BIM技術在建筑智能化系統運維中的應用研究

文/范楷 廣西北部灣投資集團有限公司 廣西南寧 530000

韋勛 廣西醫大開元埌東醫院有限責任公司 廣西南寧 530000

1、引言

在建筑智能化領域，傳統的運維平臺界面基于二維圖表結構，管理者很難直接去理解數據后面的深度信息，特別在故障出現后，通過圖表并不能直觀的反應整個故障位置和系統的結構。現在BIM技術的出現，讓三維可視成為了可能，結合現代的信息化技術，建立基于BIM的智能化系統運維平臺，把三維模型和二維圖表數據相結合，通過數據關聯分析，呈現的信息更加直觀、具體和全面，對于管理者來說能更好的把控整個運維過程。

2、BIM技術

BIM(Building Information Modeling)技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過對建筑的數據化、信息化模型整合，在項目規劃、設計、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞[4]，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息，還包含了非構件對象(如空間、運動行為)的狀態信息。借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項目的相關利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺[2]。

本文采用Autodesk公司的Revit系列軟件作為BIM的建模工具，對基礎的建筑結構和智能化系統點位分布、設備形狀尺寸及管路管線走向，進行BIM建模還原。若實施項目建筑，已具備完整的竣工BIM模型（涵蓋全專業），則根據應用范圍，通過Revit軟件對智能化相關的模型進行剝離，形成智能化獨立的BIM模型[5]。

3、模型輕量化

BIM原始模型都是重模型，應用程序都基于桌面客戶端，需要很高的計算機配置，上行和下行的流通使用都受到很大的約束。隨著網絡技術和計算機技術的發展，而基于Web的輕模型，將更能滿足具體應用的需求。然而由于受Web端計算能力和內存限制等方面的影響，原始模型的數據組織方式須做出相應調整，需要通過三維模型輕量化技術對模型進行處理。

模型輕量化技術主要包括兩個方面：模型輕量化顯示和模型文件轉換[3]。

基于WebGL標準進行模型輕量化顯示。WebGL技術為瀏覽器提供硬件圖形加速渲染，借助系統顯卡可以在瀏覽器里更流暢地展示3D場景和模型。使用WebGL技術做BIM模型的輕量化，需要對原始BIM模型進行解析，并在瀏覽器端或移動端對BIM模型進行重新繪制渲染。本文利用WebGL技術的三維GPU渲染原理，通過WebGL開發實現BIM模型在Web端的輕量化重建和渲染。

原始BIM模型大多數采用單文件或幾個文件來存儲模型信息，比如幾何信息、材質信息、紋理貼圖及屬性，不利于網絡端傳輸，需進行模型文件的轉換。一方面，大的文件傳輸時間過長，另一方面，需等待模型下載完成后才能解析顯示。因此要重新定義適合網絡傳輸的大模型文件的組織方式，把原始的模型文件轉換為適合網絡傳輸和輕量化的文件格式。首先構建模型流，模型流的方式，無需等待模型下載完即可實時看到已經下載的部分，因此通過定義模型流的排序，對重要結構或構建先下載先顯示，其他細節部分后顯示，并且不影響其他操作。二是，在模型轉換時，把具有相同形狀的幾何對象進行唯一性表達，即用相同的幾何描述不同的構件，可大規模減少幾何體的數量，減少模型的大小，也能減少顯示時GPU的占用。最后通過gz壓縮算法針對對json和幾何數據進行數據壓縮，減少網絡傳輸時間。

本文采用原生的WebGL協議方式實現3D能力封裝，經過模型輕量化后，原始的BIM將轉化為一個Web端可快速瀏覽和交互的輕量化應用模型，并且模型塊底層數據已封裝成JS腳本函數和參數設置，并提供功能豐富的API接口，實現模型各種功能應用。

對模型的變動（例如設備的增減），若是已有模型塊的增減，只需要對相關的基礎代碼段進行復制和定位；而對新增的模型塊，則需要在BIM原型中進行新增建模，再完成一次模型輕量化，得到新的應用模型和相關聯的基礎代碼。

4、數據轉換和界面開發

建筑智能化系統是一個多系統多協議多數據格式的系統，在數據與應用界面進行交互時，底層各智能化系統的數據（狀態數據、命令數據、故障數據等）需經過數據轉換，轉化為上層模型相匹配的數據格式，才能在應用模型中進行加載。同樣在上層應用的數據，通過數據轉換，才能與底層各子系統進行交互。本文通過數據轉換中間件，對不同來源格式和特性的數據的轉換與包裝，保證數據按要求裝入目標數據庫，為高層訪問提供統一的服務，實現各子系統不同數據源的共享[1]。數據轉換結構如圖1所示。

圖1 數據轉換

在應用模型的基礎上，根據建筑智能化項目的展示和交互需求的不同，調用API接口實現底層數據的關聯和交互，進行整體界面的二次開發，完成數據的展示和界面的交互。一是，分系統分模塊分類優化菜單的功能，使得操作者能迅速定位到目標系統、結構和設備（模型塊）；二是，在三維模型的基礎上以彈框的形式出現，形成二維和三維結合的信息傳遞方式，即清楚認知了系統或設備結構位置又同時獲得運行狀態數據；三是，具有故障運維模式，模式中對所有故障進行分級分系統管理，對運維狀態進行實時跟蹤，方便管理者安排工單和制定運維策略。

5、運行效果及性能分析

本文搭建的測試運行的環境為：處理器Intel Corei7 3.0 GHZ 四核，內存16GB，硬盤512G SSD，顯卡設備GTX1080（8G），分辨率1920×1080P。目前基于BIM輕量化后開發的Web端的建筑智能化運維平臺，運行的效果及性能如下：在加載在10000個3D模型塊的規模下，模型加載時間在5s內，運行幀率可達到35幀以上，動態數據的刷新時間在2s以內，下層設備聯動時間在2s以內。可根據項目模型體量的大小，配置不同性能的運行環境設備，可以滿足項目的運行速度要求。

結論：

本文中探討了利用BIM來建立建筑智能化系統運維平臺的方法。首先，通過Revit建模軟件來構建智能化系統的BIM，還原整個智能化系統結構；然后通過模型文件的轉換和基于WebGL標準模型輕量化顯示，對BIM的原生模型進行輕量化處理，得到一個Web端可流暢運行的應用模型；最后通過數據轉換對底層數據進行集成，以及交互界面的二次開發，構建基于應用模型的運維平臺。與傳統的二維平臺相比，基于BIM應用模型的智能化系統運維平臺對于管理者來說，獲取設備管路結構、故障位置等有用信息更為直接，有助于讓整個智能化運維系統運行的得更為高效。