基于BIM的运维管理研究与应用综述

胡振中， 彭 阳， 田佩龙

（清华大学土木工程系，北京100084）

基于BIM的运维管理研究与应用综述

胡振中， 彭 阳， 田佩龙

（清华大学土木工程系，北京100084）

在建筑物的运营维护阶段中引入BIM技术可以得到显著效益。尽管近年来相关文献发表数量持续增长，但目前国内外运维阶段的BIM研究与应用还处于初级阶段。为此在广泛的文献调研的基础上，从技术层面和应用层面对当前国内外BIM运维的研究和应用现状进行综述，介绍其所涉及的关键技术及相关系统研发现状，进而归纳了已经实现的各种运维功能和项目应用情况。在总结现状的基础上，最后讨论了该领域现存的挑战和瓶颈，并针对性地展望了BIM运维未来的发展方向。

BIM；运维管理；技术研究；应用项目；综述

1 概述

1.1 背景

建筑信息模型(building information model, BIM)概念由Eastman等[1]于19世纪70年代首次提出，之后便被广泛应用于土木建筑行业，正改变着整个行业的面貌。BIM技术可以用于电子设备上一个或多个准确的虚拟建筑模型的建立，支持建筑设计、结构分析和文档操作，能调和建筑全生命期的各种功能需求。建筑物的运营维护管理（简称运维管理），是整合人员、设施、技术和管理流程，主要包括对人员工作和生活空间进行规划、维护、维修、应急等管理。其目的是满足人员在建筑空间中的基本使用、安全和舒适需求。由于运维管理时间跨度大、周期长、内容多、涉及人员复杂，传统的运维管理效率相对低下。在运维管理中引入BIM技术，不仅可以满足用户的基本活动需求，增加投资收益[2]，还能实现设计、施工和运维的信息共享，提高信息的准确性，并为各方人员提供一个便捷的管理平台以提高对建筑运维管理的效率。目前，国内外有关运维阶段的BIM应用，尽管在理论研究和项目应用层面均有一定数量的研究，但总体还处于探索研究阶段[3]。

国内为数不多的BIM综述[4-5]更多地关注于设计和施工阶段，对运维阶段仅作了简单概括。相比之下，国外有关 BIM 在项目全生命期应用的综述[6-10]较为丰富，但其中专题讨论运维阶段的依然少见。此外，Volk等[11]的综述仅涉及既有建筑设备管理和拆除阶段的数据采集技术，而这只是BIM运维应用的一部分。美国一些大学分别提出了运维阶段信息标准[12]，其各有特点但离统一标准还有距离。文献[13]给出了各国BIM应用的比例数据，但主要是针对BIM的总体应用情况，并没有具体细分至运维方面的统计结果。可见，国内外尚无专题总结BIM运维技术和应用的文献。鉴于以上研究现状，需填补国内外针对运维期BIM技术现状的综述文献的空白。

1.2 文献数据分析

截至 2015年 4月，在中国知网(CNKI)[14]、Engineering Village数据库(EV)[15]和Web of Science数据库(WoS)[16]中对各类运维期BIM文献检索结果如图1所示，BIM运维研究近年持续增长，尤其在2011年之后呈现高速增长态势。

进一步在WoS库中检索全部BIM相关文献，按运维期和非运维期进行分类比对，结果显示为图1的柱状图和右侧坐标。由两部分各自占有的柱状图面积可看出，运维期的研究总数仅占全部BIM研究的很小比例，可见目前BIM主要应用于非运维阶段，而运维阶段应用占比很小，但其比例逐年上升，由2008年的6%升至2014年的18%。说明本领域的关注度和研究成果正在显著地提高。

图1 各数据库中的文献数量

1.3 综述内容

本文考察了近百篇有关BIM运维的研究文章，其中2010-2015年发表的文献占绝大多数。国内文献报道的研究内容主要集中在整合人员设施、对建筑空间进行维护管理、建筑安全等；国外关于BIM运维的研究相对较多，然而其研究对象仍有限地集中于基于模型的设备管理和能耗监控。对于项目后期的BIM应用，成功的应用案例几乎没有，目前无论是设计还是施工单位都难以完全实现将信息模型有效地移交给运维单位继续使用的目标[17]。文献[18]通过专家访谈和问卷调查得出了BIM在运维管理领域实践的现状，列出了十几个方面的应用点，其中“构件和设备定位”、“获取设施实时数据”和“3D可视化”的需求占前3位，而其他需求项也有较高的得票分，可见BIM用户对运维功能的需求是多方面的。

