基于BIM的校園地下管網(wǎng)運(yùn)維管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

夏松林,陳 慧,王德美,李 偉,范淑倩,崔常輝

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

隨著城市人口數(shù)和建設(shè)整體規(guī)模的擴(kuò)大,市政管網(wǎng)的建設(shè)會(huì)顯現(xiàn)出量化擴(kuò)張和單線條建設(shè)的特征,缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的地下管網(wǎng)系統(tǒng)一定會(huì)在快速的城市擴(kuò)張中出現(xiàn)問(wèn)題[1]。BIM 技術(shù)已滲透至建筑工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期,尤其是在設(shè)計(jì)[2]、施工階段[3]研究應(yīng)用得更為深入和成熟。當(dāng)前智慧城市建設(shè)已成為全球城市競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)[4],智慧管網(wǎng)作為智慧城市的生命線,如何使用BIM工具整合各類(lèi)管網(wǎng)建設(shè)信息,并實(shí)時(shí)同步運(yùn)維數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)信息可視、權(quán)責(zé)分明、工作協(xié)同的運(yùn)維管理需求,是急需解決的問(wèn)題。

本文對(duì)校園管網(wǎng)運(yùn)維的共性需求和個(gè)性化需求進(jìn)行調(diào)研分析,探究地下管網(wǎng)參數(shù)化建模過(guò)程,同時(shí)構(gòu)建校園地下管網(wǎng)運(yùn)維管理數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)B/S模式下的BIM模型輕量化,以及外部動(dòng)態(tài)運(yùn)維數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)、內(nèi)部靜態(tài)BIM數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)連接。詳細(xì)介紹平臺(tái)系統(tǒng)框架各組成部分,根據(jù)梳理完善后的運(yùn)維管理需求,對(duì)平臺(tái)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),旨在為實(shí)現(xiàn)校園管網(wǎng)智慧運(yùn)維提供新思路和方法。

1 校園地下管網(wǎng)運(yùn)維管理需求分析

地下管網(wǎng)運(yùn)維管理平臺(tái)的使用對(duì)象主要是以校園為主體的管網(wǎng)權(quán)屬單位，用于地下管網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。校園需要定期進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估,做好對(duì)附屬設(shè)施的檢查、養(yǎng)護(hù)、維修、更新工作[5],此外還要進(jìn)行安全預(yù)案管理,保障發(fā)生事故后能夠按照預(yù)案實(shí)施組織搶修[6]。通過(guò)對(duì)煙臺(tái)某高校后勤能源管理中心負(fù)責(zé)人進(jìn)行調(diào)研,結(jié)合當(dāng)前地下管網(wǎng)運(yùn)維存在問(wèn)題和校園在管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)所要承擔(dān)職責(zé),對(duì)校園管網(wǎng)運(yùn)維管理的一般性功能需求進(jìn)行梳理總結(jié),包括以下需求:

(1)異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成,能夠支持多種格式的文件導(dǎo)入,特別是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之間會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享的需求[7]。

(2)管網(wǎng)的參數(shù)化和可視化,將地下管網(wǎng)的建設(shè)信息及運(yùn)維信息進(jìn)行參數(shù)化存儲(chǔ)和可視化展示,提升信息的可讀性。

(3)信息查詢(xún)和篩選,包括通用查詢(xún)、區(qū)域查詢(xún)、字段查詢(xún),可根據(jù)系統(tǒng)類(lèi)型、管徑、材質(zhì)等自定條件,批量獲取符合要求構(gòu)件的屬性信息[8]。

(4)管網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新,各類(lèi)管網(wǎng)的幾何信息和屬性信息能夠根據(jù)維修情況和改擴(kuò)建情況實(shí)時(shí)更新。

(5)具備合理有效的維護(hù)管理工作流,平臺(tái)能處理管網(wǎng)運(yùn)維的日常活動(dòng),如巡檢、報(bào)修、維修等工作,具有完善的設(shè)計(jì)流程,且能著實(shí)為管網(wǎng)運(yùn)維提高效率。

(6)維護(hù)活動(dòng)的記錄存檔,日常巡檢記錄,管道維修記錄,機(jī)械設(shè)施設(shè)備保養(yǎng)記錄自動(dòng)保存,支持按時(shí)間等條件分析查詢(xún)。

平臺(tái)除滿足以上一般功能外,還可以根據(jù)不同校園的地處環(huán)境、管網(wǎng)特點(diǎn)以及運(yùn)行模式滿足其管網(wǎng)運(yùn)維的特殊性需求。

