基于BIM的建筑運維管理系統架構設計

高琪 湯濤 琚康和

【摘 要】建筑業作為資源消耗的重要領域，服務水平的提升過程就是科學管理和高效整合的過程?；贐IM的建筑數字化技術在設計施工階段已取得一定的應用進展，但在運維階段的運用仍需加快探索步伐，從而實現建筑業運維管理向數字智能化的轉型升級。文章在對建筑運維管理現狀進行分析的基礎上，明確了基于BIM的運維系統的目標和需求，給出了3種運維系統架構的實現方式，并從開發難易程度、耗費人力成本及原始信息留存3個方面對這3種實現方式進行比較，發現利用Unity 3D引擎技術的運維系統架構優勢更大，為建筑運維及其與互聯網、物聯網、云計算等技術的深度融合提供了一定思路。

【關鍵詞】BIM技術;運維系統;數字化;可視化

【中圖分類號】F407.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0050-03

0 引言

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）這一概念最早由Eastman提出[1]，如今它的應用改變了建筑設計方法與設計思想。作為一種新的建設工程施工管理方法，BIM技術通過建立虛擬的工程三維模型，并以數字技術作為支撐，為該模型提供完整、可靠的工程信息庫，提升了工程的數據集成化程度，促進了建筑信息的交互[2]，實現施工建設由靜態向動態的轉變，大幅提高施工企業的運行效率和管理水平。

在建筑項目的全生命周期中，運維階段是項目建設的最后一個階段，涉及工種跨度大、工作內容多而雜、對管理人員能力要求高，需要耗費大量的人力、物力和財力[3]，具體工作包括日常的物業管理、有關設備的檢修維護、火災等突發事件的應急處理等[4]，可以說是整個建設周期中最重要的一環。若在運維管理中引入BIM技術，一方面可以提升投資效益，另一方面可以促進設計、施工和運維階段的信息交互，為運維人員提供一個便捷的管理操作平臺[5]。

隨著虛擬現實技術的逐步發展，國內外開始進行相關引擎的設計研發工作，其中Unity 3D技術可兼容多種格式的文件，具有綜合性強、場景真實、可視化模擬等功能，在不同的操作平臺可實現互動交流。此外，Unity 3D支持多種程序語言，擁有可定制的IDE環境，并可在多平臺發布，能滿足大部分用戶對項目的需求?？偟膩碚f，盡管虛擬現實技術在我國的應用剛剛起步，但是Unity 3D在虛擬現實領域優勢明顯，若在建筑運維管理系統中引入Unity 3D技術，可利用代碼驅動實現對建筑的可視化管理與監控。

本研究在對傳統運維方式的弊端進行分析后，整合新需求和新目標，列出基于BIM的運維管理系統應具備的功能，并給出3種運維系統架構的實現方案，通過對比這幾種方案發現，結合Unity 3D引擎的運維系統架構在各方面優勢明顯，有望減輕運維管理人員的工作負擔，提升建筑運維智能化水平。

1 建筑運維管理的內涵

建筑運維管理，是指通過對運維技術、設施設備及建筑使用者等資源的整合利用，在正常使用和管理的情形下，從建筑投產使用到使用壽命終結的過程中，為增加投資收益、降低使用成本而進行的一項綜合性管理工作。近年來，隨著城市化進程的加快，人們對建筑的使用功能追求越來越高，這對建筑運維管理水平也提出了更高的要求，運維管理也從簡單的物業管理維修逐步向智能化方向過渡。

建筑運維管理的特點可以總結為以下6個方面：①系統性。建筑運維管理涉及多個專業和內容，是一項系統性工作，需要各方的緊密聯系和通力合作，形成合力實現整體管控。②連續性。在運維管理過程中，既要考慮項目完成后的工作，還要對接前期已完成的工作，實現連續化管理。③唯一性。建筑屬性不同，運維需求也有很大差異，需根據具體要求進行針對性的設計，所以運維體系要相對獨立。④技術性。建筑結構日趨復雜，各種設備越來越先進和智能化，因此需要匹配先進技術和專業人才支撐運維工作。⑤復雜性。建筑運維管理需要充分協調建筑功能、業主需求等，需考慮的各種因素多，工作內容復雜。⑥商業性。對于建筑運維者來說，必須在一定的經濟目標下制訂管控計劃。

2 建筑運維管理現狀分析

目前，建筑運維主要采用臺賬式的管理模式，這種管理模式難以對海量信息進行有效的篩選，進而做出正確的決策分析，已經無法滿足現代化的建筑運維新需求，暴露的問題主要集中在以下幾個方面[6]。

