基于BIM的教育基礎設施運維管理信息系統研究

梁程光

摘要：隨著建筑業由增量時代步入存量時代，基于我國越來越多房屋面臨維修的背景下，本文提出建立基于BIM的房屋維修管理信息系統的必要性與可行性，然后分析了維修管理的業務流程和系統的功能需求，建立并開發出基于BIM的房屋維修管理信息系統。最后結合某學校教學樓的模型，有效實現基于BIM的房屋維修管理信息系統，挖掘BIM對房屋維修管理的價值。

Abstract： With the construction industry entering the stock age from the incremental era and based on the fact that more and more houses in China are facing repairs， this paper proposes the necessity and feasibility of establishing a house maintenance and management information system based on BIM. Then， business processes and system functional requirements of maintenance management are analyzed and a BIM-based housing maintenance management information system is established and developed. Finally， combining with the model of a school teaching building， the system of house maintenance management information based on BIM is effectively realized， and the value of BIM on house maintenance management is tapped.

關鍵詞：BIM；維修；管理信息系統；功能需求

Key words： BIM；maintenance；management information system；functional requirements

中圖分類號：TU17；TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0048-04

0 引言

由國家統計局數據顯示，2016年教育固定資產投資（不含農戶）為9323.67億元，比上年增長21%。隨著國家對教育基礎設施建設的重視，大量的人力、物力都被投入到教育基礎設施的建設中來，目前在教育基礎設施領域正存在著“重建設，輕管理”的問題。這里的“建設”指的是基礎設施項目的規劃、設計、施工階段，而“管理”則指的是基礎設施項目的運維管理階段。一般基礎設施項目的規劃、設計、施工等階段僅占短短幾年時間，但其運維管理階段是整個項目生命周期內占用時間最長的階段，也是管理成本最高的階段，理所應當受到政府的重視。

隨著國家在教育基礎設施建設中的投入力度不斷加大，以下問題在教育基礎設施管理過程中逐漸凸顯：①在現行的管理體制下，教育基礎設施仍多為政府自建自管，由于其管理模式落后，使得很多基礎設施無法物盡其用，造成極大資源浪費。②設施運維信息的真實性難以得到保證。[1]在大體量建筑中，當一線人員執行設備的巡檢等日常任務時，運維管理人員很難及時掌握一線人員的實時工作狀態；同時，目前以紙質形式為主運維信息易被安全責任人篡改，其真實性大打折扣。③二維圖紙具有局限性，管理人員難以實現精細化管理。[2]在傳統運維階段中，各類信息大部分還是以竣工圖紙和文字和的形式來展現，不能直觀地表達各設備之間的空間關系，只有具備相關專業知識的人才能看得懂，對管理人員的專業能力有較高的要求。

1 研究方法

本文用到的研究方法為文獻查閱發和用于計算機系統開發的結構化生命周期法。

1.1 文獻查閱法

文獻查閱法，即是通過收集國內外與公共基礎設施管理和BIM技術應用于運維階段的相關文獻，并加以總結，找到適合本文的研究路徑。

1.1.1 國外研究現狀

國外學者們利用BIM技術在運維階段應用于設施管理的研究已經相當成熟。現有研究主要分為兩個方面：一是探討BIM技術在運維階段對建筑設施管理的價值，二是如何將BIM技術應用于運維階段的建筑設施管理。

①BIM技術給建筑設施運維管理帶來的價值。JiB（2014）等[3]認為目前運維管理中存在兩大問題——“信息流”和“信息孤島”。BIM技術具有數據存儲和可視化的特點，能夠使結構、建筑和設備等多個專業的圖紙同時在一個三維物體上展現出來，從而讓各個專業的設計人員更好地分工合作，從而解決上述兩個問題。Mohamad Kassem（2015）等[4]研究表明，BIM技術能夠給建筑業傳統運維管理帶來的提升在于：二維和三維設計工作方式切換的轉變、運維管理精度的提升、工程質量和監管效率的提升等。Liao C Y（2012）等[5]認為，運維管理階段是綠色建筑整個生命周期中耗時最長、信息量和工作量最大的階段，而BIM不但可以提高建筑的工程質量、節約資源，還可以對建筑進行實時監管和進行能耗分析，對如水管爆裂、火災等突發事件能進行預警。

