基于BIM的建筑運(yùn)維管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

高琪 湯濤 琚康和

【摘 要】建筑業(yè)作為資源消耗的重要領(lǐng)域，服務(wù)水平的提升過程就是科學(xué)管理和高效整合的過程。基于BIM的建筑數(shù)字化技術(shù)在設(shè)計施工階段已取得一定的應(yīng)用進(jìn)展，但在運(yùn)維階段的運(yùn)用仍需加快探索步伐，從而實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)運(yùn)維管理向數(shù)字智能化的轉(zhuǎn)型升級。文章在對建筑運(yùn)維管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，明確了基于BIM的運(yùn)維系統(tǒng)的目標(biāo)和需求，給出了3種運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，并從開發(fā)難易程度、耗費(fèi)人力成本及原始信息留存3個方面對這3種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)利用Unity 3D引擎技術(shù)的運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)勢更大，為建筑運(yùn)維及其與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的深度融合提供了一定思路。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);運(yùn)維系統(tǒng);數(shù)字化;可視化

【中圖分類號】F407.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0050-03

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）這一概念最早由Eastman提出[1]，如今它的應(yīng)用改變了建筑設(shè)計方法與設(shè)計思想。作為一種新的建設(shè)工程施工管理方法，BIM技術(shù)通過建立虛擬的工程三維模型，并以數(shù)字技術(shù)作為支撐，為該模型提供完整、可靠的工程信息庫，提升了工程的數(shù)據(jù)集成化程度，促進(jìn)了建筑信息的交互[2]，實(shí)現(xiàn)施工建設(shè)由靜態(tài)向動態(tài)的轉(zhuǎn)變，大幅提高施工企業(yè)的運(yùn)行效率和管理水平。

在建筑項目的全生命周期中，運(yùn)維階段是項目建設(shè)的最后一個階段，涉及工種跨度大、工作內(nèi)容多而雜、對管理人員能力要求高，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財力[3]，具體工作包括日常的物業(yè)管理、有關(guān)設(shè)備的檢修維護(hù)、火災(zāi)等突發(fā)事件的應(yīng)急處理等[4]，可以說是整個建設(shè)周期中最重要的一環(huán)。若在運(yùn)維管理中引入BIM技術(shù)，一方面可以提升投資效益，另一方面可以促進(jìn)設(shè)計、施工和運(yùn)維階段的信息交互，為運(yùn)維人員提供一個便捷的管理操作平臺[5]。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步發(fā)展，國內(nèi)外開始進(jìn)行相關(guān)引擎的設(shè)計研發(fā)工作，其中Unity 3D技術(shù)可兼容多種格式的文件，具有綜合性強(qiáng)、場景真實(shí)、可視化模擬等功能，在不同的操作平臺可實(shí)現(xiàn)互動交流。此外，Unity 3D支持多種程序語言，擁有可定制的IDE環(huán)境，并可在多平臺發(fā)布，能滿足大部分用戶對項目的需求。總的來說，盡管虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國的應(yīng)用剛剛起步，但是Unity 3D在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，若在建筑運(yùn)維管理系統(tǒng)中引入Unity 3D技術(shù)，可利用代碼驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對建筑的可視化管理與監(jiān)控。

本研究在對傳統(tǒng)運(yùn)維方式的弊端進(jìn)行分析后，整合新需求和新目標(biāo)，列出基于BIM的運(yùn)維管理系統(tǒng)應(yīng)具備的功能，并給出3種運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，通過對比這幾種方案發(fā)現(xiàn)，結(jié)合Unity 3D引擎的運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)在各方面優(yōu)勢明顯，有望減輕運(yùn)維管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提升建筑運(yùn)維智能化水平。

1 建筑運(yùn)維管理的內(nèi)涵

建筑運(yùn)維管理，是指通過對運(yùn)維技術(shù)、設(shè)施設(shè)備及建筑使用者等資源的整合利用，在正常使用和管理的情形下，從建筑投產(chǎn)使用到使用壽命終結(jié)的過程中，為增加投資收益、降低使用成本而進(jìn)行的一項綜合性管理工作。近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對建筑的使用功能追求越來越高，這對建筑運(yùn)維管理水平也提出了更高的要求，運(yùn)維管理也從簡單的物業(yè)管理維修逐步向智能化方向過渡。