（1）建筑數據離散碎片化，缺乏有效的互通流轉。在傳統的建筑工程交付過程中，主要是搜集海量的離散碎片化數據，將工程施工文字資料、竣工圖紙、配套竣工資料、工程影像資料等轉化為簡單的電子化數據并留存，但各方數據之間缺乏有效的互通和流轉，無法復用，給建筑運維階段的查詢利用工作帶來較大困難。因此，打破信息孤島，串聯各階段的數據信息，使建筑工程項目信息實現從設計、施工到運維階段的協同傳遞，這已成為建筑施工單位必須解決的問題。

（2）建筑內子系統相互獨立，集成化管控程度低。隨著建筑功能的不斷完善，結構體系內部的各種設備逐漸增多，并呈現出結構復雜、體型較大、種類繁多等特點，加之各系統相對獨立，彼此之間無法互聯共享，數據不能復用，這就要求運維人員必須針對各個獨立的系統進行單獨管理，會耗費大量的人力成本。因此，實現多源異構數據之間的融合互通及子系統的集成應用迫在眉睫。

（3）應急突發事件處理滯后，難以形成預警機制。當下的建筑運維模式仍以人工操作為主，由于設備數據的專業性強，而管理人員的業務水平參差不齊，不具備全局性的統籌能力，以及存在不合理的流程管控機制，從事前到事中再到事后，各類數據之間缺乏連續且有效的傳遞，因此難以快速識別異常位置，導致突發事件處理滯后，處理難度大，給人民的生命財產安全帶來極大的隱患。若轉換思路，做到事前有準備、事中緊跟蹤、事后可溯源，形成智能化預警機制，則可大大減輕突發事件造成的不利影響和損失。

3 BIM運維系統目標及需求分析

通過對傳統運維管理方式的弊端進行分析，明確了運維系統需集中解決的問題，目前非常有必要開發一套能系統、直觀地顯示建筑各部分狀態的，能對運維情況、應急處理、數據查詢等信息實現數字化存儲管理的系統[7]。結合新需求，在傳統的運維管理平臺的基礎上，配套設計的系統具備的功能如圖1所示。

（1）登錄注冊：初始用戶完成注冊后，通過賬號及設置的密碼進行系統登錄。

（2）全景展示：通過對模型操作，可完成內外部的漫游、旋轉、視角切換等3D瀏覽功能，實現對建筑全景的全方位顯示。

（3）系統監控：以動畫的方式展示模型相關信息，既可以實現靜態瀏覽，也可以完成動態漫游。

（4）查詢統計：通過設定條件，針對性地展示用戶所需信息，如BIM設備信息、建筑能耗情況和環境參數等。

（5）能耗分析：多角度顯示建筑內部能耗情況趨勢圖，通過分析數據可以更好地進行耗能管理。

（6）報警處理：對建筑運行情況進行動態監測，出現異常的部位可實時報警并精準定位。

（7）設備管理：主要包括設備的運行狀態管理及工作人員對設備的管理評價。

4 BIM運維系統架構實現方式

4.1 基于IFC格式的BIM運維系統實現架構Ⅰ

基于IFC格式的BIM運維系統架構主要基于IFC標準，一方面通過IFC數據解析器將IFC格式數據進行轉換，轉換后的數據存儲于BIM數據庫中，BIM運維管理系統可以調用數據庫中的有關數據信息，并進行整合和分類統計分析，從而實現對建筑物的實時監測控制;另一方面借助數據轉換接口，將運維管理系統整合并統計分析的數據以IFC數據格式保存到BIM數據庫中，供BIM中的建筑、結構和設備模型調用，在Navisworks中完成3D可視化及漫游等操作。

基于IFC格式的BIM運維系統實現架構Ⅰ如圖2所示，具體實現過程如下。

（1）IFC格式的數據經過IFC數據解析器轉換后，存儲于關系數據庫中，這些信息可以由運維系統調用，實現能耗分類統計與分析、設備故障診斷與報警等功能。

（2）將Revit建立的BIM模型以dwf格式導入Navisworks軟件中，實現3D可視化展示及漫游管理等功能。

（3）運維系統將統計的有關數據，經數據轉換接口，轉成IFC格式的數據保存至BIM數據庫中，并用于可視化展示和分析。

4.2 基于IFC格式的BIM運維系統實現架構Ⅱ

與第一種架構實現方式相似，同樣以IFC格式為標準，但在其基礎上引入了3D重構技術。首先，BIM數據庫利用IFC數據解析器將IFC格式數據轉換后存儲于關系數據庫中，這些數據信息可由BIM運維管理系統調用，以實現某些預設功能;其次，BIM中的建筑、結構和設備模型通過調用BIM數據庫中的數據信息，利用3D重構技術，在BIM運維管理系統中以3D形式呈現。