②如何將BIM技術應用于運維階段的建筑設施管理。Ahn D（2014）等[6]指出建筑的運維信息應該從項目決策階段和實施階段就開始收集，且收集到的信息必須整合到建筑的BIM模型中，才能為業主提供高效的設施運維管理，這些信息應包括：材料信息、設備信息、廠家信息及設施的維護歷史記錄等。Wang S H（2015）等[7]基于BIM技術開發了一個建筑運維管理平臺，包括逃生疏散模擬、應急路線規劃、安全管理和設施設備管理等四個子系統，該平臺能對建筑進行可視化，展示建筑的運維信息，并且能評估建筑的消防安全能力。Kevin Yu 等[8]開發了基于 IFC格式的設施管理系統，要實現以集成 BIM 為載體的設施管理系統，必須通過大量的底層技術開發來做支持，尤其是通過建立國際通用的標準格式文件，規范數據模型，來使得計算機軟件之間的信息無損傳遞共享。從系統實現的方法、實現目標以及現實實施難度的問題等幾個方面切入，介紹該系統的基本框架。Becerik-Gerber B等[9]研究將BIM 技術作為設施管理的補充部分，利用其強大的可視化和集成化的平臺。幫助人們普及 BIM 在設施管理中的潛力。Godagcr. B[10]在BIM 的應用被主要集中在新建建筑項目的情況下，研究了將 BIM 技術應用于已有的建筑物的設施管理中，該研究的主要目標是將 BIM 技術與既有建筑相結合，實現包括日常運營、消防安全和設備管理等在內的運維管理以及其他方面的管理。

1.1.2 國內研究現狀

國內學者對將BIM技術應用于運維階段的設施管理也有相應的研究，其主要研究分為兩方面：一方面是探討BIM技術應用于設施運維管理的思路，另一方面則是BIM技術在設施運維管理中的實際應用。

①BIM技術應用于設施運維管理的思路。汪再軍（2013）[11]認為，資產管理、公共安全管理、空間管理、能耗管理和維護管理是研究建筑運維管理須關注的重點內容。紀博雅、戚振強、金占勇（2014）[12]認為建筑運維階段的管理內容包括物業管理、設備維護和經營管理等方面的內容。佟曾、王代兵（2014）等人[13]基于設施運維、空間管理和應急模擬的視角，分析了在商業地產中運用BIM 技術能夠帶來的價值。鞠明明，李少偉（2015）等[14]提出了在空間管理、設備管理、應急模擬和能耗分析等方面應用BIM、GIS和MIS等集成技術的想法。王廷魁和張睿奕[15]提出了BIM 的建筑設備可視化管理模式能夠提高設備管理的信息化程度，進而提高工作效率，降低設備管理難度。

②BIM技術在設施運維管理中的實際應用。余雯婷和李希勝[16]研究了應用BIM技術提取建筑設施管理的信息和工作模式。他們通過將BIM技術和數據庫技術結合，實現了在Web端的運維管理系統也能支持對建筑信息的查詢、修改和分析等操作，并開展了一系列的系統開發實踐，取得了較好的結果。胡北（2016）[17]研究了IoT與BIM技術在隱蔽工程維護、安全管理、能耗分析和設備監測等方面的應用。張智云，陳明元，高磊（2015）[18]在對建筑能源作好分類的前提下，運用BIM技術進行各類能耗進行模擬，并與之前采集的歷史數據作比較，并驗證了模擬的結果在誤差范圍之內，從而證明BIM技術應用于能耗模擬是可行的。劉林，齊振華（2015）[19]把云計算、IoT和BIM技術集成于物業管理平臺中，實現了可感知和可視化的智能管理平臺。

從上述文獻可以看出，國外學者在BIM的設施運維管理方面的研究做了極大的努力，既有對設施管理信息化方面的研究，又有將BIM與其他技術融合的創新。而國內的研究主要集中于一般建筑的設施管理，在教育基礎設施管理方面的研究近乎空白，隨著國家對教育基礎設施投資的連年增加，教育基礎設施的管理水平越來越得到社會各界的重視。由于目前教育基礎設施管理的模式相對落后，運維管理效率不高，導致許多設施在沒有完全發揮其原本的功能的時候，就將其換掉，造成極大的資源浪費。如在學校出現了反復更換門窗，高頻率更新屋頂防水等現象，一定程度上造成了教育資金的浪費，降低了教育投資的效果。因此，教育基礎設施的智慧化管理是智慧城市發展的一個重要方向，而目前相關研究相對缺乏，需做進一步研究。本文根據教育基礎設施的特點，對基于BIM的教育基礎設施運維管理系統（以下簡稱系統）的分析與設計展開研究。

1.2 結構化生命周期法

所謂的結構化生命周期法，即系統開發的步驟在其生命周期中的各個階段都有嚴格的規定，而系統的整個生命周期包括規劃、分析、設計、實施、管理運維等階段。本文主要從分析、設計兩個階段展開研究。

