面向運維的建筑 BIM 模型輕量化技術及實踐研究

彭 琛，朱永磊，竇 強，林美順，王 勝，王 巍，孟 蘆，馮復漢（.博銳尚格科技股份有限公司,北京 00096；.青建集團股份公司，山東 60000）

隨著建筑行業信息化發展，以 BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）為核心的研究及應用在國內外建筑領域日漸興起。BIM 是對建筑物物理和功能特性的數字化表達，是其全生命期內各種信息的集成。BIM 技術的出現打破了傳統建筑管理模式，使建筑管理者在建筑設計、施工、運維階段的認識和控制都進入到一個新的階段，為建筑物整個生命期提供可信賴的、信息共享的知識資源。

現階段 BIM 技術主要應用于建筑設計施工階段，適用于運維階段的 BIM 技術還不成熟。建筑的運維階段是建筑生命期中持續時間最長，所消耗能源和投入最大的一個階段，只有做好建筑運維中的管理，才能真正實現 BIM 技術對建筑全過程管理的目標。

BIM 運維模型與設計模型存在諸多不同，這使得 BIM 運維模型的輕量化發展策略也具有一定的獨特性。本文就 BIM運維模型輕量化技術的發展目標、技術難題進行分析討論，提出一些可行的發展建議。

1 BIM 運維模型及 BIM 輕量化概述

1.1 BIM 技術在運維中的應用

BIM 應用在設計和施工過程中，可以使得各個環節能夠更好地配合，減少圖紙錯誤，減少質量事故，增加項目實施的透明度和可控性[1-3]。BIM 技術為建筑施工過程中不同的參與者(如建筑師、結構工程師、施工者等)提供了良好的技術合作平臺。基于 BIM 的協同設計采用三維集成設計模型，直接從模型中獲取各專業的視圖和設計所需要的信息。不同專業的設計者通過中間模型處理器對模型進行操作，建立和修改與其專業相關的各種信息[4]。

BIM 技術的出現雖然是為了實現建筑全生命期的信息集成，但在應用初期主要是作為支持建筑數字化設計的重要工具[5]，直到近幾年才開始逐漸與運維需求相結合[6]。

BIM 技術與建筑后期運營維護階段的結合，主要包括空間管理、資產管理、維護管理、公共安全管理和能耗管理[7]。這既是 BIM 技術在建筑全壽命期內實現管理閉環的應用需求，也是實現 BIM 價值最大化的技術手段。

原有 BIM 模型中包含的信息和關系過于復雜，無法滿足后期運維系統的信息需求，通常由本地高性能計算機進行處理和查看。因此，首先要簡化原有 BIM 模型中不必要或不相關的組件[8]。在運維階段，更多的是關注設備性能和系統運行情況，需要記錄和顯示建筑設備等實時動態參數，而設計和施工階段不會涉及該類信息。因此，需要開發專門針對運維階段的 BIM 模型或插件，而模型輕量化是影響 BIM 技術應用的關鍵問題之一。

由于缺乏應用 BIM 技術進行智慧運維管理的數據基礎、缺乏面向已經竣工并投入使用的綠色建筑運維管理特點的BIM 模型、缺乏對運維管理階段 BIM 模型建模技術路徑與設計和施工階段的差異性研究、缺乏對 BIM 模型在運維領域應用的底層數據建模標準，國內尚未出現較成熟的針對已經竣工的既有綠色建筑的 BIM 運維模型輕量化技術。

1.2 BIM 模型的輕量化研究

隨著數字化、物聯網技術的發展，BIM 運維逐漸成為熱點。經過近年來的快速發展，BIM 對整個建筑行業的作用是毋庸置疑的。與普通的三維模型不同，BIM 模型不僅是三維模型，而且包含了大量的工程項目信息。換句話說，由這些信息形成的數據庫與 3D 模型相關聯，其體量是相當大的。如果將 BIM 模型直接引入運維管理平臺，復雜的建筑設備系統、龐大的 BIM 運維數據，將對硬件設備造成巨大負擔，影響運行速度。因此，BIM 模型輕量化成為建筑 BIM 運維行業發展的瓶頸。例如，一個購物廣場的 BIM 運維模型包含了 500+模型文件，2 000+圖紙文件，1 000+ G 的文件大小，每天要處理 100 萬次的操作請求，5 000 G 的流量以及2 000 余個業務流程。如此海量的數據、復雜的存儲模式與錯綜復雜的業務流程使大多數應用方望而卻步。

