基于BIM的建筑運維技術與應用綜述

(1.中國人民解放軍陸軍工程大學國防工程學院，南京 210007； 2.91126部隊營房科，大連 116041； 3.32125部隊，濟南 250100)

目前，傳統的基于圖紙和二維平臺的管理具有交付時易丟失信息、管理效率低、可視化程度低等缺點，在實際應用中不僅浪費時間，而且還易出現錯誤。如何改變傳統運維模式，尋求更加高效的運維管理方式已經得到了越來越多研究人員的重視。通過實踐已證明使用BIM技術，可以使整個工程項目在設計、施工和運維階段都能有效的實現節省能源、節約成本、降低污染和提高效率的目的，提高建筑管理的集成化程度[31]。BIM技術已從建筑設計、施工階段向運維階段滲透應用[1]。

雖然國內外都曾有關于BIM運維管理應用的綜述文章，國內的胡振中[2]等也對BIM在運維管理中的應用做了較為完備的總結，但缺少對應用的具體功能和技術問題的討論，對運維平臺的一些核心構造技術總結還不夠完善。與上述綜述文獻不同，本文總結了BIM與運維管理相結合的優勢，分析了BIM用于運維管理的技術難點，并結合既有的研究成果，對BIM在運維管理中的應用進行了總結分析，文章最后對將來的研究方向進行了展望。

1 BIM在運維中應用的優勢

將BIM技術應用于運維管理中，可以實現信息的集成共享和設備的可視化管理[3]。BIM的3D可視化模型可以實現建筑部件的精確幾何表示和建筑構件的定位，形成易于修改的可視化組件，從而實現對空間的有效管理； 可以快速生成運維管理數據庫，實現更快更有效的信息共享，節約時間和成本； 能夠將模型用于建筑性能的模擬和調試，預測能耗績效和計算生命周期的成本； 可以將模型數據用于仿真工具，并將構建的信息用于建筑模型的優化與改造； 還具備一些新型應用，比如有助于規劃路線，用于維修人員的路徑優化或者智能緊急撤離[24]。

圖1 各種管理方式比較

如圖1所示，與基于傳統紙質圖紙的人工化管理方式相比，基于BIM的全局綜合管理方式不僅提高了設計、施工和運維階段的效率，而且降低了各階段信息交付時的損失。BIM的3D模型可以包含更多的模型信息，幫助施工和管理人員更加透徹的理解建筑設計。與基于二維平臺的半自動化管理方式相比，基于BIM的全局綜合管理方式降低了從設計階段到運維管理階段模型轉換所需要的時間，其3D可視化的管理方式提高了運維管理的效率[22]。

在BIM與運維管理融合的優點中，準確的空間管理、高效的數據庫源以及使用BIM數據進行預防性維護是最重要的原因[24]。

2 基于BIM的建筑運維管理核心技術問題分析

基于BIM的運維管理是一種新型的三維管理方式，在以BIM為重要載體實現信息整合與展示的基礎上，能夠實現建筑信息的直觀可視化顯示和對設備運行的可視化控制，并有效提高運維管理效率和智能化管理水平。

我們將基于BIM的建筑運維管理核心技術歸納為三個方面：1)面向運維管理的BIM模型； 2)信息物理系統融合集成技術； 3)平臺開發方法。

2.1 面向運維管理的BIM模型

模型是構建運維管理系統的基礎，如何構建模型、模型應該滿足什么要求、如何自定義擴展模型，都是需要實際考慮的問題。構建系統時，對缺少的模型需要進行自定義和擴展，而目前對BIM模型的擴展主要有三種方式[4]：基于IFC Proxy實體的擴展、基于增加實體類型的擴展、基于屬性集的擴展。

基于IFC Proxy實體的擴展方式是利用IFC Proxy實體對原模型體系中未定義的信息進行擴展。周亮[5]等將輸變電工程中的GIS 設備根據IFC標準擴展為電氣設備模型，可用于實現有效的信息交換和共享。Yu K[6]等介紹了設備管理類和計算機集成設施管理系統開發的框架。

