基于BIM 的建筑空間管理系統分析和設計研究

吳文亮,王 旋,胡 玨,蔣森林

(1.同濟大學 經濟與管理學院,上海 200092；2.中建三局第二建設工程有限責任公司,湖北 武漢 430000)

在建筑物全生命周期中,運營階段涉及的時間跨度最大,所耗費的成本也最高[1]。通過開展有效的設施管理(Facility Manangement)能顯著提升建筑運營和維護的效率,確保建筑功能的實現[2]。而作為設施管理的一個重要組成部分,空間管理在這個過程中扮演著重要角色。空間管理指通過合理分配和使用空間,從而在使用頻率和占用率方面最大程度地提高空間利用率[3]。依靠傳統的基于2D 圖形與紙張的管理模式顯然難以實現這一目的[4]。BIM 作為一種顛覆傳統建筑管理模式的新興技術,在支撐建筑運營階段空間管理方面具有顯著優勢[5]。基于其可視化、數字化、集成化的特點,BIM 能協助建筑運營人員高效地管理空間信息,提升對空間規劃、空間分配、空間定位等空間相關需求的應對與處置能力[6]。

本文將在分析建筑空間管理需求的基礎上,設計基于BIM 建筑運營階段空間管理系統,詳細介紹該系統的架構、基礎配置及其功能模塊,并展示系統的功能實現界面。

1 基于BIM 的建筑空間管理系統需求分析

空間是設施管理的載體和媒介。設施管理通過綜合運用各學科交叉的技術、方法和手段,集成人員、空間、過程和技術,確保建成空間環境功能的實現。空間不僅承載著有形的設備資產,也承載著無形的人員組織。空間管理通過為人員創造更好的工作環境而提高人員的生產力,進而為組織發展創造價值。所有的設施管理職能都可以通過空間要素進行整合,進而實現更高的管理績效。

基于BIM 的空間管理系統可作為一個集成的信息化平臺,在BIM 模型與空間信息高度關聯的基礎上,實時展示建筑空間的使用情況,提升組織的空間管理水平及對空間需求的應對能力,實現空間利用效益的最大化。對建筑空間管理領域的相關文獻進行閱讀與梳理,識別出BIM 在建筑空間管理的十個主要應用領域,如表1 所示。

根據表1 的文獻梳理結果,對基于BIM 的建筑空間管理系統提出以下需求：

(1)實現空間三維可視化展示。空間三維可視化是BIM 的突出優勢之一,能動態且直觀地展示建筑外部及內部的空間信息。在確保空間信息得到及時更新與維護的基礎上,使用者可通過與BIM 模型的交互查看不同層次的空間細節。此外,還可將建筑空間按特定屬性進行分類顯示,比如根據空間用途的差異用不同顏色對相應空間進行著色顯示,以提升BIM 空間信息的可讀性。

表1 BIM 在建筑空間管理的十個主要應用領域

(2)實現空間信息的統計與分析。空間信息除了包含空間本身的物理參數、功能屬性之外,還可進一步囊括發生于空間內的活動或事件信息。附加于BIM 模型上的空間信息能直觀傳遞特定空間的多維度屬性,這是BIM 區別于傳統CAD 平面圖形的重要特征。通過開展基于BIM的空間信息統計與分析,能準確描述空間使用現狀,揭示空間的占用特征及規律,進而為空間需求的預測提供強有力的依據。

(3)提升空間相關需求的管理效率。空間需求主要包含空間改造、搬遷、空間租賃等與空間變更相關的事項。以某大型科技企業為例,隨著其業務的擴張,需要對空間使用現狀進行大范圍調整,以容納更多的員工和設施開展價值創造活動。如果采用傳統的紙張化、平面化的管理方式,將面臨效率低下、信息滯后等諸多問題。通過將空間需求處理流程集成于空間管理系統之中,能實現空間需求信息與BIM 空間信息的高效對接,有效提升管理效率。

(4)實現空間及其附屬對象的準確定位。組織、設備以及基于空間的活動等均可視為空間附屬對象。空間定位的作用在于根據請求,將特定空間及其附屬對象的位置信息以三維圖形的形式反饋至用戶界面。此外,還可通過與視頻監控、傳感器、計量表等感知裝置的結合實現位置主動報警。空間定位在應對諸如火災、設備故障、外部入侵等緊急情況時將發揮重要作用,可有效提升人員的反應速度。

2 基于BIM 的建筑空間管理系統設計

2.1 系統架構設計

基于BIM 的建筑空間管理系統架構,如圖1 所示。本系統采用C/S 架構,并劃分為感知層、數據層、服務層以及應用層四層結構：

(1)感知層。感知層主要由收集數據并感知環境的物理設備構成,例如視頻監控、傳感器、計量表、定位裝置等等。基于BIM 的空間管理系統需要借助具備感知能力的物理設備實現與現實環境的強耦合。感知層產生的數據將按一定的規范格式傳輸至數據層。

