基于BIM 的機電設備應急管理系統總體設計

何 波 張家立 陳 強 鄧焯彬

(1.廣州優比建筑咨詢有限公司，廣州510630;2.廣州南方建筑設計研究院，廣州510640)

1 引言

我國既有的建筑面積已近達400億m2，根據國家統計局公布的數據，從2000年至2010年全國商業地產投資額以每年平均大約15%的速度增長，原有的商業地產企業增加商業地產投資，許多住宅地產企業開始逐步向商業地產轉型，金融、保險及央企進入商業地產投資領域，大量的商業企業也開始進軍商業地產的投資，房地產企業的投資組合中，持有型不動產所占比重越來越大。

隨著大型商業和公共建筑物的急劇增多(圖1)，這些大型建筑物機電設備的正常運作給運維管理帶來新的要求，因為機電設備故障是無法避免的事實，一旦發生機電設備出現問題，如何快速確定故障點，如何在最短時間內修復故障，如何在修復過程中把故障帶來的影響降到最低，如何對維護維修人員進行緊急情況下的模擬演練，當遇到緊急情況下能快速、安全地處理事故，是大型商業和公共建筑物機電設備應急管理需要解決的問題。

圖1 2013年全球竣工的最高的20座建筑(圖片來自CTBUH)

基于BIM技術的機電設備應急管理，有以下優勢:

1)BIM的可視化非常直觀，可極大地降低普通保養維修人員對于各類機電系統的理解的難道，幾乎可以不用查閱專業的圖紙就可以直觀判斷機電系統的位置和關系，降低物業管理的成本;

2)BIM的竣工模型可以做到比較接近現實，除了已經包含了設計、施工以及建設過程的變更等信息外，同時再補充和持續更新運維管理所需的信息，為今后物業持續的運維管理提供豐富的數據查詢和利用;

3)利用BIM的機電管線上下游關系，快速定位故障點的控制設備，極大地提高應急響應的速度，提供物業管理的質量和客戶滿意度。

2 實現方法分析

雖然基于BIM的機電設備應急管理系統有眾多的優勢，但由于BIM信息集成了三維可視化信息、屬性信息和設計、施工、運維等各類附屬信息，信息量巨大，模型可視化要求高，因此，選擇一個切實可行的技術路線非常關鍵。

較早看到具有一定影響力的BIM運維應用資料是澳大利亞Cooperative Research Centre for Construction Innovation(合作研究中心之建筑業創新研究計劃)在2007年發布的《Adopting BIM for facili-tiesmanagement－Solutions for managing the Sydney Opera House，BIM設施管理應用——悉尼歌劇院運維管理解決方案》[1]，其中主要的技術方案是“Bentley+Maximo”。

2013年出版的由Paul Teicholz編寫的《BIM for Facility Managers，設施經理 BIM 應用》[2]一書選錄了6個BIM運維管理應用的案例，主要技術路線是“BIM建模軟件+現有設施管理軟件”，前者包括Revit/Tekla/CADpipe/CADduct等，后者包括 FM:Systems/Maximo/ArchiBUS等，主要工作內容包括兩部分:首先是如何把BIM模型信息交換給運維管理軟件使用，其二是改造或提升現有運維管理軟件的BIM能力。

清華大學張建平教授團隊和中建三局一公司合作基于基礎圖形引擎開發了“基于BIM的機電設備智能管理系統”[3]并在深圳嘉里中心二期等項目(建筑面積10萬m2)中應用。上海建坤信息技術有限責任公司嘗試在原有IBMS系統上進行改造升級用于上海中心項目(建筑面積58萬m2)的運維管理[5]。

與BIM在設計和施工階段的應用比較，BIM運維的應用無論是項目數量和類型、技術應用深度和廣度、還是從事的團隊和人員數量都還存在相當大的差距，因此其成熟度也自然遠遠不如設計和施工階段的BIM應用。從上述為數不多的案例可以發現，不同的團隊正在嘗試不同的方法進行BIM運維管理方面的探索。那么，基于BIM的運維管理目前都有哪些可能的實現方法呢?下面是作者根據個人理解梳理的BIM運維管理實現方法圖(圖2)(數據庫等已經普遍使用的實現方法不在本文討論范圍)。

首先可以把基于BIM的運維管理技術實現方法劃分為兩大類，第一大類是利用或改造升級現有運維管理軟件，把BIM模型數據轉換給運維系統使用，減少運維系統數據準備的工作量以及由此帶來的可能錯誤;第二大類是重新開發基于 BIM的運維管理軟件。

圖2 BIM運維管理實現方法圖

現有運維管理軟件分為國外軟件和國內軟件兩類，根據美國 Software Advice(http://www.softwareadvice.com)[6]的資料，目前國外各類有實際市場應用的 CAFM(包括 CMMS，BAS，EAM，DMS等)軟件有200種左右，其中ArchiBus和Maximo在國內的知名度相對高一些，但實際用戶數量都不大;國內運維管理方面的軟件基本上也可以分為兩個類型，一類是以OA或ERP為核心功能的，另外一類是以BMS為核心功能的，這兩類軟件占據著國內運維管理軟件市場的主體，但廠商和產品數量相當龐雜，市場集中度不高。

重新開發基于BIM的運維管理軟件的方法也可以分為兩種類型，其一是基于基礎圖形引擎如OpenGL進行開發，其二是在成熟的專業應用引擎上進行開發，目前比較普遍的有仿真引擎、游戲引擎和BIM引擎等。

