基于BIM 的机电设备应急管理系统总体设计

何 波 张家立 陈 强 邓焯彬

(1.广州优比建筑咨询有限公司，广州510630;2.广州南方建筑设计研究院，广州510640)

1 引言

我国既有的建筑面积已近达400亿m2，根据国家统计局公布的数据，从2000年至2010年全国商业地产投资额以每年平均大约15%的速度增长，原有的商业地产企业增加商业地产投资，许多住宅地产企业开始逐步向商业地产转型，金融、保险及央企进入商业地产投资领域，大量的商业企业也开始进军商业地产的投资，房地产企业的投资组合中，持有型不动产所占比重越来越大。

随着大型商业和公共建筑物的急剧增多(图1)，这些大型建筑物机电设备的正常运作给运维管理带来新的要求，因为机电设备故障是无法避免的事实，一旦发生机电设备出现问题，如何快速确定故障点，如何在最短时间内修复故障，如何在修复过程中把故障带来的影响降到最低，如何对维护维修人员进行紧急情况下的模拟演练，当遇到紧急情况下能快速、安全地处理事故，是大型商业和公共建筑物机电设备应急管理需要解决的问题。

图1 2013年全球竣工的最高的20座建筑(图片来自CTBUH)

基于BIM技术的机电设备应急管理，有以下优势:

1)BIM的可视化非常直观，可极大地降低普通保养维修人员对于各类机电系统的理解的难道，几乎可以不用查阅专业的图纸就可以直观判断机电系统的位置和关系，降低物业管理的成本;

2)BIM的竣工模型可以做到比较接近现实，除了已经包含了设计、施工以及建设过程的变更等信息外，同时再补充和持续更新运维管理所需的信息，为今后物业持续的运维管理提供丰富的数据查询和利用;

3)利用BIM的机电管线上下游关系，快速定位故障点的控制设备，极大地提高应急响应的速度，提供物业管理的质量和客户满意度。

2 实现方法分析

虽然基于BIM的机电设备应急管理系统有众多的优势，但由于BIM信息集成了三维可视化信息、属性信息和设计、施工、运维等各类附属信息，信息量巨大，模型可视化要求高，因此，选择一个切实可行的技术路线非常关键。

较早看到具有一定影响力的BIM运维应用资料是澳大利亚Cooperative Research Centre for Construction Innovation(合作研究中心之建筑业创新研究计划)在2007年发布的《Adopting BIM for facili-tiesmanagement－Solutions for managing the Sydney Opera House，BIM设施管理应用——悉尼歌剧院运维管理解决方案》[1]，其中主要的技术方案是“Bentley+Maximo”。

2013年出版的由Paul Teicholz编写的《BIM for Facility Managers，设施经理 BIM 应用》[2]一书选录了6个BIM运维管理应用的案例，主要技术路线是“BIM建模软件+现有设施管理软件”，前者包括Revit/Tekla/CADpipe/CADduct等，后者包括 FM:Systems/Maximo/ArchiBUS等，主要工作内容包括两部分:首先是如何把BIM模型信息交换给运维管理软件使用，其二是改造或提升现有运维管理软件的BIM能力。

清华大学张建平教授团队和中建三局一公司合作基于基础图形引擎开发了“基于BIM的机电设备智能管理系统”[3]并在深圳嘉里中心二期等项目(建筑面积10万m2)中应用。上海建坤信息技术有限责任公司尝试在原有IBMS系统上进行改造升级用于上海中心项目(建筑面积58万m2)的运维管理[5]。

与BIM在设计和施工阶段的应用比较，BIM运维的应用无论是项目数量和类型、技术应用深度和广度、还是从事的团队和人员数量都还存在相当大的差距，因此其成熟度也自然远远不如设计和施工阶段的BIM应用。从上述为数不多的案例可以发现，不同的团队正在尝试不同的方法进行BIM运维管理方面的探索。那么，基于BIM的运维管理目前都有哪些可能的实现方法呢?下面是作者根据个人理解梳理的BIM运维管理实现方法图(图2)(数据库等已经普遍使用的实现方法不在本文讨论范围)。

首先可以把基于BIM的运维管理技术实现方法划分为两大类，第一大类是利用或改造升级现有运维管理软件，把BIM模型数据转换给运维系统使用，减少运维系统数据准备的工作量以及由此带来的可能错误;第二大类是重新开发基于 BIM的运维管理软件。

图2 BIM运维管理实现方法图

现有运维管理软件分为国外软件和国内软件两类，根据美国 Software Advice(http://www.softwareadvice.com)[6]的资料，目前国外各类有实际市场应用的 CAFM(包括 CMMS，BAS，EAM，DMS等)软件有200种左右，其中ArchiBus和Maximo在国内的知名度相对高一些，但实际用户数量都不大;国内运维管理方面的软件基本上也可以分为两个类型，一类是以OA或ERP为核心功能的，另外一类是以BMS为核心功能的，这两类软件占据着国内运维管理软件市场的主体，但厂商和产品数量相当庞杂，市场集中度不高。

重新开发基于BIM的运维管理软件的方法也可以分为两种类型，其一是基于基础图形引擎如OpenGL进行开发，其二是在成熟的专业应用引擎上进行开发，目前比较普遍的有仿真引擎、游戏引擎和BIM引擎等。