基于IFC格式的BIM運維系統實現架構Ⅱ如圖3所示，具體實現過程如下：？譹？訛建立BIM模型，通過編寫C#腳本代碼，利用IFC數據解析器，實現IFC格式數據的轉化并存儲于關系數據庫中，同時BIM運維系統可調用關系數據庫中相關數據信息進行預測、分析和診斷。？譺？訛BIM中的建筑、結構和設備模型調用BIM數據庫信息，引入3D重構技術，在WebGL中重新以3D形式展示。？譻？訛基于WebGL進行運維系統的開發，同時結合重構的模型，實現3D視角下高效率的運維管理功能。

4.3 基于FBX格式的BIM運維系統實現架構

基于FBX格式的BIM運維系統架構，考慮到FBX格式的模型可以有效保留BIM模型的原始數據，并能被包括Unity 3D在內的多種軟件支持，先在Revit軟件中將BIM模型導出為FBX格式，再將FBX格式的BIM模型導入到Unity 3D中，在Unity 3D中通過編寫腳本代碼，實現BIM運維管理系統三維可視化功能。此外，批量保存于Bmob數據庫中的信息，可與Unity 3D實現互聯，還可應用于工程造價預算、建筑能耗分析等。

基于FBX格式的BIM運維系統實現架構如圖4所示，具體實現過程如下：？譹？訛在Revit中，以FBX格式將BIM模型導出，最大化地保留模型的原始數據。？譺？訛將導出的FBX格式的BIM模型文件，直接導入Unity 3D中，或者經過3Dmax渲染編輯后，再輸出為FBX格式的模型文件供Unity 3D輔助使用，在Unity 3D中，通過編寫JavaScript/C#腳本代碼控制BIM行為。？譻？訛將Revit中的BIM模型數據進行格式轉換，批量存放入Bmob數據庫中，與本地數據庫可實現輕松互聯。

4.4 3種BIM運維系統架構實現方式對比

本研究從開發難易程度、耗費人力成本及原始信息留存3個方面對3種架構的實現方式進行比較。通過對比發現，前兩種實現方式在軟件開發層面較為困難，對BIM模型原始信息保留程度不高且需耗費較大的人力和物力資源，性價比不高;而基于FBX格式的BIM運維系統實現架構，充分考慮到工作難易度、經濟成本等因素，發揮Unity 3D引擎自身的優勢，使數據庫與BIM模型之間實現互聯互通，并將開發分析功能集成于一個軟件，便于運維系統實現綜合統一管理，減少一些不必要的資源浪費，這將是建筑可視化運維管理系統發展的一個新方向。3種架構實現方式對比見表1。

5 結語

對于BIM技術在建筑運維管理中的應用，本文的研究過程是一次積極的嘗試。但是，BIM技術在運維階段的應用仍處在初級階段，特別是與各種前沿科技的整合還有待進一步發掘和完善，未來仍有漫長的道路要走。隨著物聯網等技術的高速發展，將其與BIM技術相融合，并引入建筑全生命周期的運維管理階段，將有望創造更大的價值。

參 考 文 獻

[1]EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS R.BIM handbook：a guide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors[M].New Jersey：John Wiley & Sons，Inc.，2011：1-30.

[2]馬國豐，宋雪.基于BIM的辦公建筑智能化運維管理設計研究[J].科技管理研究，2019，39（24）：170-178.

[3]孫玉梅，曹思琪，唐麗萍，等.BIM技術在實驗研發中心樓運維管理階段應用的研究[J].科技和產業，2021，21（5）：289-295.

[4]胡振中，彭陽，田佩龍.基于BIM的運維管理研究與應用綜述[J].圖學學報，2015，36（5）：802-810.

[5]李華強，陳思民，李佐宇，等.淺談基于BIM的智慧運營維護[J].居舍，2021（12）：172-173，175.

[6]劉杰，唐世超，王志強.融合體驗高效——基于BIM的運維管理系統構建[J].智能建筑，2021（1）：61-64.

[7]孫曉丹.基于BIM的建筑可視化運維管理系統的設計與實現[D].北京：北京林業大學，2019.