建筑運(yùn)維管理的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下6個方面：①系統(tǒng)性。建筑運(yùn)維管理涉及多個專業(yè)和內(nèi)容，是一項系統(tǒng)性工作，需要各方的緊密聯(lián)系和通力合作，形成合力實(shí)現(xiàn)整體管控。②連續(xù)性。在運(yùn)維管理過程中，既要考慮項目完成后的工作，還要對接前期已完成的工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化管理。③唯一性。建筑屬性不同，運(yùn)維需求也有很大差異，需根據(jù)具體要求進(jìn)行針對性的設(shè)計，所以運(yùn)維體系要相對獨(dú)立。④技術(shù)性。建筑結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，各種設(shè)備越來越先進(jìn)和智能化，因此需要匹配先進(jìn)技術(shù)和專業(yè)人才支撐運(yùn)維工作。⑤復(fù)雜性。建筑運(yùn)維管理需要充分協(xié)調(diào)建筑功能、業(yè)主需求等，需考慮的各種因素多，工作內(nèi)容復(fù)雜。⑥商業(yè)性。對于建筑運(yùn)維者來說，必須在一定的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)下制訂管控計劃。

2 建筑運(yùn)維管理現(xiàn)狀分析

目前，建筑運(yùn)維主要采用臺賬式的管理模式，這種管理模式難以對海量信息進(jìn)行有效的篩選，進(jìn)而做出正確的決策分析，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化的建筑運(yùn)維新需求，暴露的問題主要集中在以下幾個方面[6]。

（1）建筑數(shù)據(jù)離散碎片化，缺乏有效的互通流轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)的建筑工程交付過程中，主要是搜集海量的離散碎片化數(shù)據(jù)，將工程施工文字資料、竣工圖紙、配套竣工資料、工程影像資料等轉(zhuǎn)化為簡單的電子化數(shù)據(jù)并留存，但各方數(shù)據(jù)之間缺乏有效的互通和流轉(zhuǎn)，無法復(fù)用，給建筑運(yùn)維階段的查詢利用工作帶來較大困難。因此，打破信息孤島，串聯(lián)各階段的數(shù)據(jù)信息，使建筑工程項目信息實(shí)現(xiàn)從設(shè)計、施工到運(yùn)維階段的協(xié)同傳遞，這已成為建筑施工單位必須解決的問題。

（2）建筑內(nèi)子系統(tǒng)相互獨(dú)立，集成化管控程度低。隨著建筑功能的不斷完善，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部的各種設(shè)備逐漸增多，并呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型較大、種類繁多等特點(diǎn)，加之各系統(tǒng)相對獨(dú)立，彼此之間無法互聯(lián)共享，數(shù)據(jù)不能復(fù)用，這就要求運(yùn)維人員必須針對各個獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)管理，會耗費(fèi)大量的人力成本。因此，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的融合互通及子系統(tǒng)的集成應(yīng)用迫在眉睫。

（3）應(yīng)急突發(fā)事件處理滯后，難以形成預(yù)警機(jī)制。當(dāng)下的建筑運(yùn)維模式仍以人工操作為主，由于設(shè)備數(shù)據(jù)的專業(yè)性強(qiáng)，而管理人員的業(yè)務(wù)水平參差不齊，不具備全局性的統(tǒng)籌能力，以及存在不合理的流程管控機(jī)制，從事前到事中再到事后，各類數(shù)據(jù)之間缺乏連續(xù)且有效的傳遞，因此難以快速識別異常位置，導(dǎo)致突發(fā)事件處理滯后，處理難度大，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大的隱患。若轉(zhuǎn)換思路，做到事前有準(zhǔn)備、事中緊跟蹤、事后可溯源，形成智能化預(yù)警機(jī)制，則可大大減輕突發(fā)事件造成的不利影響和損失。