輕量化是對模型的三角面片數、紋理貼圖以及屬性信息的優化處理，以達到方便使用的技術。國內外對 BIM 模型輕量化的研究主要集中在渲染場景的管理和模型數據的優化上。渲染場景的管理主要是基于八叉樹的場景管理，如鄭坤[9]、吳慧欣[10]等都基于八叉樹原理實現了渲染場景的管理。Cignoni P[11]等結合八叉樹原理與邊折疊算法簡化網絡，優化模型的渲染。在模型數據的優化方面主要為多細節層次（LOD）算法，根據顯示需求分層次地簡化模型。LOD 模型生成算法中比較常見的是幾何元素刪除法，根據處理模型三角面片的方式，可分為頂點刪除法、邊折疊法、三角形折疊簡化法等[12]。

此外，隨著通信技術的進步，近些年基于互聯網云端儲存的方式也有一些 BIM 技術輕量化的研究進展。比如清華大學的張建平教授等根據分布式存儲信息與 BIM 構件之間的關聯技術，開發了基于 Web 的項目集成管理系統[13]。王珩瑋等人將 BIM 技術與 WebGL 技術相結合，開發了 BIM 模型三維瀏覽及信息管理系統[14]。此外，基于云的 BIM 存儲、桌面云技術與通信和存儲技術相結合的輕量化研究也很多。BIM 模型輕量化解決了原 BIM 模型體量大不利于顯示的缺點，將 BIM 模型從桌面端轉移到 WEB 端、移動端[8]。

總的來說，BIM 模型輕量化技術主要集中在模型顯示、模型存儲等方面，針對 BIM 運維階段的輕量化研究還處在比較初期的階段。近些年，BIM 技術在運維階段的應用以及輕量化研究逐步得到重視，但對于 BIM 運維模型輕量化的優化方向、側重點的討論還不夠深入。

本文針對 BIM 運維階段輕量化的特點和目標展開討論，發掘探討運維階段輕量化過程中存在的技術難點，提出實現面向運維的模型輕量化的發展建議，為進一步實現 BIM 運維階段模型輕量化提供參考。

2 運維階段 BIM 輕量化目標探討

BIM 輕量化是為了讓用戶更便捷地獲取建筑所包含的各類信息，從而節省人力投入，降低運營成本[15]。借助 BIM輕量化平臺，方便用戶在視聽等多重感官的傳達下，更方便地使用模型[6]。以具體工程為例，運用輕量化技術，通過BIMBOX 平臺輸出的成果可指導機電工程的施工。結果證明，輕量化技術能夠很好地降低對硬件的要求，有效地提高工作效率與施工的精細化管理[2]。

2.1 BIM 模型在建筑生命期的使用

要討論 BIM 模型輕量化的目標，首先要明晰 BIM 技術是在為誰服務。業主是 BIM 技術應用的最大受益方，而貢獻最大的是設計單位，動力最大的是施工單位。根據建筑生命期的不同階段和不同使用者，可以將 BIM 的應用歸納為四個階段。

設計階段：設計階段是 BIM 數據庫平臺搭建的關鍵階段。設計單位要完成建筑自身的數字化描述，在 BIM 數據流標準方面發揮主導作用。此階段只要按照建筑工程設計信息模型的制圖標準提供符合要求的設計文件，設計文件的 BIM輕量化就基本實現了，這也是未來行業的常規要求。

招標投標階段：在輕量化應用的模式下，建設方搭建平臺，設計方構建數據模型框架，招標方開放投標單位一個臨時用戶身份進入 BIM 平臺，并根據平臺設定的權限引用一些統一標準的開放數據。根據這部分公開資料提交投標方案和報價。如何將項目 BIM 系統數據與評標系統數據進行對接，是這個階段重點需要解決的關鍵問題。

施工階段：施工方是 BIM 管理模式的使用方之一，在BIM 數據框架中利用數據、更新數據、優化施工、降低成本。利用 BIM 數據（不是模型）對施工過程進行方案演算和成本測算、加快工程價款審核的進度等都有利于施工階段高效管理。由于參與施工的各方（包括建設、監理、工程造價咨詢服務、施工單位等）在平臺上使用相同的數據源，輸出的工程量也是唯一的，不存在“報量、核量、確認”的重復過程，這明顯提高了管理效率。

運維階段：運維階段是建筑生命期中所占時間最長，消耗能源最大的一個階段。綜合利用 BIM 技術，可以開展建筑運維階段設備與空間、能耗、應急、資產等方面的管理。而設備與空間管理還包含了樓宇自動化系統（BAS）、照明系統、暖通空調系統、機電系統、消防系統、安防系統等相應設備的信息維護。BIM 系統不僅要對上述內容進行運行展示、調取信息等，還要切實解決動態數據收集、實時調節、預警報警等實際運維中面對的各種問題。