表1 基于BIM 的运维管理软件实现方法分析

既然BIM运维管理有这么多不同的实现方法可以选择，那么大家自然想知道具体实施的时候到底应该使用哪种方法呢?这个问题没有标准答案，与项目特点、运维需求、软硬件和人员现状、计划投入以及未来目标等都有关系，需要根据实际情况进行分析和决策。作者对影响上述实现方法选择的有关指标进行了一个基于我们理解的列表(表1)。

上述BIM运维管理实现方法的分类和不同实现方法有关指标的分值只是我们对这一领域现状的理解和分析，其系统性、全面性、准确性等都有待更多的读者、专家和同行补充、完善和更正。

3 系统总体设计

基于上述分析、研究和测试评估，在目前的软硬件条件下，我们选择了Autodesk NavisWorks作为运维管理范畴中的建筑机电设备应急管理系统的BIM平台，后台数据库采用Microsoft SQL Sever，利用Microsoft.NETFramework进行开发，架构图如图3。

图3 系统架构图

Autodesk NavisWorks对于三维模型整合以及可视化技术积累20余年，具有行业领先的模型优化展示技术，在普通的PC机上即可实现超大规模模型的漫游浏览，该产品早年主要应用于大型复杂的石油、化工、发电厂等三维管道工厂项目(图4)，2007年被Autodesk公司收购后，应用领域进一步扩展，是目前应用比较普遍的建筑工程、基础设施、石油化工等大型BIM模型整合(支持超过50种的三维模型格式)和漫游浏览平台。我们基于专业应用引擎NavisWorks开发了“基于BIM的机电设备管线应急管理系统”，并在武汉国际博览中心展馆(建筑面积45万m2，该项目为华中科技大学BIM工程中心和广州优比建筑咨询有限公司联合服务项目)中应用。

图4 化工厂NavisW orks模型

该系统主要实现如下功能:

1)展馆虚拟漫游(图5)

图5 系统虚拟漫游界面

可以在三维场景中实时漫游，方向角度完全自由掌握，这种仿真漫游能让操作者置身其中，更直观更方便地观察相应设施。

2)机电设备信息、相关文档资料查询(图6)

图6 选中的设备其关联信息、资料文档查询

选择任意的对象构件，可查看其相关文档信息，如验收报告、产品规格书、维护手册等，极大提高信息查询的效率。

3)利用二维码实现设备与模型定位(图7)

图7 利用二维码实现设备与模型定位

利用手持设备扫描粘贴在机电设备上的二维码，快速定位到相对的BIM模型。

4)故障设备的上游控制设备定位(图8)

图8 (a)故障设备

图8 (b)上游控制阀门

一旦选中故障设备，系统自动显示上游的控制设备所在的位置，以及该设备控制的区域，为维修提供决策依据和帮助。

5)维护保养记录和查询(图9)

图9 维保记录查询

辅助记录维护保养的时间、设备状态等维护保养相关信息，自动提醒下次维护保养的时间，统计按时进行、未进行维护保养等信息。

通过实际项目测试，对于建筑面积45万多m2，BIM总构件对象44万个，其中机电对象23万个这样的项目，在以下软硬件配置下实现了良好的运行性能:

1)操作系统:Windows 7 64bit;

2)CPU:Intel Core 2 Quad 2.8GHz或AMD Athlon X4 955或更高;

3)内存:8GB;

4)硬盘:12GB可用空间;

5)显卡:Nvidia 260GTX 896MB或ATI 5770 1GB或更高;

6)双屏显示:1920 X 1080 VGA显示器。

机电设备应急管理系统还有一个关键技术是快速搜索机电设备上下游关系，以便能迅速定位控制故障设备的上游控制设备。通常BIM建模软件具备构件对象的连接关系信息，但管道内流体的走向，也就是上下游的关系，就要视软件的功能和建模者是否有定义，因为有些BIM的应用例如机电管线综合主要是解决机电管线排布问题，为此应用建立的模型就未必带有上下游的关系信息，有些BIM建模软件还不具备这一功能。所以我们在该系统中还设计了机电设备管线上下游管线重建的功能，在BIM模型转换到该系统时可以再重建(图10)。

图10 机电设备上下游关系

基于BIM的机电设备应急管理系统目前还都处于探索阶段，需要解决的核心问题是超大BIM模型的实时漫游、机电设备快速检索、定位，上下游设备管线等。有关基于BIM的机电设备应急管理系统的关键技术和软件实现方法将在《基于BIM的机电设备应急管理系统关键技术和软件实现方法》一文中叙述。

[1] Cooperative Research Centre for Construction Innovation，Adopting BIM for facilities management Solutions for managing the Sydney Opera House，2007.

[2] Paul Teicholz，BIM for Facility Managers，2013.

[3]胡振中，陈祥祥，王亮 等，《基于BIM的机电设备智能管理系统》[J].土木建筑工程信息技术，2013，5(1):22-26.

[4]广州优比建筑咨询有限公司，《优比BIM建设项目设备管线应急维护管理系统》，软件著作权申请资料，2011.

[5]葛清等，《BIM第一维度——项目不同阶段的BIM应用》，中国建筑工业出版社，2013

[6] http://www.softwareadvice.com.

[7]何波，《大型项目BIM模型组织方法与实践》[J].土木建筑工程信息技术，2012，4(4):7-14.

[8] 何关培谈 BIM 博客，http://blog.sina.com.cn/heguanpei，2009-2014