2 地下管網(wǎng)運(yùn)維管理平臺(tái)系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)提出了基于BIM的校園管網(wǎng)運(yùn)維管理框架,圖1為平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具有四層體系結(jié)構(gòu),即支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)接口層和應(yīng)用層。支撐層主要負(fù)責(zé)布設(shè)傳感數(shù)據(jù)的采集、傳感數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸,以及服務(wù)器的存儲(chǔ)和軟件搭載,用以建立和存儲(chǔ)地下管網(wǎng)各種管線和設(shè)備的信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過(guò)支撐層,可以快速創(chuàng)建、組裝、部署和管理動(dòng)態(tài)的健壯的應(yīng)用邏輯[9]。數(shù)據(jù)層通過(guò)使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)收集BIM模型數(shù)據(jù)、二維圖紙數(shù)據(jù)、設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)及部分文檔影像數(shù)據(jù),并將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),形成管網(wǎng)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)維平臺(tái)的權(quán)限設(shè)置、各模塊業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系、維護(hù)管理活動(dòng)的工作流也在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中編寫(xiě)[10]。服務(wù)接口層可進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn),包括地下管網(wǎng)及設(shè)備的可視化管理，運(yùn)維管理活動(dòng)的實(shí)時(shí)記錄、可視化分析和智能預(yù)警、可追溯查詢(xún)及統(tǒng)計(jì)分析等。應(yīng)用程序?qū)訉⑵脚_(tái)功能整合分類(lèi)后面向用戶,主要包括三維模型和平臺(tái)管理界面、部分流程交互功能和運(yùn)行環(huán)境等,為管理者提供基于BIM技術(shù)并采用B/S架構(gòu)的地下管網(wǎng)運(yùn)維管理方式。

圖1 運(yùn)維系統(tǒng)框架

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

完整的地下管網(wǎng)運(yùn)維過(guò)程包括屬性信息、傳感信息和活動(dòng)信息3種數(shù)據(jù)類(lèi)型。這些信息數(shù)據(jù)量大、缺乏邏輯關(guān)系,建立管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù),完成必備信息的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),可以提升信息的使用性。依照數(shù)據(jù)性質(zhì)和更新頻次,將數(shù)據(jù)分為靜態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)兩類(lèi),圖2是數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

2.2.1 BIM數(shù)據(jù)的擴(kuò)展 模型的數(shù)據(jù)擴(kuò)展一般有3種方式:基于IFCProxy實(shí)體、增加實(shí)體對(duì)象類(lèi)型、擴(kuò)展屬性集[11]。本平臺(tái)選用增加實(shí)體對(duì)象類(lèi)型的方式,完成運(yùn)維信息的添加,根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際情況,對(duì)構(gòu)件添加屬性信息(如設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)備投運(yùn)日期等),這些附加的屬性字段也可表達(dá)維護(hù)管理的業(yè)務(wù)邏輯,并有助于維護(hù)管理系統(tǒng)中對(duì)構(gòu)件的分類(lèi)查詢(xún)[12]。將擴(kuò)展屬性信息同壓力、流量等傳感信息以及在運(yùn)維過(guò)程中產(chǎn)生的維護(hù)活動(dòng)信息(如巡檢次數(shù)、維修次數(shù))進(jìn)行關(guān)聯(lián),完成數(shù)據(jù)擴(kuò)展。

擴(kuò)展屬性添加完成后,擁有足夠?qū)傩缘腂IM模型即可用于維護(hù)管理。將數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理,通過(guò)API導(dǎo)出到數(shù)據(jù)庫(kù),以供前臺(tái)調(diào)用。

2.2.2 BIM數(shù)據(jù)和維護(hù)管理數(shù)據(jù)的鏈接 維護(hù)管理數(shù)據(jù)是隨管網(wǎng)運(yùn)維過(guò)程不斷變動(dòng)的,BIM模型是一個(gè)包含n-D信息的綜合信息平臺(tái)[13]。在數(shù)據(jù)庫(kù)中,為每個(gè)維護(hù)管理活動(dòng)設(shè)置唯一的ID,在編寫(xiě)維護(hù)管理活動(dòng)的業(yè)務(wù)邏輯時(shí),將BIM構(gòu)件ID和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)聯(lián),這樣即可在BIM信息和維護(hù)管理信息之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)不同的查詢(xún)條件就能查詢(xún)到相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生變化的構(gòu)件信息,從而輔助校園完成管道合格性分析、人員工作質(zhì)量評(píng)估等活動(dòng)。圖3為BIM模型和運(yùn)維管理活動(dòng)的鏈接及應(yīng)用。

