依據(jù)建筑擁有者的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃,將建筑用戶(住戶、租戶、訪客等)對(duì)建筑功能服務(wù)的美好體驗(yàn)相關(guān)聯(lián),整合地點(diǎn)、人員、空間、資產(chǎn)、流程等要素的系統(tǒng)工程。

大型公建項(xiàng)目其全生命周期過(guò)程中,涉及不同建筑專業(yè)多參與方的建筑活動(dòng),大多基于二維CAD圖紙和相關(guān)文檔表格資料,其產(chǎn)生的過(guò)程信息,具有孤立、零散、信息表達(dá)不一致等特點(diǎn),建筑設(shè)備運(yùn)維的管理人員在使用這些信息時(shí),需要較高的專業(yè)水平和長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn),從而導(dǎo)致建筑維護(hù)使用成本的增加[2]。

隨著我國(guó)建筑信息模型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相繼推行,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)作為建筑全生命周期的信息化標(biāo)準(zhǔn)和共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源,不僅在建筑項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施階段體現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值,而且在建筑設(shè)備運(yùn)維管理階段,還可通過(guò)建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)軟件,將BIM模型承載的建筑實(shí)體三維結(jié)構(gòu)以及建筑各階段信息與機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)時(shí)管控場(chǎng)景相結(jié)合,充分發(fā)揮BIM模型在建筑運(yùn)維階段的應(yīng)用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)維成本、提高運(yùn)維效率和設(shè)備運(yùn)維管理的智能化、智慧化。

1 基于BIM的大型公共建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)

基于BIM的大型公共建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為建筑現(xiàn)場(chǎng)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和系統(tǒng)應(yīng)用層。BIM建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 BIM建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)

1.1 建筑現(xiàn)場(chǎng)層

大型公共建筑現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)維管理一般包括暖通、照明、送排風(fēng)、給排水、變配電、電梯、安保、消防、停車(chē)、訪客、信息發(fā)布、能耗計(jì)量、環(huán)境(室內(nèi)外溫濕度、照度、CO、CO2等傳感設(shè)備)等機(jī)電設(shè)備子系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)維管理業(yè)務(wù)涉及的人員和相關(guān)業(yè)務(wù)流程[3]。建筑現(xiàn)場(chǎng)層是包括設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)所有現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維數(shù)據(jù)來(lái)源和系統(tǒng)管理動(dòng)作效果的直接體現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要完成設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理和存儲(chǔ)。設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)主要通過(guò)建筑物聯(lián)網(wǎng)(IoT)系統(tǒng)對(duì)各建筑機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行工況獲得,建筑幾何與非幾何信息,提取自建筑的BIM竣工模型[4]。這些不同來(lái)源的數(shù)據(jù)信息,依據(jù)工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)和IoT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)Schema,進(jìn)行實(shí)體屬性識(shí)別和統(tǒng)一編碼處理,在數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)BIM與設(shè)備運(yùn)維的信息融合。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為三維模型幾何信息存儲(chǔ)、運(yùn)維管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)維系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。其中,三維模型幾何信息和知識(shí)庫(kù)主要通過(guò)對(duì)BIM模型實(shí)體及實(shí)體關(guān)聯(lián)屬性信息的提取獲得,運(yùn)維管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與BIM實(shí)體對(duì)齊后的設(shè)備運(yùn)維相關(guān)信息。

1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是運(yùn)維相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯與BIM信息的融合實(shí)現(xiàn),對(duì)外體現(xiàn)為運(yùn)維系統(tǒng)軟件功能服務(wù)?；贐IM大型公共建筑設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)主要有以下幾方面的功能。

