基于BIM的校園地下管網運維管理平臺開發

夏松林,陳 慧,王德美,李 偉,范淑倩,崔常輝

(煙臺大學土木工程學院,山東 煙臺 264005)

隨著城市人口數和建設整體規模的擴大,市政管網的建設會顯現出量化擴張和單線條建設的特征,缺乏統籌協調的地下管網系統一定會在快速的城市擴張中出現問題[1]。BIM 技術已滲透至建筑工程規劃、設計、施工、運維等全生命周期,尤其是在設計[2]、施工階段[3]研究應用得更為深入和成熟。當前智慧城市建設已成為全球城市競爭的制高點[4],智慧管網作為智慧城市的生命線,如何使用BIM工具整合各類管網建設信息,并實時同步運維數據,實現信息可視、權責分明、工作協同的運維管理需求,是急需解決的問題。

本文對校園管網運維的共性需求和個性化需求進行調研分析,探究地下管網參數化建模過程,同時構建校園地下管網運維管理數據庫,實現B/S模式下的BIM模型輕量化,以及外部動態運維數據、傳感數據、內部靜態BIM數據的數據連接。詳細介紹平臺系統框架各組成部分,根據梳理完善后的運維管理需求,對平臺功能模塊進行設計和實現,旨在為實現校園管網智慧運維提供新思路和方法。

1 校園地下管網運維管理需求分析

地下管網運維管理平臺的使用對象主要是以校園為主體的管網權屬單位，用于地下管網的運營和維護。校園需要定期進行管網運行狀態評估,做好對附屬設施的檢查、養護、維修、更新工作[5],此外還要進行安全預案管理,保障發生事故后能夠按照預案實施組織搶修[6]。通過對煙臺某高校后勤能源管理中心負責人進行調研,結合當前地下管網運維存在問題和校園在管網運行維護所要承擔職責,對校園管網運維管理的一般性功能需求進行梳理總結,包括以下需求:

(1)異構系統數據集成,能夠支持多種格式的文件導入,特別是結構化數據和非結構化數據之間會出現數據交換和共享的需求[7]。

(2)管網的參數化和可視化,將地下管網的建設信息及運維信息進行參數化存儲和可視化展示,提升信息的可讀性。

(3)信息查詢和篩選,包括通用查詢、區域查詢、字段查詢,可根據系統類型、管徑、材質等自定條件,批量獲取符合要求構件的屬性信息[8]。

(4)管網數據實時更新,各類管網的幾何信息和屬性信息能夠根據維修情況和改擴建情況實時更新。

(5)具備合理有效的維護管理工作流,平臺能處理管網運維的日常活動,如巡檢、報修、維修等工作,具有完善的設計流程,且能著實為管網運維提高效率。

(6)維護活動的記錄存檔,日常巡檢記錄,管道維修記錄,機械設施設備保養記錄自動保存,支持按時間等條件分析查詢。

平臺除滿足以上一般功能外,還可以根據不同校園的地處環境、管網特點以及運行模式滿足其管網運維的特殊性需求。

2 地下管網運維管理平臺系統框架

2.1 系統架構

平臺提出了基于BIM的校園管網運維管理框架,圖1為平臺系統架構。所開發的系統具有四層體系結構,即支撐層、數據層、服務接口層和應用層。支撐層主要負責布設傳感數據的采集、傳感數據的物聯網傳輸,以及服務器的存儲和軟件搭載,用以建立和存儲地下管網各種管線和設備的信息和狀態數據。通過支撐層,可以快速創建、組裝、部署和管理動態的健壯的應用邏輯[9]。數據層通過使用SQL數據庫收集BIM模型數據、二維圖紙數據、設備傳輸數據及部分文檔影像數據,并將部分數據進行關聯,形成管網運維數據庫。運維平臺的權限設置、各模塊業務邏輯關系、維護管理活動的工作流也在SQL數據庫中編寫[10]。服務接口層可進行基礎數據的轉換以及業務功能的實現,包括地下管網及設備的可視化管理，運維管理活動的實時記錄、可視化分析和智能預警、可追溯查詢及統計分析等。應用程序層將平臺功能整合分類后面向用戶,主要包括三維模型和平臺管理界面、部分流程交互功能和運行環境等,為管理者提供基于BIM技術并采用B/S架構的地下管網運維管理方式。

