基于BIM與GIS的智慧運維服務系統建模技術研究

黃楊成 李 健 張 蓉*

(江蘇科技大學船舶與建筑工程學院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

作為目前建筑行業項目生命周期的傳統四部分，即規劃與設計階段、施工建設階段、建筑運營與維護階段和報廢拆除階段，是建筑工程對于建筑全生命周期常見的劃分。其中，運維階段的資金成本構成了建筑全生命周期的絕大部分，即占到了總成本的82.5%[1]。

由此可見，運維階段的建筑項目成本與整個項目全生命周期成本有著密切聯系，其管理是否高效是項目運維階段首要考慮的。但是我國建筑行業管理模式粗放，傳統建筑運維管理與服務系統主要是通過簡單二維或三維圖形和紙質資料匯總來保存建筑項目在各個階段的信息，以滿足建筑項目對運維資料的管理，顯然這會引起很多額外的問題。主要體現在若干方面：

1)建筑設備運維信息數據通常保存時間有限，且容易丟失或被篡改，其準確性與安全性無法保障。

2)由于運維數據時間跨度大、周期長、內容層次復雜，數據量往往很龐大，在查找時就需要查閱大量信息，且由于內容層次復雜，很難關聯其前后信息，從而在運維信息的橫向對比上非常不理想，不僅達不到預期效果還降低了管理與服務效率。

3)建筑運維數據縱向的關聯難以實現。例如設計階段圖紙需要變更，則不能保證變更的信息及時反饋到圖紙上，涉及到多處細節需要修改時，極易造成工作的繁重和時間、資源與人力的浪費，不僅影響工作質量，還可能拖延項目工期。

4)導致建筑運維階段管理與服務難度和經濟、時間成本提高的主要原因是建筑運維階段信息數據的集成和傳遞缺少高效管理[2]。

因此，基于BIM與GIS的建模技術建立建筑設備維護數據庫，完善運維管理系統，解決傳統運維服務存在的一些問題，實現三維立體、智慧、可感知的建筑運維服務平臺構建，不僅能提高管理效率，還節約運營成本。

1 BIM與GIS融合度分析

BIM技術在三維模型與各類數據的集成管理方面效率高，可視化程度明顯，數據種類豐富，是運維管理的理想工具，但BIM模型數據的來源和種類遠遠多于傳統建筑三維模型，而且龐大的模型數據量又加大了計算機的運算負荷。因此如何高效獲取所需數據、又能使BIM模型輕量化，是構建智慧運維服務系統的建模技術中的重點之一。

1.1 BIM與GIS技術契合性分析

BIM與GIS技術不同點在于，BIM技術能劃分設計、施工和運維階段的物料屬性信息，如外形、大小、所占空間，并能及時匯總進行橫向比較，不僅彌補了傳統運維管理與服務方式上的缺陷，而且BIM提供的可視化管理降低了管理與服務的門檻，方便更多業主與用戶參與到建筑運維中，集思廣益使其更智慧更高效。而GIS技術則是對建筑項目外部環境、現有建筑群的分布和目標建設項目外部形狀的客觀描述，是一個具備模型建立以及環境設備數據查詢和分析功能的平臺。

因此，BIM與GIS的契合性主要體現在三方面：第一，BIM技術側重單體建筑內部和詳細建筑信息的匯總整理，為運維服務系統提供良好的建筑內數據支持，但對建筑外部環境的模型和信息數據匯總很少，而GIS對建筑群及其外部環境建模有著良好表現，不僅能準確反映外部環境及其特征，而且快速高效，彌補了BIM自身缺憾；第二，兩者技術基礎都包括圖像處理和數據庫管理與開發，有著良好的相通性，這為智慧運維服務系統可視化功能提供了較好的基礎；第三，二者在模型數據處理的標準與方式上相似，甚至二者的數據在統一標準下可以相互轉化。因此可將BIM與GIS數據通過某一標準相互傳導，互作數據源和數據受體，可以實現建筑設備智慧運維的良好管理與傳遞。

1.2 BIM與GIS數據交互性分析

IFC(Industry Foundation Classes工業基礎類)，又常被稱為IFC標準，是國際合作聯盟國際聯盟(IAI)建立的一個標準性名稱，運用IFC標準的數據文件具有良好的平臺無關性，它是一個中性的數據文件，具有自描述能力好等特性，不會由于軟件系統的任務終止而引起信息丟失等問題。

IFC標準正在成為大多數BIM軟件和相關技術的通用格式，以便提供標準的數據交換接口。不同的BIM模型信息的軟件可以轉換成相同的IFC標準數據文件，從而形成了同一數據模型的建筑產品[6]。

2 基于BIM的智慧運維服務系統數據結構

2.1 智慧運維服務系統的定義

目前，國內外并沒有關于智慧運維服務系統的完整定義，根據類似運維服務系統在使用中的情況，智慧運維服務系統與傳統的運維系統的區別在于，它是整合人員、設施、環境和技術，通過BIM與GIS等可視化技術的相互結合的管理與服務系統。它具有高度的包容性，融合了建筑智能化、設備管理、能源管理、物業管理等功能。但各模塊的融合并非簡單的數據采集和表現，而是使各個功能模塊能夠相互調用、影響，從而形成新的應用。龐大的底層系統更可以支持用戶新的應用擴展，以滿足各種層次需求。