(1)設(shè)備運(yùn)行管理。在傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行工況監(jiān)控功能基礎(chǔ)上,將設(shè)備功能服務(wù)與建筑空間結(jié)合,針對(duì)建筑運(yùn)營(yíng)、運(yùn)維管理業(yè)務(wù)對(duì)不同建筑空間(財(cái)務(wù)室、會(huì)議室、中庭、辦公區(qū)域等)的個(gè)性化應(yīng)用場(chǎng)景要求,實(shí)時(shí)調(diào)整空間內(nèi)設(shè)備的功能服務(wù)(照明、安保、暖通等設(shè)備系統(tǒng)的啟停、調(diào)節(jié)等)。

(2)設(shè)備空間定位。傳統(tǒng)基于二維平面圖確定的設(shè)備落位,無(wú)法產(chǎn)生設(shè)備的準(zhǔn)確空間位置,當(dāng)運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障排查或巡檢時(shí),無(wú)法將設(shè)備與運(yùn)維系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀對(duì)應(yīng)。通過(guò)將BIM模型實(shí)體與IoT設(shè)備、設(shè)備所處空間實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng),運(yùn)維管理系統(tǒng)可以三維立體視角準(zhǔn)確、快速地顯示設(shè)備所處空間位置,提高運(yùn)維操作人員的工作效率。

(3)VR巡檢。通過(guò)三維漫游功能,在用戶自定義的設(shè)備巡檢路徑上,可以第一視角顯示視野中設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)視頻等信息,為運(yùn)維操作人員提供全面、方便的設(shè)備運(yùn)維巡檢體驗(yàn)。VR巡檢的系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 VR巡檢的系統(tǒng)界面

(4)基于知識(shí)庫(kù)的故障分析?，F(xiàn)階段設(shè)備運(yùn)維決策過(guò)程,主要基于運(yùn)維人員的個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平,決策輔助信息不足,決策效果受主觀因素影響較大。通過(guò)從BIM中提取建筑實(shí)體屬性及實(shí)體關(guān)聯(lián)關(guān)系等語(yǔ)義信息,構(gòu)建建筑設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)維知識(shí)庫(kù),可為設(shè)備運(yùn)維管理決策提供快速的知識(shí)檢索,提高設(shè)備運(yùn)維管理的智能化、智慧化水平。

1.4 系統(tǒng)應(yīng)用層

系統(tǒng)應(yīng)用層為系統(tǒng)軟件功能的客戶端展現(xiàn)。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)駕駛艙形式,結(jié)合用戶自身管理業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析要求,將設(shè)備運(yùn)維實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)與建筑三維輕量化模型結(jié)合,為用戶提供立體空間視角,方便用戶隨時(shí)洞察建筑設(shè)備運(yùn)維態(tài)勢(shì)。系統(tǒng)也支持PC端瀏覽器的設(shè)備運(yùn)維管理三維可視化應(yīng)用。借助移動(dòng)設(shè)備與用戶緊密結(jié)合的特點(diǎn),設(shè)備運(yùn)維信息可通過(guò)移動(dòng)端APP將設(shè)備運(yùn)維信息隨時(shí)觸達(dá)運(yùn)維管理活動(dòng)的相關(guān)人員。

2 BIM在設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用

2.1 設(shè)備統(tǒng)一編碼

IFC作為BIM的國(guó)際數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),IFC Schema以面向?qū)ο蠓绞蕉x了建筑實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并通過(guò)實(shí)體之間繼承、引用、連接、組合、包含、表示、分配等關(guān)系,構(gòu)成實(shí)體建筑的數(shù)據(jù)抽象。面向建筑交付后使用階段的建筑設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng),其Schema采用面向?qū)ο蠓椒枋鼋ㄖC(jī)電設(shè)備系統(tǒng)在運(yùn)行管理、保修、維修、檢修等運(yùn)維活動(dòng)中的事務(wù)數(shù)據(jù),機(jī)電設(shè)備是設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源,如需獲得更多建筑其他階段信息(如設(shè)備銘牌參數(shù)、設(shè)備供電結(jié)構(gòu)、設(shè)備作用空間等),實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)與建筑三維模型的融合展示和運(yùn)維業(yè)務(wù)應(yīng)用,還需建立BIM機(jī)電設(shè)備實(shí)體與運(yùn)維設(shè)備對(duì)象的一一映射。IFC中機(jī)電設(shè)備實(shí)體雖均有唯一標(biāo)識(shí)(GUID),但其不含業(yè)務(wù)規(guī)則,無(wú)法作為一個(gè)統(tǒng)一業(yè)務(wù)編碼規(guī)則去描述兩個(gè)系統(tǒng)中的同一實(shí)體對(duì)象。