圖1 運維系統框架

2.2 數據庫設計

完整的地下管網運維過程包括屬性信息、傳感信息和活動信息3種數據類型。這些信息數據量大、缺乏邏輯關系,建立管網信息數據庫,完成必備信息的擴展和數據關聯,可以提升信息的使用性。依照數據性質和更新頻次,將數據分為靜態類數據和動態類數據兩類,圖2是數據庫構成。

圖2 數據庫構成

2.2.1 BIM數據的擴展 模型的數據擴展一般有3種方式:基于IFCProxy實體、增加實體對象類型、擴展屬性集[11]。本平臺選用增加實體對象類型的方式,完成運維信息的添加,根據管網實際情況,對構件添加屬性信息(如設備供應商、設備投運日期等),這些附加的屬性字段也可表達維護管理的業務邏輯,并有助于維護管理系統中對構件的分類查詢[12]。將擴展屬性信息同壓力、流量等傳感信息以及在運維過程中產生的維護活動信息(如巡檢次數、維修次數)進行關聯,完成數據擴展。

擴展屬性添加完成后,擁有足夠屬性的BIM模型即可用于維護管理。將數據進行輕量化處理,通過API導出到數據庫,以供前臺調用。

2.2.2 BIM數據和維護管理數據的鏈接 維護管理數據是隨管網運維過程不斷變動的,BIM模型是一個包含n-D信息的綜合信息平臺[13]。在數據庫中,為每個維護管理活動設置唯一的ID,在編寫維護管理活動的業務邏輯時,將BIM構件ID和業務邏輯關聯,這樣即可在BIM信息和維護管理信息之間建立對應關系,根據不同的查詢條件就能查詢到相對應產生變化的構件信息,從而輔助校園完成管道合格性分析、人員工作質量評估等活動。圖3為BIM模型和運維管理活動的鏈接及應用。

圖3 BIM模型和管理活動的鏈接及應用

3 運維平臺的功能設計

3.1 可視化管理和專業分析系統

基于BIM模型進行三維視角下管網的專業分析,輔助運維人員管理決策。當前地下管網的運維管理仍以人為管理為主,實現在三維視角上的專業分析,可提高運維人員在應對突發情況時決策的響應和預判能力,增強運維可視性。平臺實現從“源”到“端”管網分析過程以及從“端”到“源”的反向追溯,設置了基于BIM模型的管網連通性分析模擬、設施控制分析模擬。

3.1.1 管網連通性分析 在BIM模型中選取樓宇,可對指定樓宇所關聯的水專業管道高亮顯示,管道也可添加水流效果,進行動態的管道流向模擬。點擊任意管段,與該管段相連接的上下游主支干管、合流管道、分流管道也會定位并顯示詳細信息,從而判斷管段的上下游影響范圍。

3.1.2 設施控制分析 通過在BIM模型上點選、框選指定區域的方式選定設備,進行設備的控制分析,包括對源網端的建筑停水、停電、停暖等仿真模擬,從而合理規劃維護活動,幫助管理員進行區域化的設備更新和維護,使得設備設施保持較高運維功能。

3.2 檢修管理系統

以實現基于BIM的工作協同為目的,對所包含的運維流程進行重新設計,實現管理扁平化。當前管網運維常由于參與方協調機制的不健全,導致運維過程中相互推諉、難以界定主體責任等問題經常發生。本系統對巡檢工作流、維修工作流,以及工單統計分析等工作流程進行設計和開發。巡檢管理模塊結合BIM模型實現高效巡檢,為增強運維人員的工作溝通和信息交換,巡檢任務下發的同時,管理員可在BIM模型中指定巡檢區域和構件,以及故障設施的關聯分析,巡檢員從而獲得更清晰的任務描述。在發現問題后巡檢員可跳轉維修管理模塊進行報修,除巡檢員外,學校下屬各學院以及各部門在發現管網問題后,也可在平臺發起報修流程。平臺管理員審核報修問題后即可開始下達維修任務,在下達維修任務時,管理員也將事故地點的大體故障描述、損壞程度傳達維修人員,用以指導維修人員維修工作。維修活動發生后,管理員可在BIM模型中指定構件維修狀態,包括“維修中”“延期”“已完成”,對構件指以不同的顏色。