3 BIM運(yùn)維系統(tǒng)目標(biāo)及需求分析

通過對傳統(tǒng)運(yùn)維管理方式的弊端進(jìn)行分析，明確了運(yùn)維系統(tǒng)需集中解決的問題，目前非常有必要開發(fā)一套能系統(tǒng)、直觀地顯示建筑各部分狀態(tài)的，能對運(yùn)維情況、應(yīng)急處理、數(shù)據(jù)查詢等信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲管理的系統(tǒng)[7]。結(jié)合新需求，在傳統(tǒng)的運(yùn)維管理平臺的基礎(chǔ)上，配套設(shè)計的系統(tǒng)具備的功能如圖1所示。

（1）登錄注冊：初始用戶完成注冊后，通過賬號及設(shè)置的密碼進(jìn)行系統(tǒng)登錄。

（2）全景展示：通過對模型操作，可完成內(nèi)外部的漫游、旋轉(zhuǎn)、視角切換等3D瀏覽功能，實(shí)現(xiàn)對建筑全景的全方位顯示。

（3）系統(tǒng)監(jiān)控：以動畫的方式展示模型相關(guān)信息，既可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)瀏覽，也可以完成動態(tài)漫游。

（4）查詢統(tǒng)計：通過設(shè)定條件，針對性地展示用戶所需信息，如BIM設(shè)備信息、建筑能耗情況和環(huán)境參數(shù)等。

（5）能耗分析：多角度顯示建筑內(nèi)部能耗情況趨勢圖，通過分析數(shù)據(jù)可以更好地進(jìn)行耗能管理。

（6）報警處理：對建筑運(yùn)行情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，出現(xiàn)異常的部位可實(shí)時報警并精準(zhǔn)定位。

（7）設(shè)備管理：主要包括設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)管理及工作人員對設(shè)備的管理評價。

4 BIM運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式

4.1 基于IFC格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Ⅰ

基于IFC格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)主要基于IFC標(biāo)準(zhǔn)，一方面通過IFC數(shù)據(jù)解析器將IFC格式數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲于BIM數(shù)據(jù)庫中，BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行整合和分類統(tǒng)計分析，從而實(shí)現(xiàn)對建筑物的實(shí)時監(jiān)測控制;另一方面借助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將運(yùn)維管理系統(tǒng)整合并統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)以IFC數(shù)據(jù)格式保存到BIM數(shù)據(jù)庫中，供BIM中的建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型調(diào)用，在Navisworks中完成3D可視化及漫游等操作。

基于IFC格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Ⅰ如圖2所示，具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

（1）IFC格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過IFC數(shù)據(jù)解析器轉(zhuǎn)換后，存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這些信息可以由運(yùn)維系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)能耗分類統(tǒng)計與分析、設(shè)備故障診斷與報警等功能。

（2）將Revit建立的BIM模型以dwf格式導(dǎo)入Navisworks軟件中，實(shí)現(xiàn)3D可視化展示及漫游管理等功能。

（3）運(yùn)維系統(tǒng)將統(tǒng)計的有關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，轉(zhuǎn)成IFC格式的數(shù)據(jù)保存至BIM數(shù)據(jù)庫中，并用于可視化展示和分析。

4.2 基于IFC格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Ⅱ

與第一種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式相似，同樣以IFC格式為標(biāo)準(zhǔn)，但在其基礎(chǔ)上引入了3D重構(gòu)技術(shù)。首先，BIM數(shù)據(jù)庫利用IFC數(shù)據(jù)解析器將IFC格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)信息可由BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)某些預(yù)設(shè)功能;其次，BIM中的建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型通過調(diào)用BIM數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息，利用3D重構(gòu)技術(shù)，在BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)中以3D形式呈現(xiàn)。

基于IFC格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)Ⅱ如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：？譹？訛建立BIM模型，通過編寫C#腳本代碼，利用IFC數(shù)據(jù)解析器，實(shí)現(xiàn)IFC格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化并存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，同時BIM運(yùn)維系統(tǒng)可調(diào)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)測、分析和診斷。？譺？訛BIM中的建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型調(diào)用BIM數(shù)據(jù)庫信息，引入3D重構(gòu)技術(shù)，在WebGL中重新以3D形式展示。？譻？訛基于WebGL進(jìn)行運(yùn)維系統(tǒng)的開發(fā)，同時結(jié)合重構(gòu)的模型，實(shí)現(xiàn)3D視角下高效率的運(yùn)維管理功能。