本文从技术层面和应用层面对文献进行分类。前者列举和总结了 BIM在建筑运维期涉及的关键技术；后者则总结了已经实现的主要功能，并考察概括了各种运维系统和项目应用。在此基础上讨论了文献现存问题和BIM运维的发展方向。

2 技术层面

BIM具有集成化管理的特征，符合全生命期管理的要求[19]，将其应用于运维管理所涉及的关键技术较多，相关文献如表1所示。

表1 关键技术及文献报道

2.1 数据标准与模型详细程度要求

BIM作为单一的数据源，必须符合某些数据标准，以便于可根据需求定义统一的数据结构，将信息模型与运维管理系统整合，向决策者提供便捷的数据入口。同时，数据标准将扮演集成系统的核心部分，作为建模的依据和使用数据的指导。应用BIM技术对既有建筑进行运维管理时，防火、能源、电气、空间管理的信息需求是多样的[20]，各类BIM标准应提供建模过程所需的组织结构。现行的相关标准主要有：

(1) 工业基础类(industry foundation classes, IFC)系列标准：包括 IFC、国际字典框架(international framework for dictionaries, IFD)、信息传递手册(information delivery manual, IDM)和模型视图定义(model view definition, MVD)，均是BuildingSMART(原 international alliance for interoperability)组织制定的标准[21]。IFC旨在提供建筑项目全生命期的统一数据交换标准，目前已被BIM软件广泛采用，是目前BIM信息交换的唯一国际实施标准。IFD是面向建筑工程领域的语言无关的术语库，并提供了将信息与分类系统、信息模型、对象模型和过程模型相关联的机制。IDM提出一种通过过程建模，识别某一特定交换流程中信息交换需求的方法。MVD是针对业务流程和交换需求，用特定格式定义的IFC大纲的子集。国外有文献提出以IFC架构为核心的思路，引导研发人员运用IFC来开发不限平台、不限机器、不限数据来源的通用软件[22]。Lucas等[23]依据IFC提出了一种面向对象的信息模型。以IFC为基础数据格式的应用案例见3.3节。

(2) 施工运营建筑信息交换(construction operations building information exchange, COBie[24])标准：是服务于已建成建筑运营和管理的信息交换标准，一般要求自建筑全生命期初期的概念设计阶段应按照COBie等标准定义模型[25]。COBie于2007年由美国陆军工程部队提出，并分别于 2011年和2014年被批准成为美国和英国的国家BIM标准的一部分。Koch等[26]在开发室内信息系统时介绍了COBie的应用现状。应用COBie的案例如建立交付模型视图[27]及在面向物业管理的可视化技术中作为数据源[28]。

(3) OmniClass(OCCS或OmniClass construction classification system)标准：是一个设备全生命期的信息分类标准，作为组织、排序、搜索信息的手段。其所包含的 15个不同建筑信息的分类表格，目前在官方网站上由来自世界各地的建设行业志愿者进行维护[29]。有学者研究基于设备管理对结构安全性响应的复杂性，再根据OmniClass创建了一种规范化的损害性数据结构用于安全监测[30]。

(4) LOD(level of detail)：指建立BIM模型的详细程度，未作为标准出现，但也是一个重要的概念。在COBie标准文档[24]中有规定技术设备的LOD。由于运维功能的复杂性，面向运维需求的模型应具有高的LOD[11]，文献[31]分析了LOD对建模时间和准确度的影响。

2.2 信息集成

目前已有较多的研究着眼于 BIM对运维期信息的集成和管理，事实上信息集成技术可以大大改善传统的作业形式。早期有研究[32]对比了传统的竣工文档交付方式和利用BIM自动生成文档的方法，并推断以后将实现竣工文档交付全自动化。Becerik-Gerber等[18]提出金字塔形状的数据结构形式，并明确了项目各参与方提供数据的职责。陈沉等[33]研究了基于同一数据平台下的信息模型如何从设计单位无缝传递给施工单位和业主单位。文献[22, 34-35]深入利用IFC研究了基于本体的建筑信息管理方式，这也是目前国内外BIM应用研究热点之一。好的信息集成能够最大程度利用信息模型，但同时也是应用的难点。

2.3 应用框架研究

传统的以文件（纸质或电子版，文本或图纸）为主要媒介的运维管理流程需要大量的人工，且出错概率较高[36]。为了解决此问题，需要探索在整个项目中实现BIM的全生命期应用模式。有一些学者对BIM应用的整体框架做了研究，例如，文献[37]提出安全和结构监测、机电设备、机场模拟优化等 3个典型研究框架，并应用于桥梁和大型公共设施。文献[38]提出了建筑知识建模的概念，并将其与 BIM技术结合应用。文献[39]介绍了机电设备信息模型在集成化设计和减少对人和环境损害的作用。文献[40]指出建筑信息的分散和缺少统一的预测分析工具是优化复杂建筑物性能的阻碍，进而提出一种结构化和定量化的框架来评估建筑性能，并以数据标准为基础实现 IDM，从而支持MVD。这些研究中，有不少文献提出了BIM 技术对传统应用流程的改进方法，均取得了良好的效果。