基于實體類型的擴展方式是對模型本身定義的擴充和更新。余芳強[7]等整理了自IFC2x發布以來，各版本IFC標準升級時核心模塊的變化與發展。Building SMART[8]對IFC標準做了新的擴展，制定了新的IFC4標準。

基于屬性集的擴展方式是對具有信息描述功能屬性的擴展。劉照球[9]等分別從幾何信息模型、荷載信息模型、分析信息模型三個方面對IFC標準的結構產品模型的缺失信息進行了擴展，完善了IFC標準的結構信息模型基本框架。Rio J[10]等探討了當前IFC模型的局限性，在傳感器通用屬性集對的基礎上，提出了對各傳感器的特殊屬性集進行擴展的方法。

2.2 虛擬BIM模型與建筑物理系統融合集成技術

目前主流的BIM技術只支持對幾何數據、空間位置和關系等靜態信息進行描述，已經不能滿足日益復雜的運維管理需求，如何實現BIM的靜態信息模型與建筑實體模型之間的動態交互成為亟待解決的問題。

信息物理融合系統CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C(Computation、Communication、Control)技術的有機融合與深度協作，可實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務[11]。它將數字圖形作為連接物理和幾何屬性的介質，實現了“數據附著于圖形，圖形蘊含數據”[12]，能夠把原來建筑中獨立運行并現場操作的各設備，結合RFID等技術匯總到統一的管理平臺上，在監視設備的實時運行狀態的同時，可以進行遠程管控。

2.3 平臺開發方法

運維平臺的構建需要解決模型數據雙向傳遞、三維模型的顯示以及數據綁定等問題[13]。其中，平臺的三維模型可視化功能需要將信息完整的轉換為三維模型，并且對各構件的位置和關系信息實現可視化顯示。目前，模型顯示主要通過Auto CAD、Open GL、Direct3D等軟件。

采用移動手持終端是平臺信息交互的有效方式，目前已經在BIM施工階段得到了應用，如廣州地鐵施工中使用的“派工單”，將施工信息通過手機APP等設備下發給工人，同時將施工進度反饋到系統中。運維階段主要是應用于設備巡檢中的漫游，對設備掃描顯示設備的基本信息[14]，以及設備報修等方面[15]。

2.4 總結分析

1975年，“BIM之父”，喬治亞理工學院的Chuck Eastman教授提出了BIM的概念，從那時起，BIM這一命題就對建筑業產生了巨大的影響。本文分析了構建基于BIM的運維管理系統需要解決的核心技術問題，總結了已有的研究成果。如圖2所示，現有的研究主要集中在基于BIM的運維平臺構建以及BIM模型的擴展上，對于如何實現BIM靜態信息模型與建筑設備之間的動態信息交互這一問題研究甚少。

圖2 核心技術研究熱度

表1 功能和應用

名稱技術分析應用作者空間管理對空間和空間中的人員設備進行的管理。包括人員管理,空間規劃分配,設備位置管理。(1)城市軌道交通建設(2)曼徹斯特市政廳大樓[3][16][17][27][31]信息管理對建筑所有信息以及運營產生的所有新信息的管理。包括資產管理和設備信息管理。(1)用于資產管理的BIM系統(2)醫院綜合維修監控(3)知識管理(4)電子文件管理系統(EDMS)[18][28]設備監管對建筑中設備運行的監測和運行狀態的控制調整。包括設備信息監管和設備實時控制。(1)BIM應用于設備運行狀態監管(2)應用于設備實時控制[9]安全管理對建筑中的安全問題排查和緊急事故的反饋管理。包括安保管理、火災消防管理和隱蔽工程管理。(1)樓宇自動化系統(BAS)[19][23]能耗管理對建筑的能耗進行顯示、分析、遠程控制,以達到節能目的的管理。(1)悉尼歌劇院(2)能源管理系統(EMS)(3)能源分析和可持續性[20][21][28][29]引導管理根據實時信息,對變更時的人員、操作、設備流量進行管理,以避免操作沖突。(1)南加州大學建設項目(2)澤維爾大學的建筑工程[31]協助管理功能對建筑的其他功能需求提供建筑物的空間、構造、數量信息的管理。(1)自動化成本估算(2)計算機維護管理系統(CMMS)[30]