圖1 基于BIM 的建筑空間管理系統架構

表2 空間分類標準

表3 空間面積分攤標準

(2)數據層。數據層主要包含用于存儲空間相關數據的各類數據庫,包括實時庫、歷史庫、交換庫、備份庫以及分析庫。不同的數據庫將用于響應不同的功能訪問需求。

(3)服務層。服務層包括通用型服務以及接口型服務,主要用于實現系統相關服務的統一管理,為應用層提供建立統一的接口契約和入口。

(4)應用層。應用層主要包含系統的核心功能應用,是空間管理活動內容的直接體現。功能的實現依賴于對空間數據的邏輯調用及分析。

基于BIM 的建筑空間管理系統的四個核心功能模塊分別為：

(1)空間可視化模塊。該模塊重點在于實現空間三維可視化展示,是其它功能模塊的基礎。使用者可自行選擇空間展示的范圍與精細度。

(2)空間信息統計與分析模塊。該模塊實現對于空間相關信息的統計及數據分析,并以圖表的形式返回至用戶界面。使用者可以自行限定統計分析的空間對象范圍,并自由選擇統計圖表的展示形式與分析層次。

(3)空間需求管理模塊。該模塊主要實現空間需求處理的規范化、流程化。空間需求嚴格按照申請-審批-執行的流程在系統中進行流轉,系統將記錄并提醒相關需求所處的狀態。

(4)空間定位模塊。該模塊可實現空間位置的準確定位與跳轉。使用者可以通過在檢索框中輸入樓層、部門、設備等信息,跳轉至對應的空間界面進行空間查看。此外,通過連接相關的感知設備,還可實現對異常設備或位置的報警及定位。

2.2 系統基礎配置設計

在構建好系統架構之后,還需對系統的基礎配置加以定義,以建立規范化、統一化的空間數據交互邏輯。空間管理系統的基礎配置主要包含對空間標準以及空間編碼方法這兩個空間數據基礎層面的定義。

表4 基于BIM 的建筑空間管理系統空間編碼方法

圖2 機電管線可視化示例

(1)空間標準

空間標準是開展建筑空間管理的基礎,其包含空間分類標準、空間面積測量標準、空間分配標準、空間分攤標準、空間計費標準等基本空間管理標準。空間標準是空間管理系統開展邏輯分析的依據,在系統中表現為可修改的知識庫。本系統內置了空間分類標準以及空間面積分攤標準。

a. 空間分類標準

設定空間分類標準的目的是將現有建筑空間根據功能類型進行分類,為空間數據分析提供規則基礎,以支撐針對特定空間類型的分析與決策。參考BOMA 辦公空間分類標準和相關建筑設計規范,建立本系統的空間分類標準,如表2 所示。考慮到可能存在某些空間分類不在以下類型中的可能,系統應具備新增空間分類標準功能。

b. 空間面積分攤標準

空間分攤標準主要適用于辦公建筑,商業建筑以及醫療建筑,用于在空間計費前,將未分配給使用主體的公用空間或支持性空間,根據所屬區域的使用部門自有面積比例歸入樓層、大廈、園區公攤,確保使用者對公用空間享有權利,承擔責任。以園區為例,其計費面積的公式如下：

計費面積=自有空間面積+自有空間面積*(樓層總公攤面積/樓層總專用面積+樓棟總公攤面積/樓棟總專用面積+園區總公攤面積/園區總專用面積)

各空間的分攤類型由系統設定初始值,可手動更改。本系統的空間面積分攤標準,如表3 所示。

(2)空間編碼

空間編碼的目的是將建筑空間進行分解,為子空間添加特有的“身份編號”,實現BIM 模型與數據庫之間的關聯。使用者可以通過空間編碼在BIM 模型中查找特定的空間位置,并查看與之關聯的空間信息,如空間的面積、用途等。

空間編碼的內容、長度需考慮建筑類型、系統的集成程度等因素。一般情況下,如果將不同類型的建筑物的空間進行統一編碼,則編碼所反映的子空間的功能屬性將被弱化。比如,對教學樓與居民樓進行統一編碼,則教室將不再適宜作為單獨的編碼層級,需考慮采用一種更加泛化的層級描述。此外,系統的集成程度不同,相應的空間編碼所包含的層級也不同。如果空間管理系統僅面向一棟建筑物,則可從樓層一級開始編碼；如果系統面向的是處于不同地理位置的多棟建筑物,則可按實際需要在樓層之上加入國家、省份、城市、園區、建筑物等編碼層級。

圖3 內部漫游可視化示例

圖4 空間利用情況統計示例

圖5 空間租賃情況統計示例

基于BIM 的建筑空間管理系統空間編碼方法,如表4 所示。其中,編碼層級共包括省份、城市、園區等六個層級,編碼長度及內容可根據實際需要進行調整。

3 基于BIM 的建筑空間管理系統功能實現

基于BIM 的建筑空間管理系統主要包含空間可視化、空間信息統計與分析、空間需求管理以及空間定位四個核心功能模塊。以某案例項目為載體,開發基于BIM的空間管理系統桌面客戶端,實現上述四項功能。