2.2 建立智慧運維服務系統數據結構

智慧運維服務系統的面向對象主要為管理者以及物業管理人員，同時其高效直觀的可視化特點可使未受過專業訓練的業主也能較好操控。根據面向對象的特點，基于BIM和GIS模型開發的運維管理與服務數據庫，將可以與二維圖紙、運維文件等信息和數據實現自動化交流，不僅信息交流和反饋變得快速，可視化效果好，并且能夠實現建筑的場地管理、氣候管理、空間管理、設備管理、合同管理和應急管理等，能從各個方面、由內而外對設備信息全面、智能化管理,實現了管理的安全、實時、高效性,為實現智能化運行維護管理和服務系統的宗旨提供可能。目前，數據庫基本可分兩大類：外部信息和內部信息，如圖1所示。

3 BIM結合GIS技術的建筑及周圍環境快速建模

3.1 地形等自然條件建模

在工程的運維階段，其模型數據主要來源于場地地貌、植被、河流、氣候等因素在設計施工階段的綜合體現,這些因素是影響建筑物運行和維護外部環境決策的重要因素。其建模準確度與效率的高低，決定了場地分析及評價的準確度。場地條件管理分為：地形地貌、氣候管理、空間管理。

傳統的場地分析方法，存在定量分析不足、主觀因素過重、信息調取與傳遞困難、無法集中處理大量數據等弊端。因此，利用BIM針對單體建筑的詳細可視化管理結合GIS對建筑群外環境的空間外環境管理，包括土地、基礎設施等，采用Autodesk Revit與GIS的結合，快速生成目標單體建筑內部環境和目標建筑周圍外環境模型，不僅使管理者了解建筑運維信息，及時做出調整，還能使普通業主用戶直觀了解計劃和管理意圖,促進溝通和信息傳遞。在3D地形基礎數據的基礎上,對現場環境進行了分析,并對環境進行了仿真分析，再加上地質風險評估，生成智慧運維服務系統的外部信息。

3.2 建筑快速建模

為實現建筑快速建模，必須摒棄傳統的電子繪圖方式——從建立軸網開始逐步建立建筑內部結構。在Revit軟件中，可通過概念體量族功能實現類似Sketch up的功能，直接操縱設計中的點、邊、面，創建形狀以研究包括拉伸、掃描和放樣的建筑概念。達到快速的外觀建模。同時，還可以這些族為基礎，通過應用墻、屋頂、樓板和幕墻系統來創建更為詳細的建筑內部結構，進行初步的空間分析。如圖2所示，根據研究的對象，可以適當簡化周圍環境建筑不必要的建模，以達到更快的建模速度。

3.3 建筑光環境建模

Autodesk Revit利用基于蒙特卡洛算法的引擎，使太陽光照明分析成為可能，通過準確地建立室內外照明模擬的數學模型，設置不同的模擬參數，可以達到設計或研究的目的。生態分析是一種建筑物理分析的模擬工具，范圍從太陽輻射、陽光、遮陽、照明、植物、室內聲場和室內風場等7個方面都可以進行模擬，包括熱和風環境、光環境、聲環境、陽光、經濟環境影響和能見度、建筑物理環境[6-9](見圖3)。

3.4 設備建模

建立建筑外環境與內環境的BIM-GIS設備運維三維數據模型后，仍然需要設置運維設備的三維和信息數據模型，并追加設備的必要運維信息，包括設備的基本狀態信息、維護信息、各個時期的合同信息和成本信息等等，以共享的形式添加。這些信息可以獨立導出，生成數據庫可讀的文件格式，如ODBC格式等，導入相應設計好的數據庫文件，可以做進一步開發，見圖4，圖5。

4 結語

基于BIM提供的信息共享展示平臺，綜合應用BIM技術以及快速建模技術，利用集成設備信息的BIM-GIS模型對建筑內外環境中的設備等信息數據進行快速查詢與匯總，從而建立了建筑設備運維管理與服務數據庫，通過BIM提供的運維數據模型共享平臺，使參與工程的各方對工程的運營與維護的管理服務信息進行共享，實現智能、高效、安全且直觀的操作和維修服務的平臺，它不僅消除了信息不對稱等弊端，而且實現了快速查詢、設備信息的數據匯總和統計功能，大幅度延長運維數據保存時間，提高數據信息反饋速度與安全性，為管理者節約了大量的時間。但是，智慧運維服務系統開發停留在初步階段，在系統應用和BIM技術標準規范研究上仍不夠深入，對運維管理階段數據的信息和技術標準不夠完善，還需要繼續深入研究相關數據的存儲、整合、優化等問題，進一步將個體建筑運維拓展到建筑群(社區)的運維。

參考文獻：

[1] 關于物業管理中設施設備管理重要性的認識[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_ 63a7b7c1010160np.html.

[2] 淺談數據可視化和信息可視化[EB/OL].http://www.sj33.cn/digital/wyll/201607/45773.html.

[3] Jason D，Lucas.An Integrated BIM Framework to Support Facility Management in Healthcare Environments[Z].2012.

[4] R.Liu,R.R.A.Issa.BIM for Facility Management:Design for Maintainability with BIM Tools[J].Journal of Architectural Engineering,2013(1):671-678.

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[11] 胡振中.基于BIM的運維管理研究與應用綜述[J].圖學學報,2015,36(5)：802-808.

[12] 董政民.BIM技術在航站樓運維管理中的應用——以浦東國際機場T1航站樓為例[J].BIM技術與應用,2013(9)：91-93.