BIM 技術在建筑工程生命周期各階段的應用，總結如表1所示[17]。

表1 BIM 技術在建筑工程生命周期各階段的應用

2.2 BIM 運維模型的特點

通過梳理 BIM 技術在建筑生命期各階段的應用，可以看出，BIM 模型在設計階段、招標投標階段和施工階段，比較注重建筑實際使用構建的外形、材質等參數，對建筑的可視化渲染展示有較高的要求；而在運維階段，更注重運維過程中的動態參數，關注的重點由建筑本體轉變成了建筑內的設備和計量儀表、傳感器等。建筑運維的本質要求是對運營過程中持續產生的多維、海量信息進行綜合處理。因此，BIM 模型在運維管理階段具有如下的特點。

（1）注重獨立系統的連接和運維，比如空調系統、照明系統、消防系統等，相比于空間關系，更注重系統內設備的連接和數據的傳遞。

（2）以數據為核心，以管理調控為技術應用目標。很少調取建筑構造細節等在設計、建設過程中的重要參數，而注重系統運維過程中的動態數據與系統靜態數據的綜合處理功能。

（3）以實用為目的，對渲染展示效果不做太高要求，更注重操作的便捷性。

2.3 BIM 運維模型輕量化的目標

由于 BIM 技術在運維階段的這些應用特點，BIM 運維模型的輕量化工作也需要據此做出調整。比如，BIM 技術在工程建設管理方面，建筑數據模型的可視化一直是其閃光點，也是造成使用成本居高不下、難以推廣的原因。然而在 BIM運維模型中，并不需要過分強調可視化模型管理，而需要轉變思路，在弱可視化的基礎上建立數據模型，實現快捷、便利的 BIM 輕量化運用，從而進一步實現建設項目過程控制的優化管理[3]。

面向運維的 BIM 模型更應該注重數據的保存和提取。一個好的輕量化平臺需要的不僅是顯示方面的流暢，同時還要兼顧模型格式的全面支持及保真，另外也要滿足業務方面的數據需求。從數據的角度出發，BIM 運維模型的輕量化目標分為三個層次：壓縮、存儲、加載。在壓縮過程中，要求在保證模型和數據準確的前提下盡可能地降低文件大小；存儲過程中要求降低數據的重復存儲，降低存儲空間；由于 BIM運維模型更注重信息的使用，所以模型數據加載時的速度也是重點關注的方面。

因此，BIM 模型集成處理、大體量模型云端輕量化處理轉換、數據存儲及管理、模型輕量化快速加載等技術是 BIM運維模型需要關注的重點。

3 BIM 運維模型輕量化的主要問題與技術路線

3.1 BIM 運維模型輕量化的主要問題

由于現階段大多數 BIM 模型只是面向建造過程而設計，使得模型設計導向并不滿足運維使用需求。如果將建造階段的 BIM 模型直接應用于運維階段，存在很多困難。

（1）BIM 運維模型接入設備繁多且數據不統一。運維階段由不同的弱電廠家的樓宇自控系統提供支持，典型的系統包括消防、安防、門禁、空調、照明、電梯等。建筑信息的分類和定義受到不同專業領域的影響，難以形成一套統一的數據表達規范，而只能在通信層面實現互聯互通。

（2）BIM 運維模型加載集成了大量動態數據。建筑綜合運維管理是以建筑內各個運維系統中進行實時監測的動態數據為基礎的，需要采集如室內溫度、冷機運行數據、照明開關、電梯運行、煙感采集數據等大量的實時數據。在以設計建造為目標的 BIM 模型中，缺乏相關數據承載的接口和展示平臺。此外，此部分數據量巨大，且對系統整修、能耗分析等都具有重要作用，需要合理安排數據存儲、提取等相關問題。

（3）BIM 運維模型需要將大量交錯的數據進行綜合處理。建筑運維過程中既有縱向的獨立系統，又有橫向的空間關聯。比如照明系統為獨立系統，但在樓宇控制中，房間內的照明設備開關可能會影響窗簾調整，而窗簾變化又可能引起空調系統的調節。再比如，消防系統報警，會影響空調通風系統、供電系統、電梯系統等多方聯動。所以對建筑數據交互進行綜合管理，是用好 BIM 系統的關鍵。

設備接入繁瑣是 BIM 運維模型推進過程的巨大阻礙，因此數據集成是 BIM 運維模型使用并且用好的關鍵。針對這些問題，結合 BIM 運維模型輕量化目標，本文提出了兩點 BIM運維模型輕量化的技術解決方案。