1.2.1 系統需求分析 根據教育基礎設施的特點，基于BIM的教育基礎設施管理信息系統需滿足以下功能需求：

①對既有建筑設施進行三維展示。傳統維修工人拿到二維的CAD圖紙后，只能通過空間想象，以及經驗進行施工。而對于建筑設施復雜節點或隱蔽工程的檢修，維修工人對待檢修的部位進行定位，處理不好還會導致返工，增加額外的維修費用。而BIM模型能夠將待檢修的建筑設施（甚至能精確到設施中的某個構件），以三維立體的形式展現在維修工人的眼前，方便他們進行檢修。

②對模型進行專業管理。既有的教育基礎設施設備是分專業劃分的，并由多個部門負責運維管理的。所以，本文研究的BIM模型需要按專業劃分，然后在系統里能夠分專業展示，以方便各部門分類管理的需要。

③具備設施設備屬性、關聯文件等的顯示和調用功能。設備的BIM模型必須與圖紙、采購合同、現場照片等關聯文件進行一一關聯。此外，系統還應滿足管理人員通過查詢、查看歷史記錄等功能調用BIM模型中構件、設備所有相關信息的需要。

④對某個構件和設備的維修等級進行評定。建筑設施和設備使用一段時間后，由于其使用功能和周圍環境的不同，其損壞程度也會不同，維修需要花費的費用也不同。所以，系統應根據設施和設備的損壞程度設置相應的維修等級，然后管理人員根據設施和設備的維修等級，使用相應的維修方法，從而達到節省維修費用、精細化管理的目的。

⑤對設施和設備的維修記錄進行管理。在維修人員維修完成后，管理人員需要記錄下每次的維修信息和維修結果，以便進行設施設備的維修統計和分析，為日后更換設施設備提供決策支持。

⑥顯示即將需要檢查和更換的設施設備。每種設施和設備都有其日常檢查周期和正常使用年限。日常檢查周期是指對設施設備的外觀、使用功能及安全性進行檢查的時間間隔。正常使用年限，是指設計規定的結構或結構構件不需進行大修還能夠正常使用的時期。前者是為了確認設備設施是否需要維修，后者則是為了確認設施設備是否到了更換的時間。所以，這兩個時間對于設施運維管理有重要意義，需在系統里設置相應的提醒功能。

1.2.2 系統設計 ①總體框架設計。本文通過將施工信息、運維信息、竣工資料及建筑的BIM模型等數據集成在一塊，基于瀏覽器和服務器架構進行系統的設計開發。系統的總體框架如圖1所示。

系統的總體框架自上而下包括用戶層、應用層、數據層三個層次，這三個層次相互形成一個有機的整體。用戶層：用戶層是為該系統的用戶設計的。該系統的用戶包括政府監督機構、運維管理人員及維修人員。應用層：應用層主要對用戶層發出的指令進行處理，并反饋給用戶層。結合上文的功能需求，該系統的應用層主要包括對以下五個方面的管理：BIM模型管理、維修管理、運維信息管理、資產管理、安全疏散管理。數據層：數據層是整個系統的數據來源基礎。包括BIM模型數據、運維信息和資產信息等。

②系統功能設計。根據BIM技術的優勢和系統功能設計的理念，基于BIM的教育基礎設施運維管理系統可實現的功能見表1。

2 研究結果

2.1 實施方案

本文研究的系統具體的實施方案為：第一，運維單位收集業主（學校）日常管理業務的需求，確定系統的功能模塊。第二，梳理業主（學校）的業務需求，此外還需業主配合完成以下兩方面信息的收集，一是業主對建筑BIM模型精度的要求，二是業主對系統的功能拓展模塊的要求。第三，在系統實施過程中，運維單位一方面嚴格按照設施管理的要求進行創建BIM模型和開發系統，另一方面對系統的相關用戶進行系統使用培訓。

2.2 系統實施

根據上述的實施方案，系統的實施路徑見圖2。

3 結論

在國內外學者研究基于BIM的設施運維管理系統基礎上，本文又在教育基礎設施運維管理方面應用BIM技術做了探究。在總結出傳統設施運維管理存在的問題后，本文提出教育基礎設施運維管理系統應具備的功能需求，并設計了運維管理系統的總體框架和功能，最后闡述了所設計的系統的實施方案和實施技術路徑。但本系統對BIM模型的精度要求較高，一般施工單位在工程竣工驗收時移交給業主的模型并不能直接投入到平臺使用，還需要運維管理人員對模型進行二次加工，造成大量人力、物力和財力的浪費。因此，模型的精度問題是影響運維管理系統的關鍵因素。

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