基于BIM技術的科技館建筑智能化系統(tǒng)運維研究

【摘要】在智慧城市科技展館建筑智能化系統(tǒng)運維研究中，文章通過BIM技術構(gòu)建三維模型，并通過物聯(lián)網(wǎng)收集并融合數(shù)據(jù)，以精準預測潛在故障。通過制定動態(tài)預警閾值設定、多維度預警信息展示，以及多渠道預警信息傳遞三大管理步驟，確保建筑智能化系統(tǒng)成功運維。研究結(jié)果表明，引入BIM技術后成本節(jié)約率高達9.14%，充分證明了BIM技術在成本控制上的有效性。

【關鍵詞】BIM技術；智慧城市；科技展館；智能化系統(tǒng)；運維管理

【中圖分類號】TU17 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）01-0007-03

0 引言

BIM技術是一種基于三維模型的多維信息集成技術，它集成了建筑工程項目的各種相關信息，包括設計、施工、運維等全生命周期的數(shù)據(jù)。通過BIM技術，可以構(gòu)建一個包含豐富信息的數(shù)字化建筑模型，使工程項目的所有參與方都能夠在統(tǒng)一的平臺上進行信息共享和協(xié)同工作，從而極大地提高了建筑項目的效率和質(zhì)量，降低了錯誤和風險的頻率。

在智慧城市科技展館的運維管理中，BIM技術可以實時監(jiān)測展館內(nèi)各項設施的運行狀態(tài)，對潛在的問題進行預警和分析，從而提前采取措施避免故障的發(fā)生。同時，BIM技術還可以與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進技術相結(jié)合，實現(xiàn)展館內(nèi)各項數(shù)據(jù)的智能分析和優(yōu)化管理，提高運維效率和降低成本[1]。

1 基于BIM技術建立智慧城市科技展館建筑三維模型

在探討基于BIM技術構(gòu)建智慧城市科技展館建筑智能化系統(tǒng)運維的進程中，利用BIM技術能夠?qū)崟r捕捉并更新展館內(nèi)的三維地圖信息，用M（t）表示在時間t時的三維地圖信息，其中M是一個包含點、線、面等幾何元素及其屬性的復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。BIM技術則通過不斷更新這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素和屬性，反映展館內(nèi)空間布局和展項的變化[2]。因此，將這一過程通過式（1）進行表示。

M（t） = F［M（t-l），ΔC］ " " "（1）

式中：F為BIM更新函數(shù)；ΔC為更新變化量。

BIM技術的三維可視化特性為參觀路線的跨樓層規(guī)劃提供了直觀展示，游客可以一目了然地規(guī)劃自己的探索路徑。而結(jié)合AR技術及實景模型數(shù)字藏品庫，更是將導覽體驗推向了新的高度。在AR導航的引導下，游客不僅能輕松找到目的地，還能在途中觸發(fā)展品的AR展示及科普解說，實現(xiàn)導覽與學習的無縫融合，極大地提升了參觀的趣味性和教育意義。

基于BIM技術建立三維模型，這種全景導覽方式不僅提供了更高的自由度和交互性，還允許游客近距離觀察展品，獲取詳細的科普信息。更重要的是，虛擬展廳的數(shù)據(jù)與BIM技術運維系統(tǒng)緊密相連，實現(xiàn)了動態(tài)更新，確保游客始終能訪問到最新、最真實的展館狀態(tài)。此外，通過引入MR技術，線上虛擬科普體驗將更加生動，為科技館的科普教育開辟了新的天地。

2 集成科技展館建筑中智能化系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)

在智慧城市科技展館建筑三維模型中，運維數(shù)據(jù)被細分為3大類：基礎幾何信息、動態(tài)運行數(shù)據(jù)與用戶行為數(shù)據(jù)?；A幾何信息詳細記錄了展館的建筑結(jié)構(gòu)、展項布局及空間關系。動態(tài)運行數(shù)據(jù)實時反映了照明、空調(diào)、安防等系統(tǒng)的能耗、故障預警及性能參數(shù)。用戶行為數(shù)據(jù)則可用于分析參觀者的流動軌跡、停留時間、互動頻率等。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術，從遍布展館的各類傳感器、RFID標簽、視頻監(jiān)控攝像頭等多源渠道實時收集數(shù)據(jù)。采用分布式數(shù)據(jù)庫對海量數(shù)據(jù)進行高效存儲[3]。分布式存儲的優(yōu)勢在于能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，同時提供高可用性和容錯性。數(shù)據(jù)融合是將來自不同源的數(shù)據(jù)整合至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型中，以便進行后續(xù)分析。這一過程可以用式（2）表示。