圖3 BIM模型和管理活動(dòng)的鏈接及應(yīng)用

3 運(yùn)維平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

3.1 可視化管理和專(zhuān)業(yè)分析系統(tǒng)

基于BIM模型進(jìn)行三維視角下管網(wǎng)的專(zhuān)業(yè)分析,輔助運(yùn)維人員管理決策。當(dāng)前地下管網(wǎng)的運(yùn)維管理仍以人為管理為主,實(shí)現(xiàn)在三維視角上的專(zhuān)業(yè)分析,可提高運(yùn)維人員在應(yīng)對(duì)突發(fā)情況時(shí)決策的響應(yīng)和預(yù)判能力,增強(qiáng)運(yùn)維可視性。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)從“源”到“端”管網(wǎng)分析過(guò)程以及從“端”到“源”的反向追溯,設(shè)置了基于BIM模型的管網(wǎng)連通性分析模擬、設(shè)施控制分析模擬。

3.1.1 管網(wǎng)連通性分析 在BIM模型中選取樓宇,可對(duì)指定樓宇所關(guān)聯(lián)的水專(zhuān)業(yè)管道高亮顯示,管道也可添加水流效果,進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管道流向模擬。點(diǎn)擊任意管段,與該管段相連接的上下游主支干管、合流管道、分流管道也會(huì)定位并顯示詳細(xì)信息,從而判斷管段的上下游影響范圍。

3.1.2 設(shè)施控制分析 通過(guò)在BIM模型上點(diǎn)選、框選指定區(qū)域的方式選定設(shè)備,進(jìn)行設(shè)備的控制分析,包括對(duì)源網(wǎng)端的建筑停水、停電、停暖等仿真模擬,從而合理規(guī)劃維護(hù)活動(dòng),幫助管理員進(jìn)行區(qū)域化的設(shè)備更新和維護(hù),使得設(shè)備設(shè)施保持較高運(yùn)維功能。

3.2 檢修管理系統(tǒng)

以實(shí)現(xiàn)基于BIM的工作協(xié)同為目的,對(duì)所包含的運(yùn)維流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)管理扁平化。當(dāng)前管網(wǎng)運(yùn)維常由于參與方協(xié)調(diào)機(jī)制的不健全,導(dǎo)致運(yùn)維過(guò)程中相互推諉、難以界定主體責(zé)任等問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生。本系統(tǒng)對(duì)巡檢工作流、維修工作流,以及工單統(tǒng)計(jì)分析等工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。巡檢管理模塊結(jié)合BIM模型實(shí)現(xiàn)高效巡檢,為增強(qiáng)運(yùn)維人員的工作溝通和信息交換,巡檢任務(wù)下發(fā)的同時(shí),管理員可在BIM模型中指定巡檢區(qū)域和構(gòu)件,以及故障設(shè)施的關(guān)聯(lián)分析,巡檢員從而獲得更清晰的任務(wù)描述。在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后巡檢員可跳轉(zhuǎn)維修管理模塊進(jìn)行報(bào)修,除巡檢員外,學(xué)校下屬各學(xué)院以及各部門(mén)在發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)問(wèn)題后,也可在平臺(tái)發(fā)起報(bào)修流程。平臺(tái)管理員審核報(bào)修問(wèn)題后即可開(kāi)始下達(dá)維修任務(wù),在下達(dá)維修任務(wù)時(shí),管理員也將事故地點(diǎn)的大體故障描述、損壞程度傳達(dá)維修人員,用以指導(dǎo)維修人員維修工作。維修活動(dòng)發(fā)生后,管理員可在BIM模型中指定構(gòu)件維修狀態(tài),包括“維修中”“延期”“已完成”,對(duì)構(gòu)件指以不同的顏色。

3.3 設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)

供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)也成為目前供水管網(wǎng)中的流量和壓力等狀態(tài)信息監(jiān)控的主要手段[14-15]。將BIM屬性數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可視化和管道設(shè)備的智能管控。同時(shí)對(duì)超出閾值的設(shè)備進(jìn)行智能預(yù)警,管理人員可根據(jù)告警信息及時(shí)了解相關(guān)設(shè)備的屬性和監(jiān)測(cè)信息,提升應(yīng)急決策的響應(yīng)速度。