3 BIM在建筑運維管理中的應用功能分析

3.1 應用功能分類與定義

BIM技術所具有的可視化和協調能力，可以將數據與3D模型相結合，不僅可以有效促進信息的交互操作，還能夠提高建筑信息與運維系統的集成與兼容性。我們根據運維管理系統的功能將其劃分為7類，其分類及功能與應用如表1所示。

3.2 應用現狀

基于BIM的可視化空間管理，可以對人員和空間實現系統化、信息化的管理。人員位置管理能夠對建筑物中人員位置的變動進行實時監控。校園運維系統[16]模塊可以通過視頻監控實現對校園巡邏人員的位置跟蹤，將信息實時顯示在平臺上。空間規劃分配[3]是對建筑中各功能模塊、商戶位置等的最優布局。設備位置管理能夠實現對建筑物中電梯、車輛等移動設備的位置監控[17]。

信息管理主要包括資產管理和設備信息管理。通過在RFID的資產標簽芯片中注入信息，結合三維虛擬BIM技術可以實現對建筑資產精確定位、快速查閱。設備信息管理是對設備的檢修與清潔周期、廢物處理與回收利用等信息的管理。軌道交通設備維修系統，改變了傳統需要人工查看故障點，手動將信息錄入數據庫的報修方式。設計的報修平臺分為巡檢人員手持式移動設備報修和平臺實時監控報修[18]兩種方式，提高了效率，減少了中間環節的錯誤。

設備監管包括設備信息監管和設備實時控制。設備信息監管能夠實現對設備運行狀態的監測，確保設備故障狀態及時被發現。基于BIM技術的管理系統集成了對設備的搜素、查閱以及定位功能。基于BIM與AR等人機交互技術相結合的運維管理系統，可以在BIM模型上直觀顯示設備是否正常運行，并且通過BIM運維平臺可對設備進行直觀化的實時控制。

安保管理是對系統中一切人、物和環境狀態的管理和控制，主要應用在軍事基地、重要設備機房、銀行、校園、主干道路等對監測要求比較高的場所。例如：基于BIM技術的火災消防管理系統有效地提高了運維效率，保證了所有消防設備的正常運行[23]； 基于BIM技術的運維系統可以將原本主要由人工管理的隱蔽工程以三維可視化的形式直觀的表示出來，將各種管線顯示在三維模型中，通過點選模型可以實現對管線信息的查詢。

能耗管理是對建筑物的智能化節能管理。電量監測系統通過安裝具有傳感功能的電表，可在管理系統中收集用電信息，并對能耗情況進行自動統計分析，從而及時發現異常。水量監測系統通過對水表的監測，可以在BIM運維平臺上清楚顯示建筑內水網位置信息，對水平衡進行有效判斷[20-21]。總的來看，建筑能耗管理系統是將BIM與物聯網、傳感器、控制器等技術相融合，對建筑用能進行監測和分析，并且可以控制用能設備的運行，降低了傳統運營管理下由于建筑物能耗大引起的成本增加。

3.3 總結

通過查閱并歸納各方面的文獻資料可以看出，目前BIM技術在建筑工程運維管理中的應用主要是在設備監管方面(如圖3所示)，設備的有效管理可以給建筑業主帶來了效益的優化。而如何在傳統優勢領域繼續優化并在新興領域擴展BIM的應用范圍，是我們接下來的研究方向。

圖3 應用比例

4 基于BIM的運維技術瓶頸分析

BIM技術為運維管理提供了新的協作方法，但是也產生了一些問題。在建筑運維管理需求不斷提高的情況下，如何實現更深層次信息的獲取、交互以及可視化呈現等問題，是在未來需要關注的核心方面。