4.3 基于FBX格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

基于FBX格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)，考慮到FBX格式的模型可以有效保留BIM模型的原始數(shù)據(jù)，并能被包括Unity 3D在內(nèi)的多種軟件支持，先在Revit軟件中將BIM模型導(dǎo)出為FBX格式，再將FBX格式的BIM模型導(dǎo)入到Unity 3D中，在Unity 3D中通過編寫腳本代碼，實(shí)現(xiàn)BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)三維可視化功能。此外，批量保存于Bmob數(shù)據(jù)庫中的信息，可與Unity 3D實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，還可應(yīng)用于工程造價預(yù)算、建筑能耗分析等。

基于FBX格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：？譹？訛在Revit中，以FBX格式將BIM模型導(dǎo)出，最大化地保留模型的原始數(shù)據(jù)。？譺？訛將導(dǎo)出的FBX格式的BIM模型文件，直接導(dǎo)入Unity 3D中，或者經(jīng)過3Dmax渲染編輯后，再輸出為FBX格式的模型文件供Unity 3D輔助使用，在Unity 3D中，通過編寫JavaScript/C#腳本代碼控制BIM行為。？譻？訛將Revit中的BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，批量存放入Bmob數(shù)據(jù)庫中，與本地數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)輕松互聯(lián)。

4.4 3種BIM運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式對比

本研究從開發(fā)難易程度、耗費(fèi)人力成本及原始信息留存3個方面對3種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行比較。通過對比發(fā)現(xiàn)，前兩種實(shí)現(xiàn)方式在軟件開發(fā)層面較為困難，對BIM模型原始信息保留程度不高且需耗費(fèi)較大的人力和物力資源，性價比不高;而基于FBX格式的BIM運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，充分考慮到工作難易度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，發(fā)揮Unity 3D引擎自身的優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)庫與BIM模型之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并將開發(fā)分析功能集成于一個軟件，便于運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合統(tǒng)一管理，減少一些不必要的資源浪費(fèi)，這將是建筑可視化運(yùn)維管理系統(tǒng)發(fā)展的一個新方向。3種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式對比見表1。

5 結(jié)語

對于BIM技術(shù)在建筑運(yùn)維管理中的應(yīng)用，本文的研究過程是一次積極的嘗試。但是，BIM技術(shù)在運(yùn)維階段的應(yīng)用仍處在初級階段，特別是與各種前沿科技的整合還有待進(jìn)一步發(fā)掘和完善，未來仍有漫長的道路要走。隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的高速發(fā)展，將其與BIM技術(shù)相融合，并引入建筑全生命周期的運(yùn)維管理階段，將有望創(chuàng)造更大的價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS R.BIM handbook：a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].New Jersey：John Wiley & Sons，Inc.，2011：1-30.

[2]馬國豐，宋雪.基于BIM的辦公建筑智能化運(yùn)維管理設(shè)計研究[J].科技管理研究，2019，39（24）：170-178.

[3]孫玉梅，曹思琪，唐麗萍，等.BIM技術(shù)在實(shí)驗研發(fā)中心樓運(yùn)維管理階段應(yīng)用的研究[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2021，21（5）：289-295.

[4]胡振中，彭陽，田佩龍.基于BIM的運(yùn)維管理研究與應(yīng)用綜述[J].圖學(xué)學(xué)報，2015，36（5）：802-810.

[5]李華強(qiáng)，陳思民，李佐宇，等.淺談基于BIM的智慧運(yùn)營維護(hù)[J].居舍，2021（12）：172-173，175.

[6]劉杰，唐世超，王志強(qiáng).融合體驗高效——基于BIM的運(yùn)維管理系統(tǒng)構(gòu)建[J].智能建筑，2021（1）：61-64.

[7]孫曉丹.基于BIM的建筑可視化運(yùn)維管理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2019.