4 案例項(xiàng)目平臺(tái)功能應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本案例為煙臺(tái)地區(qū)某校園地下管網(wǎng)運(yùn)維項(xiàng)目, 該項(xiàng)目以Revit進(jìn)行地下管網(wǎng)BIM模型的參數(shù)化建模,此模型也是相關(guān)設(shè)施設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源。選用BIMFACE作為BIM模型輕量化引擎,系統(tǒng)將對(duì)輕量化后的BIM模型進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),圖4為BIM模型在平臺(tái)中的應(yīng)用展示。

圖4 管網(wǎng)模型及構(gòu)件信息展示

平臺(tái)同時(shí)包含設(shè)備、管道、樓宇的顯示隱藏、隔離定位、二三維聯(lián)動(dòng)以及部分基于模型的專(zhuān)業(yè)分析功能?；贐/S架構(gòu)下的地下管網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)以HTML、CSS以及JavaScript進(jìn)行前端開(kāi)發(fā)應(yīng)用,而B(niǎo)IM模型信息與管理活動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈接底層邏輯以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成。通過(guò)SQL語(yǔ)句進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表間關(guān)系的映射,建立BIM靜態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)維活動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相連接的應(yīng)用體系。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

該項(xiàng)目添加了巡檢員、維修員以及部分學(xué)院?jiǎn)挝唤巧?。管理員具有最高權(quán)限范圍,可進(jìn)行整個(gè)校園巡檢、維修活動(dòng)的計(jì)劃制定、任務(wù)派發(fā)及結(jié)果審核。可根據(jù)運(yùn)維方案對(duì)BIM模型分析模擬,同時(shí)在后期運(yùn)維中,可協(xié)同其他管理者進(jìn)行管網(wǎng)維修造價(jià)分析、運(yùn)維人員工作質(zhì)量評(píng)估及管道廠家合格性分析等。圖5為部分管網(wǎng)專(zhuān)業(yè)分析功能運(yùn)行效果。

圖5 管網(wǎng)專(zhuān)業(yè)分析運(yùn)行效果

巡檢管理流程的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)包含2種應(yīng)用情況,一種是管網(wǎng)巡檢無(wú)問(wèn)題,一種是巡檢結(jié)果異常。巡檢結(jié)果正常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)儲(chǔ)存工作記錄。若結(jié)果異常,具體流程如表1。

表1 巡檢管理過(guò)程

維修管理過(guò)程如表2,管理員無(wú)須進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng),在BIM模型中即可進(jìn)行故障分析和故障點(diǎn)的標(biāo)注。維修工作結(jié)束后員工在平臺(tái)進(jìn)行維修反饋,由管理員審核。

表2 維修管理過(guò)程

通過(guò)設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)對(duì)給水、污水、熱力管道進(jìn)行監(jiān)控,測(cè)點(diǎn)選擇管網(wǎng)的不利供水點(diǎn)等重要的管段節(jié)點(diǎn),相關(guān)壓力、流量數(shù)據(jù)可在平臺(tái)展示,并同設(shè)備型號(hào)、管段信息、檢修記錄等關(guān)聯(lián),提高問(wèn)題解決效率。圖6為傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)界面。

圖6 數(shù)據(jù)分析監(jiān)測(cè)界面

5 小 結(jié)

(1)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于BIM技術(shù)的校園地下管網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng),結(jié)合BIM技術(shù)的三維可視化特性,以地下管網(wǎng)空間模型為載體,重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)信息、傳感數(shù)據(jù)、管理過(guò)程的數(shù)據(jù)集成,建立了實(shí)時(shí)更新的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)模型信息和動(dòng)態(tài)設(shè)備信息的虛實(shí)結(jié)合,改變了以往查閱繁瑣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散的低效問(wèn)題。

(2)對(duì)運(yùn)維工作流程進(jìn)行再梳理,使平臺(tái)融合運(yùn)維管理流程+數(shù)據(jù)分析功能+信息管理功能,建立一體化的地下管網(wǎng)運(yùn)維管理平臺(tái)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維視角下的管網(wǎng)專(zhuān)業(yè)分析功能,使數(shù)據(jù)分析不再僅僅局限于二維視角。

(3)軟件平臺(tái)的發(fā)展是一個(gè)不斷更新的過(guò)程,信息數(shù)據(jù)的互通將會(huì)不斷被完善,BIM技術(shù)在信息表達(dá)和工程管理中具有良好的完整性和協(xié)同性,這很符合智慧管網(wǎng)這一理念的發(fā)展,未來(lái)在地下管網(wǎng)的建設(shè)到運(yùn)維中將會(huì)得到大范圍應(yīng)用。