表1 基于BIM 的運維管理軟件實現方法分析

既然BIM運維管理有這么多不同的實現方法可以選擇，那么大家自然想知道具體實施的時候到底應該使用哪種方法呢?這個問題沒有標準答案，與項目特點、運維需求、軟硬件和人員現狀、計劃投入以及未來目標等都有關系，需要根據實際情況進行分析和決策。作者對影響上述實現方法選擇的有關指標進行了一個基于我們理解的列表(表1)。

上述BIM運維管理實現方法的分類和不同實現方法有關指標的分值只是我們對這一領域現狀的理解和分析，其系統性、全面性、準確性等都有待更多的讀者、專家和同行補充、完善和更正。

3 系統總體設計

基于上述分析、研究和測試評估，在目前的軟硬件條件下，我們選擇了Autodesk NavisWorks作為運維管理范疇中的建筑機電設備應急管理系統的BIM平臺，后臺數據庫采用Microsoft SQL Sever，利用Microsoft.NETFramework進行開發，架構圖如圖3。

圖3 系統架構圖

Autodesk NavisWorks對于三維模型整合以及可視化技術積累20余年，具有行業領先的模型優化展示技術，在普通的PC機上即可實現超大規模模型的漫游瀏覽，該產品早年主要應用于大型復雜的石油、化工、發電廠等三維管道工廠項目(圖4)，2007年被Autodesk公司收購后，應用領域進一步擴展，是目前應用比較普遍的建筑工程、基礎設施、石油化工等大型BIM模型整合(支持超過50種的三維模型格式)和漫游瀏覽平臺。我們基于專業應用引擎NavisWorks開發了“基于BIM的機電設備管線應急管理系統”，并在武漢國際博覽中心展館(建筑面積45萬m2，該項目為華中科技大學BIM工程中心和廣州優比建筑咨詢有限公司聯合服務項目)中應用。

圖4 化工廠NavisW orks模型

該系統主要實現如下功能:

1)展館虛擬漫游(圖5)

圖5 系統虛擬漫游界面

可以在三維場景中實時漫游，方向角度完全自由掌握，這種仿真漫游能讓操作者置身其中，更直觀更方便地觀察相應設施。

2)機電設備信息、相關文檔資料查詢(圖6)

圖6 選中的設備其關聯信息、資料文檔查詢

選擇任意的對象構件，可查看其相關文檔信息，如驗收報告、產品規格書、維護手冊等，極大提高信息查詢的效率。

3)利用二維碼實現設備與模型定位(圖7)

圖7 利用二維碼實現設備與模型定位

利用手持設備掃描粘貼在機電設備上的二維碼，快速定位到相對的BIM模型。

4)故障設備的上游控制設備定位(圖8)

圖8 (a)故障設備

圖8 (b)上游控制閥門

一旦選中故障設備，系統自動顯示上游的控制設備所在的位置，以及該設備控制的區域，為維修提供決策依據和幫助。

5)維護保養記錄和查詢(圖9)

圖9 維保記錄查詢

輔助記錄維護保養的時間、設備狀態等維護保養相關信息，自動提醒下次維護保養的時間，統計按時進行、未進行維護保養等信息。

通過實際項目測試，對于建筑面積45萬多m2，BIM總構件對象44萬個，其中機電對象23萬個這樣的項目，在以下軟硬件配置下實現了良好的運行性能:

1)操作系統:Windows 7 64bit;

2)CPU:Intel Core 2 Quad 2.8GHz或AMD Athlon X4 955或更高;

3)內存:8GB;

4)硬盤:12GB可用空間;

5)顯卡:Nvidia 260GTX 896MB或ATI 5770 1GB或更高;

6)雙屏顯示:1920 X 1080 VGA顯示器。

機電設備應急管理系統還有一個關鍵技術是快速搜索機電設備上下游關系，以便能迅速定位控制故障設備的上游控制設備。通常BIM建模軟件具備構件對象的連接關系信息，但管道內流體的走向，也就是上下游的關系，就要視軟件的功能和建模者是否有定義，因為有些BIM的應用例如機電管線綜合主要是解決機電管線排布問題，為此應用建立的模型就未必帶有上下游的關系信息，有些BIM建模軟件還不具備這一功能。所以我們在該系統中還設計了機電設備管線上下游管線重建的功能，在BIM模型轉換到該系統時可以再重建(圖10)。

圖10 機電設備上下游關系

基于BIM的機電設備應急管理系統目前還都處于探索階段，需要解決的核心問題是超大BIM模型的實時漫游、機電設備快速檢索、定位，上下游設備管線等。有關基于BIM的機電設備應急管理系統的關鍵技術和軟件實現方法將在《基于BIM的機電設備應急管理系統關鍵技術和軟件實現方法》一文中敘述。

[1] Cooperative Research Centre for Construction Innovation，Adopting BIM for facilities management Solutions for managing the Sydney Opera House，2007.

[2] Paul Teicholz，BIM for Facility Managers，2013.

[3]胡振中，陳祥祥，王亮 等，《基于BIM的機電設備智能管理系統》[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(1):22-26.

[4]廣州優比建筑咨詢有限公司，《優比BIM建設項目設備管線應急維護管理系統》，軟件著作權申請資料，2011.

[5]葛清等，《BIM第一維度——項目不同階段的BIM應用》，中國建筑工業出版社，2013

[6] http://www.softwareadvice.com.

[7]何波，《大型項目BIM模型組織方法與實踐》[J].土木建筑工程信息技術，2012，4(4):7-14.

[8] 何關培談 BIM 博客，http://blog.sina.com.cn/heguanpei，2009-2014