(1)空間可視化

本系統可實現基于BIM 的建筑空間三級可視化展示,使用者可從建筑整體、單一樓層以及單一房間三個層面查看建筑空間信息。其中,在建筑整體層面上,將展示建筑外形、建筑高度、樓層數目、建筑功能分區等信息；在單一樓層層面上,將展示樓層空間布局、空間流線組織、樓層功能分區等信息；在單一房間層面上,使用者除可以查看房間內部空間布局等信息外,還可以以內部漫游的形式沉浸式地查看房間內部設施布置、墻面裝飾等細節。

此外,在查看特定空間時,還可通過嵌套顯示的方式調節模型顯示的層次以及豐富度。例如在查看某一樓層的空間信息時,可通過點選左側的空間關聯系統,包括消防系統、電氣系統、給排水系統等,實現空間與其附屬對象的集成顯示。機電管線可視化示例,如圖2 所示。又例如在進行內部漫游時,可在空間內部疊加顯示機電管線的排布情況。內部漫游可視化示例,如圖3 所示。

(2)空間信息統計與分析

圖6 停車場空間管理界面

本系統可實現從多個維度統計不同類型空間的占用比例,以反映建筑空間的使用現狀。例如從空間利用維度出發,可統計當前建筑物整體或各樓層已利用空間與未利用空間各自的面積及所占比例；從空間租賃維度出發,可統計當前已出租空間和自用空間的占比情況；從組織維度出發,可統計已出租空間的企業行業分布狀況。空間利用情況統計示例和空間租賃情況統計示例,如圖4 和圖5 所示。

通過整合視頻監控、傳感器等產生的動態數據,還可進行空間占用情況的實時統計分析。例如在查看停車場的空間信息時,系統會自動統計當前已使用的車位數量以及剩余車位數量,并繪制入場車輛的動態走勢圖。停車場空間管理界面,如圖6 所示。此外,系統還可進一步分析停車位的月度、年度使用情況并自動生成報表,從而為管理人員提供決策支持。

在提前定義好報告模板的基礎上,系統還可針對特定的空間使用場景自動生成分析報告。通過對接企業內部的財務系統、人力系統等子系統,該分析報告可展示某一周期內的空間使用效益,并通過系統內嵌的算法預測下一周期的空間需求,提升管理效率。

(3)空間需求管理

通過集成空間需求處理流程,本系統可實現對空間改造、搬遷、空間租賃等空間需求的高效響應和處理。組織可根據其內部的職權結構定義自身的空間需求處理流程,并賦予相關人員對應的操作權限。以空間改造為例,空間改造需求處理流程,如圖7 所示。

空間需求處理流程詳細說明,如表5 所示。

空間改造需求申請通常由空間管理員開展可行性論證,通過之后再由申請人的直接上級以及空間管理部門的決策人進行審核批準。呈現給不同角色的人員的表單信息將存在一定差異,差異由預先設置的數據權限規定。

(4)空間定位

本系統實現了基于請求的空間及其附屬對象的精準定位及展示。使用者一方面可以通過在菜單中點選所要查看的特定樓層、房間的名稱,跳轉至相應空間進行信息查看,另一方面也可在搜索框中輸入特定設備、組織的名稱,在BIM 模型中查看相應空間附屬對象的位置信息。

此外,通過BIM 模型與傳感器等感知裝置的結合,本系統可以實現對火災、設備故障等緊急情況的位置主動報警。例如當某一房間內的空調機組發生故障時,系統的主界面將彈出故障內容、故障位置等相應的故障信息,提醒人員進行快速響應,對設備開展排障、維修等操作。當發生火災時,系統同樣將第一時間彈出報警信息,管理人員可通過視頻監控查看現場的實時情況,快速處理人員疏散、救援等突發需求。設備故障定位報警示例,如圖8 所示。

4 結束語

本文在全面分析基于BIM 的建筑空間管理系統需求的基礎上,從系統架構、系統基礎配置、系統功能三個層面開展基于BIM 的建筑空間管理系統分析與設計,并以某案例項目為載體,進行空間可視化、空間信息統計與分析、空間需求管理、空間定位四項核心功能的開發驗證。初步開發結果表明,基于BIM 的建筑空間管理系統可實現以下目標：

圖7 空間改造需求處理流程

表5 空間需求處理流程詳細說明

(1)提升空間規劃的合理性。通過采集與分析空間數據,為開展空間規劃提供決策支撐,使空間規劃契合組織發展需要。

(2)降低空間空置率。通過對空間的實時監測管理,快速掌握空間動態,進而采取合理策略降低空間空置率；

(3)提升需求響應效率。通過開展空間定位并集成空間需求處理流程,支撐高效的空間事務處理,實現空間需求響應效率的提升。

當前本系統主要基于桌面端進行空間管理功能的開發,后續研究將聚焦于在WEB 端和移動端實現空間管理功能,從而達成多終端協同作業、聯動運行的目標,為基于BIM 的建筑空間管理系統的開發研究提供借鑒。

圖8 設備故障定位報警示例