OmniClass信息分類體系是目前普遍應(yīng)用于建筑行業(yè)的信息分類編碼體系,其是以ISO 12006-2標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),包含規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)維及拆除的建筑全生命周期過(guò)程的信息數(shù)據(jù)。OmniClass分類采用面分法,共有15張分類信息表[5]。OmniClass建筑信息分類如表1所示。

表1 OmniClass建筑信息分類

Revit軟件中已集成OmniClass分類編碼,每個(gè)BIM實(shí)體均已按此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分類編碼。同樣,OmniClass也適用于建筑設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的信息分類編碼,因此,只需在OmniClass編碼上進(jìn)行實(shí)例化擴(kuò)展,即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)維系統(tǒng)中設(shè)備和BIM設(shè)備構(gòu)件的統(tǒng)一編碼。設(shè)備具體編碼映射過(guò)程如下。

(1)對(duì)IoT系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備分配OmniClass分類碼;

(2)為每個(gè)建筑空間內(nèi)的設(shè)備,分配唯一數(shù)量編號(hào);① 當(dāng)一個(gè)空間中不同類型設(shè)備只有一個(gè)時(shí),該設(shè)備數(shù)量編號(hào)為1;② 當(dāng)一個(gè)空間中同類型設(shè)備多于一個(gè)時(shí),依據(jù)設(shè)備所在空間相對(duì)坐標(biāo)系下的排序規(guī)則,為每個(gè)設(shè)備順序編號(hào)。

設(shè)備空間排序規(guī)則:按照項(xiàng)目正北方向,采用空間笛卡爾坐標(biāo)系,左下為坐標(biāo)原點(diǎn),水平方向是X軸,垂直方向是Y軸,Z軸為高度值。按照構(gòu)件中心點(diǎn)在平面笛卡爾坐標(biāo)中位置,先以XY平面上嚴(yán)格按照從左到右順序進(jìn)行數(shù)量編號(hào),如需要,再以XZ平面按照從下到上進(jìn)行數(shù)量編號(hào)。同一空間內(nèi)、同類型XY平面排序規(guī)則如圖3所示。XZ平面排序規(guī)則如圖4所示。

圖3 XY平面排序規(guī)則圖4 XZ平面排序規(guī)則

(3)根據(jù)OmniClass分類編碼、設(shè)備空間排序規(guī)則、設(shè)備的附屬屬性(所在項(xiàng)目、建筑、樓層、空間等信息),確定對(duì)應(yīng)的BIM構(gòu)件,建立IoT設(shè)備與BIM構(gòu)件的映射表。

(4)建筑設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)備的統(tǒng)一編碼格式如下:[OmniClass分類碼]-[樓層]·[空間名稱]·[數(shù)量編號(hào)]。

2.2 BIM模型輕量化處理

BIM模型的輕量化處理,主要目的是為了減少BIM模型在瀏覽器、移動(dòng)APP應(yīng)用時(shí)模型的數(shù)據(jù)傳輸量和客戶端保存的模型數(shù)據(jù)規(guī)模,以使客戶端可便捷地獲得三維模型建筑應(yīng)用。BIM模型輕量化處理如圖5所示。

圖5 BIM模型輕量化處理

BIM模型輕量化處理,主要包括以下部分內(nèi)容。

(1)分離模型幾何信息與非幾何信息。將BIM模型文件中的幾何數(shù)據(jù)和占模型文件約20%～50%的非幾何數(shù)據(jù)拆分,分別輸出至數(shù)據(jù)層供設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)使用。