3.3 設備運行管理系統

供水管網數據采集與監視控制系統也成為目前供水管網中的流量和壓力等狀態信息監控的主要手段[14-15]。將BIM屬性數據和傳感數據進行綁定,實現監控數據的可視化和管道設備的智能管控。同時對超出閾值的設備進行智能預警,管理人員可根據告警信息及時了解相關設備的屬性和監測信息,提升應急決策的響應速度。

4 案例項目平臺功能應用

4.1 系統開發

本案例為煙臺地區某校園地下管網運維項目, 該項目以Revit進行地下管網BIM模型的參數化建模,此模型也是相關設施設備信息數據庫的數據源。選用BIMFACE作為BIM模型輕量化引擎,系統將對輕量化后的BIM模型進行功能設計和開發,圖4為BIM模型在平臺中的應用展示。

圖4 管網模型及構件信息展示

平臺同時包含設備、管道、樓宇的顯示隱藏、隔離定位、二三維聯動以及部分基于模型的專業分析功能。基于B/S架構下的地下管網運維管理系統以HTML、CSS以及JavaScript進行前端開發應用,而BIM模型信息與管理活動的數據鏈接底層邏輯以數據庫技術完成。通過SQL語句進行數據庫表間關系的映射,建立BIM靜態數據和運維活動動態數據相連接的應用體系。

4.2 系統應用

該項目添加了巡檢員、維修員以及部分學院單位角色。管理員具有最高權限范圍,可進行整個校園巡檢、維修活動的計劃制定、任務派發及結果審核?？筛鶕\維方案對BIM模型分析模擬,同時在后期運維中,可協同其他管理者進行管網維修造價分析、運維人員工作質量評估及管道廠家合格性分析等。圖5為部分管網專業分析功能運行效果。

圖5 管網專業分析運行效果

巡檢管理流程的設計開發包含2種應用情況,一種是管網巡檢無問題,一種是巡檢結果異常。巡檢結果正常時,系統自動儲存工作記錄。若結果異常,具體流程如表1。

表1 巡檢管理過程

維修管理過程如表2,管理員無須進入現場,在BIM模型中即可進行故障分析和故障點的標注。維修工作結束后員工在平臺進行維修反饋,由管理員審核。

表2 維修管理過程

通過設備運行管理系統對給水、污水、熱力管道進行監控,測點選擇管網的不利供水點等重要的管段節點,相關壓力、流量數據可在平臺展示,并同設備型號、管段信息、檢修記錄等關聯,提高問題解決效率。圖6為傳輸數據的監測界面。

圖6 數據分析監測界面

5 小 結

(1)設計并開發了基于BIM技術的校園地下管網運維管理系統,結合BIM技術的三維可視化特性,以地下管網空間模型為載體,重點實現了管網信息、傳感數據、管理過程的數據集成,建立了實時更新的地下管網數據庫,實現了靜態模型信息和動態設備信息的虛實結合,改變了以往查閱繁瑣、數據存儲分散的低效問題。

(2)對運維工作流程進行再梳理,使平臺融合運維管理流程+數據分析功能+信息管理功能,建立一體化的地下管網運維管理平臺。同時實現三維視角下的管網專業分析功能,使數據分析不再僅僅局限于二維視角。

(3)軟件平臺的發展是一個不斷更新的過程,信息數據的互通將會不斷被完善,BIM技術在信息表達和工程管理中具有良好的完整性和協同性,這很符合智慧管網這一理念的發展,未來在地下管網的建設到運維中將會得到大范圍應用。