基于BIM的大型公共建筑設備運維管理系統

董 效 東

(江蘇達海智能系統股份有限公司 上海分公司,上海 200433)

0 引 言

大型公共建筑是指用于商業、辦公、旅游、科教文衛、通信、交通運輸等用途,單棟建筑面積20 000 m2以上且采用空調的建筑[1]。大型公共建筑中的設備運維管理活動,是依據建筑擁有者的企業發展戰略規劃,將建筑用戶(住戶、租戶、訪客等)對建筑功能服務的美好體驗相關聯,整合地點、人員、空間、資產、流程等要素的系統工程。

大型公建項目其全生命周期過程中,涉及不同建筑專業多參與方的建筑活動,大多基于二維CAD圖紙和相關文檔表格資料,其產生的過程信息,具有孤立、零散、信息表達不一致等特點,建筑設備運維的管理人員在使用這些信息時,需要較高的專業水平和長期的工作經驗,從而導致建筑維護使用成本的增加[2]。

隨著我國建筑信息模型相關標準的相繼推行,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)作為建筑全生命周期的信息化標準和共享基礎數據資源,不僅在建筑項目的規劃、設計、實施階段體現出較高的應用價值,而且在建筑設備運維管理階段,還可通過建筑設備運維管理系統軟件,將BIM模型承載的建筑實體三維結構以及建筑各階段信息與機電設備系統的實時管控場景相結合,充分發揮BIM模型在建筑運維階段的應用價值,實現降低運維成本、提高運維效率和設備運維管理的智能化、智慧化。

1 基于BIM的大型公共建筑設備運維管理系統

基于BIM的大型公共建筑設備運維管理系統,其系統結構分為建筑現場層、數據層、業務邏輯層和系統應用層。BIM建筑設備運維管理系統如圖1所示。

圖1 BIM建筑設備運維管理系統

1.1 建筑現場層

大型公共建筑現場設備運維管理一般包括暖通、照明、送排風、給排水、變配電、電梯、安保、消防、停車、訪客、信息發布、能耗計量、環境(室內外溫濕度、照度、CO、CO2等傳感設備)等機電設備子系統、設備運維管理業務涉及的人員和相關業務流程[3]。建筑現場層是包括設備運維管理系統所有現場運維數據來源和系統管理動作效果的直接體現。

1.2 數據層

數據層主要完成設備運維系統的數據統一處理和存儲。設備運維數據主要通過建筑物聯網(IoT)系統對各建筑機電設備系統實時采集現場設備運行工況獲得,建筑幾何與非幾何信息,提取自建筑的BIM竣工模型[4]。這些不同來源的數據信息,依據工業基礎類(IFC)和IoT系統的數據Schema,進行實體屬性識別和統一編碼處理,在數據層實現BIM與設備運維的信息融合。數據存儲分為三維模型幾何信息存儲、運維管理數據存儲和運維系統知識庫。其中,三維模型幾何信息和知識庫主要通過對BIM模型實體及實體關聯屬性信息的提取獲得,運維管理數據存儲與BIM實體對齊后的設備運維相關信息。

1.3 業務邏輯層

業務邏輯層是運維相關業務邏輯與BIM信息的融合實現,對外體現為運維系統軟件功能服務?；贐IM大型公共建筑設備運維系統主要有以下幾方面的功能。

(1)設備運行管理。在傳統設備運行工況監控功能基礎上,將設備功能服務與建筑空間結合,針對建筑運營、運維管理業務對不同建筑空間(財務室、會議室、中庭、辦公區域等)的個性化應用場景要求,實時調整空間內設備的功能服務(照明、安保、暖通等設備系統的啟停、調節等)。

(2)設備空間定位。傳統基于二維平面圖確定的設備落位,無法產生設備的準確空間位置,當運維人員進行現場設備故障排查或巡檢時,無法將設備與運維系統數據進行直觀對應。通過將BIM模型實體與IoT設備、設備所處空間實現一一對應,運維管理系統可以三維立體視角準確、快速地顯示設備所處空間位置,提高運維操作人員的工作效率。

(3)VR巡檢。通過三維漫游功能,在用戶自定義的設備巡檢路徑上,可以第一視角顯示視野中設備的當前運行狀態、關鍵參數、現場視頻等信息,為運維操作人員提供全面、方便的設備運維巡檢體驗。VR巡檢的系統界面如圖2所示。

圖2 VR巡檢的系統界面

(4)基于知識庫的故障分析?，F階段設備運維決策過程,主要基于運維人員的個人工作經驗和技術水平,決策輔助信息不足,決策效果受主觀因素影響較大。通過從BIM中提取建筑實體屬性及實體關聯關系等語義信息,構建建筑設備系統運維知識庫,可為設備運維管理決策提供快速的知識檢索,提高設備運維管理的智能化、智慧化水平。

1.4 系統應用層

系統應用層為系統軟件功能的客戶端展現。系統以數據駕駛艙形式,結合用戶自身管理業務統計分析要求,將設備運維實時運行狀態與建筑三維輕量化模型結合,為用戶提供立體空間視角,方便用戶隨時洞察建筑設備運維態勢。系統也支持PC端瀏覽器的設備運維管理三維可視化應用。借助移動設備與用戶緊密結合的特點,設備運維信息可通過移動端APP將設備運維信息隨時觸達運維管理活動的相關人員。