3.2 以數據字典為基礎的 BIM 運維模型框架

IFC (Industry Foundation Classes)是 1997 年初由 IAI 組織開發的建筑信息共享標準, 為土木建筑行業提供了通用的數據表達模型和標準。2007 年國家科技支撐計劃課題“綠色建筑全生命周期設計關鍵技術研究”啟動，研究應用 IFC 標準解決信息交換與共享等技術難題，促進其在我國的應用[4]。

參照 IFC，為了解決 BIM 運維模型中設備繁多沒有統一標準的問題，建立綠色建筑 BIM 運維數據字典體系是可行有效的解決辦法。

數據字典是一種基于語義的對建筑和建筑中的各類機電系統進行信息化表達的標準方法。針對缺乏BIM運維階段底層數據建模標準的需求，可以通過開展對于數據分類、編碼、語義定義等方面的標準化研究，解決統一 BIM 底層數據建模標準的問題。如圖 1 所示，數據字典與 BIM 運維管理平臺的關系。該方法與通信協議無關，與系統功能無關，與弱電廠商無關，是面向客觀物理對象和物理過程所構建的一套信息表達標準，具有良好的擴展性和交互性。

圖1 數據字典與 BIM 運維管理平臺的關系

數據字典是系統物理層與應用層的邏輯紐帶，是大數據平臺的業務邏輯基礎，起到將異構數據標準化，一站式支持應用開發的作用。以數據字典為基礎，考慮到建筑運維過程所涉及的系統復雜多樣，可以建立以數據字典為基礎，分層次分系統的子系統運維模型，如圖 2 所示。

圖2 數據字典的應用框架

通過數據字典的標準化定義，將多樣復雜的設備接入BIM 運維系統。數據底層來自數據采集設備層的各傳感器與執行器設備，通過子系統對數據進行集成，進行子系統內的調控管理，進一步集合各子系統，形成項目集成管理平臺，進而在集團中心平臺層面，基于底層標準化的數據接入，形成建筑運維數據字典標準下的建筑信息數據中臺，并最終服務于集團的考核管理體系，為建筑運維管理的高效實現提供強有力的數據支持。

3.3 數模分離實現數據管理輕量化

BIM 的優勢在于基于三維模型對建筑空間、機電設備、管網及各類屬性的數據進行綜合管理。它是滿足建筑大數據需求的優秀的數據管理工具，但不是性能良好的數據庫。數據平臺本身還是要通過數據庫工具來實現，以提高效率。BIM 的應用將有利于數據標準化建設和平臺建設。

數模分離技術，是將模型的幾何信息和模型數據使用分離的技術，將數據單獨存儲，幾何信息保留關鍵信息，從而使模型的有效數據量大大增加，排除無效工作量。

由于設計、建筑階段的 BIM 模型所包含的信息和關系對于后期運維系統的要求來說過于復雜，給數據處理造成了很大的負擔，因此有必要對原 BIM 模型中不必要或不相關的構件進行簡化。比如將模型單獨儲存，在運維系統中只保留幾何模型關鍵信息，在系統運行時根據需要只調用必要參數，在可視化渲染也盡可能精簡。然后在模型基礎上進行二次處理，補充 BIM 運維模型實際操作時需要使用的動態監測等數據，而這些數據也有獨立的儲存路徑。最后對模型按照面向對象方式進行持久化與緩存化處理。

4 輕量化發展的建議

通過對 BIM 技術在建筑生命期內功能的分析對比，可以看出 BIM 運維模型的本質需求是對建筑運營中產生的多維海量信息進行綜合處理。從 BIM 模型輕量化的角度出發，BIM 運維模型需要在弱可視化的基礎上建立數據模型，實現快捷、便利的 BIM 輕量化運用，從而進一步實現建設項目過程控制的優化管理。BIM 模型集成處理、大體量模型云端輕量化處理轉換、數據存儲及管理、模型輕量化快速加載等技術是 BIM 運維模型需要關注的重點。

BIM 運維模型面臨設備龐雜不一、大量數據交錯、動態數據集成等難點，應該從運維管理需求出發，從系統結構底層框架、數據存儲管理等角度對模型進行輕量化優化。基于此，本文提出了以數據字典為基礎，數模分離為路徑的 BIM運維模型輕量化理念，希望對 BIM 技術在運維階段的應用提供幫助。

此外，BIM 技術是面向未來的技術，基于 5G 網絡、通信和物聯網技術，將 BIM 運維模型的動態數據（比如環境溫度、過程動態數據）與虛擬現實、增強現實、圖形展示等新技術相結合，可能是未來發展的一個重要方向。