" " " " " " " " " " " " （2）

式中：為從源收集的原始數(shù)據(jù)；為數(shù)據(jù)源集合；為轉(zhuǎn)換函數(shù)。

運用機器學習算法對融合后的數(shù)據(jù)進行深度挖掘，以識別智能化系統(tǒng)運維的特征。這些特征包括設備能耗和參觀者行為，式（3）為一個簡單的線性回歸模型示例，用于表述設備能耗特征。

" " " " "

（3）

式中：為第個特征值；為截距項；為線性回歸模型參數(shù)；為設備能耗特征總數(shù)。

使用聚類算法對參觀者行為特征表示，見式（4）。

（4）

式中：為第個簇的均值；為智能化系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)中簇總數(shù)。

通過上述智能化系統(tǒng)運維的特征，成功集成了科技展館建筑中智能化系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)。

3 預測科技展館建筑智能化系統(tǒng)故障

在科技展館建筑智能化系統(tǒng)運維中，BIM技術不僅僅是一個可視化的平臺，更是數(shù)據(jù)分析與運維決策的強大支撐。通過深度集成BIM信息管理平臺與智能化系統(tǒng)的運維數(shù)據(jù)，能夠以前所未有的精度和實時性，掌握展館內(nèi)各類智能設備的運行狀態(tài)。

為進一步提升運維效率，確保科技展館的持續(xù)穩(wěn)定運行，研究利用BIM技術構(gòu)建了一個基于機器學習的預測模型，該模型能夠精準預測潛在故障，為運維團隊提供前瞻性的維護指導。模型的具體表達見式（5）。

R（p，d，q） = φ（B）（l-B）dXt =θ（B）Zt" " " （5）

式中：p為自回歸階數(shù)；q為移動平均階數(shù)；d為差分次數(shù)；B為后移算子；φ為自回歸系數(shù)；θ為移動平均系數(shù)；Xt為智能化系統(tǒng)的故障預測值；Zt為白噪聲序列。此模型用于分析并預測系統(tǒng)性能隨時間的變化趨勢。

基于上述模型，運維團隊能夠?qū)崿F(xiàn)對科技展館建筑智能化系統(tǒng)性能的全面監(jiān)控與深入分析。通過持續(xù)收集并分析各智能設備的運行數(shù)據(jù)，模型能夠自動學習并識別出系統(tǒng)性能變化的模式與規(guī)律[4]。一旦檢測到異常數(shù)據(jù)或預測到潛在故障，模型將立即觸發(fā)預警機制，向運維團隊發(fā)送警報，并提供詳細的故障分析報告。

4 實現(xiàn)智慧城市科技展館建筑智能化系統(tǒng)運維管理

在智慧城市科技展館的建筑智能化系統(tǒng)運維管理中，預警機制是預防設備故障、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)高效運維管理，制定了3個管理步驟，即：動態(tài)預警閾值設定、多維度預警信息展示、多渠道預警信息傳遞。

4.1 動態(tài)預警閾值設定

基于大數(shù)據(jù)分析技術，持續(xù)跟蹤并學習科技展館內(nèi)各類智能設備的運行數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整并優(yōu)化預警參數(shù)。通過構(gòu)建的預測模型，能準確識別出設備性能的細微變化，并在BIM構(gòu)建過程中自動設置相應的預警閾值，見式（6）。

" " " "

（6）

式中 ：為設置的預警閾值；為出現(xiàn)預警閾值的頻率；為預警參數(shù)平均值。

一旦檢測到的性能指標值超出預設的閾值，即表明設備狀態(tài)已偏離正常運作范疇，系統(tǒng)將立即啟動預警機制，并依托智能化監(jiān)控網(wǎng)絡精準鎖定問題發(fā)生的具體位置，以便迅速采取應對措施。