(1)運維平臺信息處理與大數據分析

BIM可視化監測平臺產生了關于建筑和設備運行的大量數據，因而對搭載平臺的計算機提出了大容量存儲、快速處理、精確分析的要求。云計算是能提供動態資源池、虛擬化和高可用性的計算平臺，憑借其所擁有的計算和存儲能力，有望在未來實現BIM運維平臺的移動終端配置，此時，用戶便可以通過移動終端直接從云平臺調取所需的數據。

(2)平臺與物理系統之間動態實時交互的問題

現有的運維平臺功能主要是對建筑和設備的監測，是信息的單向傳遞，是一種無法與物理世界交互的“聾啞模型”，缺少控制方面的應用。如何實現系統的監測與控制一體化，實現信息的動態實時交互，是目前研究的難點[5,12]。目前，將AR，AV，VR，MR，GIS等技術與BIM進行融合，并成功應用于施工現場，實現了將BIM技術的信息數據與現場實際環境進行實時交互的需要。將AR等技術用于運維階段，可以充分實現BIM信息的價值，實現信息的直觀化、可視化[37]。

(3)缺乏實用可靠的運維管理平臺

現有運維平臺功能單一，一般只是針對單一功能，無法形成統一的協同合作系統，并且大部分平臺只能用于建筑物的漫游和簡單的信息查看，不能做到對設備的實時監控，而自主研發平臺難度大，研發周期長，資金成本高，并且應用度較低[26]。未來對于運維管理平臺的不斷開發，將使其逐步形成一個整體的建筑協同平臺，由本來只針對單一運維領域向功能完善的運維管理系統發展。

(4)基于BIM運維平臺與現有系統的角色定位問題

傳統的運維管理系統(如BA)已經較為成熟，并且應用廣泛。而人們對新技術仍然有接受障礙，缺乏現實案例與投資回報的正面證明，新技術的實行需要對基礎設施進行投資，比如人員培訓和新的軟件工具開發，投資回報周期較長。隨著BIM系統不斷完善發展，將在未來實現科研與實際工程項目相結合，在實踐中達到檢驗軟件功能、培養人才并優化施工運維技術的目的。

(5)設計階段與運維管理階段的矛盾

現有的BIM沖突檢測軟件，只能驗證運維系統和設備之間在結構布局上的物理沖突，在運維階段的設備實際安裝運行與碰撞檢查之間還存在問題。例如，可能在碰撞檢查和實際安裝時沒有問題，但是由于設備之間出現運維信息相互干擾，導致某些信息在維護階段不可訪問，從而影響維護人員的檢查和判斷。設計階段和運維階段的矛盾將導致信息不匹配和成本的增加，未來運維階段將更加考慮人的需求和兩者之間的協調。

(6)目前，BIM技術僅用于單個建筑物的管理

隨著人類社會的不斷發展和城市建設的日益復雜，智慧城市的信息管理模式也開始受到關注。城市信息模型(CIA)[32]是城市空間的延伸，是一個綜合的城市應用系統，而不是簡單的城市元素系統的二維數字元素和三維模型的集合[25]，CIA面臨的挑戰比孤立建筑的外部環境要求更為復雜。BIM技術作為未來發展方向，為未來整體化的城市建設與管理奠定了基礎。

5 結論

隨著智能建筑的發展，人們逐漸認識到運維管理的重要性，開始探求更加高效的管理方式。BIM作為一種備受關注的模型管理方法，不僅可以建立三維幾何模型，還可以提供與建筑物相關的各種建筑構件和系統信息。使用BIM作為建筑項目信息的中央存儲庫，徹底改變了傳統的建筑運維管理方式。未來我國BIM技術的發展，不僅要重視運維平臺的開發，還應該完善BIM技術標準，不斷探索有效的應用模式，逐漸實現以人為本、人機交互和信息共享的智能化運維管理。