(2 )三維幾何數(shù)據(jù)輕量化處理。對(duì)BIM模型的三維幾何數(shù)據(jù),做進(jìn)一步輕量化處理優(yōu)化,以降低三維幾何數(shù)據(jù)量,節(jié)約客戶端電腦的渲染計(jì)算量,從而提高BIM模型客戶端下載、渲染和功能處理的速度,采取的方案包括:采用參數(shù)化或三角化幾何描述三維構(gòu)件,減少模型數(shù)據(jù)規(guī)模;對(duì)構(gòu)件依據(jù)運(yùn)維管理業(yè)務(wù)需要,進(jìn)行減面優(yōu)化處理;實(shí)例化算法減少同樣幾何物體構(gòu)件的存儲(chǔ)量;構(gòu)建符合場(chǎng)景遠(yuǎn)近原則的多級(jí)構(gòu)件組織體系,隨用戶當(dāng)前視點(diǎn)場(chǎng)景的遠(yuǎn)近,調(diào)整構(gòu)件的細(xì)節(jié)描述。

(3)渲染處理。渲染過(guò)程可使用八叉樹(shù)快速剔除不可見(jiàn)圖元,減少進(jìn)入渲染區(qū)域的繪制對(duì)象,使用多重深度模型,加速單圖元渲染速度。

2.3 建筑設(shè)備智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)

IFC作為BIM的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),不僅包含BIM實(shí)體屬性信息,還包含有各實(shí)體之間的空間關(guān)系(連接關(guān)系、組成關(guān)系)信息,通過(guò)IFC數(shù)據(jù)解析工具IFC Java Tool Box,可將IFC 實(shí)體解析成對(duì)應(yīng) Java類,實(shí)現(xiàn)IFC實(shí)體及屬性信息的提取。將提取到的每個(gè)IFC實(shí)體抽象成一個(gè)節(jié)點(diǎn),用實(shí)體所包含的引用關(guān)系(IfcRelationship)作為連接節(jié)點(diǎn)的有向邊,并為節(jié)點(diǎn)和邊賦上對(duì)應(yīng)的屬性值,即構(gòu)成了一個(gè)建筑實(shí)體關(guān)系屬性圖模型。Neo4j作為圖數(shù)據(jù)庫(kù)的代表之一,就是以屬性圖模式進(jìn)行圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索,其最大可支持320 億個(gè)節(jié)點(diǎn)、640 億個(gè)屬性和320 億個(gè)關(guān)系的圖存儲(chǔ),并且節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)了關(guān)聯(lián)邊指針,并對(duì)屬性信息建立索引,從而確保了Neo4j具有優(yōu)異的圖搜索效率。通過(guò)解析工具,從IFC STEP實(shí)例文件中提取的建筑機(jī)電系統(tǒng)(MEP)實(shí)體關(guān)系屬性。BIM模型中提取的MEP屬性圖如圖6所示。

圖6 BIM模型中提取的MEP屬性圖

在建筑設(shè)備故障處理、客戶報(bào)定位等運(yùn)維場(chǎng)景中,經(jīng)常需要的與故障設(shè)備存在關(guān)聯(lián)性的設(shè)備或空間的關(guān)聯(lián)檢索要求,可通過(guò)Neo4j的Cypher查詢語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)快速的模糊查詢。

3 結(jié) 語(yǔ)

BIM作為建筑全生命周期的共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,在建筑運(yùn)維階段充分挖掘BIM的數(shù)據(jù)價(jià)值,不僅使建筑設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)的信息更加完善,系統(tǒng)信息的表達(dá)更加生動(dòng)和易于理解,而且采用屬性圖模式對(duì)BIM模型中實(shí)體及實(shí)體關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行表達(dá),通過(guò)成熟高效的圖數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品技術(shù),可極大地提高設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)的信息檢索效率,為設(shè)備運(yùn)維管理決策提供良好的支撐。