4.2 多維度預警信息展示

隨著VR技術與AR技術的融入，BIM信息平臺不僅能夠以傳統(tǒng)的文字、圖表形式展示預警信息，還能通過三維模擬、沉浸式體驗等方式，為運維人員提供更為直觀、全面的設備狀態(tài)視圖。這種多維度的信息呈現(xiàn)方式，極大地提升了運維人員對設備異常情況的感知能力和判斷速度。

4.3 多渠道預警信息傳遞

借助物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術，構(gòu)建多渠道的預警信息傳遞系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)的短信、郵件、電話通知外，還引入了智能工單系統(tǒng)，自動將預警信息轉(zhuǎn)化為具體的維修任務，分配給相應的運維團隊或個人[5]。同時，通過集成即時通信工具，運維人員之間可以實現(xiàn)快速溝通與協(xié)作，確保預警響應的高效與準確。

5 試驗分析

5.1 試驗對象

某科技館展區(qū)更新改造裝飾裝修工程，總工期預計657 d。該科技館由地下一層、地面4層，附帶一個辦公樓組成，總建筑面積10.06萬 m2（其中，1#樓建筑面積89 856.90 m2，2#樓建筑10 808.77 m2）。本次更新改造內(nèi)容為對1#樓1～3層9個展廳的升級改造，涉及拆除、內(nèi)裝、展廳陳列布展工程、安裝及弱電智能化工程、與展品展項配套的水電安裝工程、專業(yè)燈光工程等多個專業(yè)工程施工作業(yè)。

為深化建筑智能化系統(tǒng)運維研究，試驗團隊利用先進的BIM技術，依據(jù)詳盡的三維設計數(shù)據(jù)，在Autodesk Navisworks平臺上精細構(gòu)建展館的每個細節(jié)，某科技館衛(wèi)星圖如圖1所示。

收集展館內(nèi)各智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括智能安防系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)等，如表1所示。

這些數(shù)據(jù)將作為BIM技術的重要數(shù)據(jù)信息輸入，以實現(xiàn)系統(tǒng)的全面集成和運維管理。

5.2 試驗準備

準備高性能計算機、服務器等硬件設備，配置必要的網(wǎng)絡設備，確保BIM的流暢運行和數(shù)據(jù)的快速處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和共享，設備參數(shù)如表2所示。

安裝建模軟件以及相關輔助軟件，并確保所有軟件版本兼容且功能完善。為深入探索BIM技術在提升智慧城市科技展館運維成本效益方面的潛力，項目部署了WebGL開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等輔助軟件。在構(gòu)建完成的三維模型中，模擬科技展館的真實運維場景，包括從日常的設備維護到緊急情況的快速響應。

為量化BIM技術帶來的運維成本優(yōu)化效果，設定一個為期12個月的試驗周期。在試驗周期內(nèi)，及時記錄每個月的運維成本數(shù)據(jù)，并將其與運用BIM技術前的歷史成本數(shù)據(jù)進行嚴格對比。試驗期間運維成本對比結(jié)果如圖2所示。

5.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)圖2可以看出，在設定的12個月試驗周期內(nèi)，運用BIM技術后的運維成本相較于未使用BIM技術前均有所降低，體現(xiàn)了BIM技術在優(yōu)化運維管理、提升效率方面的優(yōu)勢。具體而言，在未使用BIM技術前，平均每月的運維成本為145.83萬元，引入BIM技術后降低至132.50萬元，平均每月節(jié)約成本約13.33萬元，成本節(jié)約率高達9.14%。這不僅證明了BIM技術在成本控制上的有效性，也反映了其在提高運維決策精準度、減少資源浪費等方面的積極作用。

6 結(jié)語

BIM技術在智慧城市科技展館建筑智能化系統(tǒng)運維中的應用，不僅提升了運維管理的精細化與智能化水平，還實現(xiàn)了運維數(shù)據(jù)的深度挖掘與利用。

未來，隨著BIM技術的不斷成熟與拓展，在智慧城市建設中的應用將更加廣泛深入，為構(gòu)建更加高效、便捷、可持續(xù)的城市生活空間貢獻力量。

參考文獻

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[作者簡介]韓煜（1965—），男，上海人，本科，高級工程師，研究方向：建筑工程管理。