2 BIM在設備運維中的應用

2.1 設備統一編碼

IFC作為BIM的國際數據交換標準,IFC Schema以面向對象方式定義了建筑實體對象的數據結構,并通過實體之間繼承、引用、連接、組合、包含、表示、分配等關系,構成實體建筑的數據抽象。面向建筑交付后使用階段的建筑設備運維系統,其Schema采用面向對象方法描述建筑機電設備系統在運行管理、保修、維修、檢修等運維活動中的事務數據,機電設備是設備運維系統的數據來源,如需獲得更多建筑其他階段信息(如設備銘牌參數、設備供電結構、設備作用空間等),實現設備數據與建筑三維模型的融合展示和運維業務應用,還需建立BIM機電設備實體與運維設備對象的一一映射。IFC中機電設備實體雖均有唯一標識(GUID),但其不含業務規則,無法作為一個統一業務編碼規則去描述兩個系統中的同一實體對象。

OmniClass信息分類體系是目前普遍應用于建筑行業的信息分類編碼體系,其是以ISO 12006-2標準為基礎,包含規劃、設計、實施、運維及拆除的建筑全生命周期過程的信息數據。OmniClass分類采用面分法,共有15張分類信息表[5]。OmniClass建筑信息分類如表1所示。

表1 OmniClass建筑信息分類

Revit軟件中已集成OmniClass分類編碼,每個BIM實體均已按此標準進行了分類編碼。同樣,OmniClass也適用于建筑設備運維系統的信息分類編碼,因此,只需在OmniClass編碼上進行實例化擴展,即可實現運維系統中設備和BIM設備構件的統一編碼。設備具體編碼映射過程如下。

(1)對IoT系統中每個設備分配OmniClass分類碼;

(2)為每個建筑空間內的設備,分配唯一數量編號;① 當一個空間中不同類型設備只有一個時,該設備數量編號為1;② 當一個空間中同類型設備多于一個時,依據設備所在空間相對坐標系下的排序規則,為每個設備順序編號。

設備空間排序規則:按照項目正北方向,采用空間笛卡爾坐標系,左下為坐標原點,水平方向是X軸,垂直方向是Y軸,Z軸為高度值。按照構件中心點在平面笛卡爾坐標中位置,先以XY平面上嚴格按照從左到右順序進行數量編號,如需要,再以XZ平面按照從下到上進行數量編號。同一空間內、同類型XY平面排序規則如圖3所示。XZ平面排序規則如圖4所示。

圖3 XY平面排序規則圖4 XZ平面排序規則

(3)根據OmniClass分類編碼、設備空間排序規則、設備的附屬屬性(所在項目、建筑、樓層、空間等信息),確定對應的BIM構件,建立IoT設備與BIM構件的映射表。

(4)建筑設備運維系統設備的統一編碼格式如下:[OmniClass分類碼]-[樓層]·[空間名稱]·[數量編號]。

2.2 BIM模型輕量化處理

BIM模型的輕量化處理,主要目的是為了減少BIM模型在瀏覽器、移動APP應用時模型的數據傳輸量和客戶端保存的模型數據規模,以使客戶端可便捷地獲得三維模型建筑應用。BIM模型輕量化處理如圖5所示。

圖5 BIM模型輕量化處理

BIM模型輕量化處理,主要包括以下部分內容。

(1)分離模型幾何信息與非幾何信息。將BIM模型文件中的幾何數據和占模型文件約20%～50%的非幾何數據拆分,分別輸出至數據層供設備運維管理系統使用。

(2 )三維幾何數據輕量化處理。對BIM模型的三維幾何數據,做進一步輕量化處理優化,以降低三維幾何數據量,節約客戶端電腦的渲染計算量,從而提高BIM模型客戶端下載、渲染和功能處理的速度,采取的方案包括:采用參數化或三角化幾何描述三維構件,減少模型數據規模;對構件依據運維管理業務需要,進行減面優化處理;實例化算法減少同樣幾何物體構件的存儲量;構建符合場景遠近原則的多級構件組織體系,隨用戶當前視點場景的遠近,調整構件的細節描述。

(3)渲染處理。渲染過程可使用八叉樹快速剔除不可見圖元,減少進入渲染區域的繪制對象,使用多重深度模型,加速單圖元渲染速度。

2.3 建筑設備智慧運維管理系統知識庫

IFC作為BIM的數據交換標準,不僅包含BIM實體屬性信息,還包含有各實體之間的空間關系(連接關系、組成關系)信息,通過IFC數據解析工具IFC Java Tool Box,可將IFC 實體解析成對應 Java類,實現IFC實體及屬性信息的提取。將提取到的每個IFC實體抽象成一個節點,用實體所包含的引用關系(IfcRelationship)作為連接節點的有向邊,并為節點和邊賦上對應的屬性值,即構成了一個建筑實體關系屬性圖模型。Neo4j作為圖數據庫的代表之一,就是以屬性圖模式進行圖數據的存儲和檢索,其最大可支持320 億個節點、640 億個屬性和320 億個關系的圖存儲,并且節點中存儲了關聯邊指針,并對屬性信息建立索引,從而確保了Neo4j具有優異的圖搜索效率。通過解析工具,從IFC STEP實例文件中提取的建筑機電系統(MEP)實體關系屬性。BIM模型中提取的MEP屬性圖如圖6所示。

圖6 BIM模型中提取的MEP屬性圖

在建筑設備故障處理、客戶報定位等運維場景中,經常需要的與故障設備存在關聯性的設備或空間的關聯檢索要求,可通過Neo4j的Cypher查詢語言,實現快速的模糊查詢。

3 結 語

BIM作為建筑全生命周期的共享基礎數據源,在建筑運維階段充分挖掘BIM的數據價值,不僅使建筑設備運維管理系統的信息更加完善,系統信息的表達更加生動和易于理解,而且采用屬性圖模式對BIM模型中實體及實體關聯知識進行表達,通過成熟高效的圖數據庫產品技術,可極大地提高設備運維管理系統的信息檢索效率,為設備運維管理決策提供良好的支撐。