2.4 传感器与无线射频识别

传感器与无线射频识别 (radio frequency identification, RFID)技术广泛应用于构件识别、设施定位等数据的获取，可支持运维管理的数据需求。传感器和RFID技术应用相对较早，通过多种自动化技术，能实现与BIM模型的集成，为构件识别、室内定位、人员逃生等提供良好支持。例如，有学者从现有RFID的报道进行技术评估，研究RFID与BIM技术整合的思路[41]。也有研究综述[42]分析了运维期数据收集的任务类型，总结了一些文献所报道的方法和技术。Liu和 Akinci[43]及Hammad和Professor[44]分别提出了RFID与BIM数据库的联系模式。Krukowski和 Arsenijevic[45]讨论了基于 RFID的人和设备定位技术 。这些研究多以方法为主，也提出了在运维数据提取方面使用 BIM 模型的手段，其中少量文献[43, 45-46]报道了原型系统开发，涉及到将传感器技术作为重要的辅助工具。

3 应用层面综述

3.1 系统架构与开发

理论上，运维BIM完整存储了建筑的所有设计和施工数据，而为了更直观方便地应用运维BIM，需要开发相应的应用平台和系统。BIM运维系统可提供给运维单位一个可操作BIM数据的界面，同时便于在整个运维阶段实现设备信息、安全信息、维修信息等各种数据的录入，在此基础上，用户能够以一种宏观到微观的效果使维护人员能够更清楚地了解设备信息，同时以三维视图的方式展示设备及其部件以指导维护人员的工作，避免和减少由于欠维修或过度维修而造成的消耗[47]。充分发挥BIM技术的优势对于提升运维管理系统的技术水平乃至运维管理的水平都具有重要的意义。目前，用于运维管理的BIM平台系统主要有3类：①直接应用商业软件产品；②基于商业软件进行二次开发；③研发具有自主知识产权的平台系统。系统开发和项目应用文献如表2所示。

3.1.1 商业软件产品

目前较为广泛使用的商业运维管理软件有Archibus和Allplan Allfa。

Archibus是全球占有份额最高的运维管理软件，可以提供集成化的管理解决方案，组织各参与方的协同，适用于房地产、公共建筑、设备管理等应用场合。Archibus覆盖运维管理的大多数功能，如财产租赁管理、空间计划、维护维修管理、设备状态评估等。目前这款软件已广泛运用于世界各地的项目，涉及约700万从业人员[48]。然而，此产品目前尚不能和BIM模型很好地结合，主要采用基于平面数据的运营管理模式。

Allplan Allfa是德国Nemetschek公司Allplan系列的产品之一，提供综合的计算机辅助建筑设备管理功能[49]。软件的功能有数据标准化的信息管理、空间管理、设备文档管理、暖通和防火预警等。相比于ARCHIBUS，Allplan Allfa的优势在于该公司旗下已有一套基于BIM技术的系列软件，覆盖了设计、施工和成本管理，可以完成一定程度的信息集成，更符合BIM技术的理念，及全生命期管理的要求。其不足主要是功能不够完善，覆盖面较低。

3.1.2 二次开发

尚有一些基于国外商用软件进行二次开发的运维BIM系统，涉及到Autodesk Design Review[50]、Navisworks[51]、Revit[38]等软件。相关文献如表2所示。系统所采用的平台有BS（浏览器-服务器）架构和CS（客户端-服务器）架构，文献大多给出了基本功能的测试，也有一些应用案例。综合来看，二次开发的系统可以利用已成熟的界面和图形平台，开发周期短，基本可以满足一般工程的需求。但由于其软件架构于商业软件之上，因此无法控制其数据核心的存储与管理，在性能和功能扩展上均会受制于所选用的软件产品平台。

3.1.3 自主研发平台

相比基于商业软件进行二次开发的系统，自主研发的运维平台实现的功能更为具体化，应用的项目也更为多元化。选择自主研发系统通常是考虑利于从底层进行扩展和维护，实现性能的逐步优化，同时也可以摆脱商业软件的束缚，故系统的开发可以遵循多种思路。然而，由于本领域的研究相对不足，距离功能完整的系统尚有一定的差距，目前开发成功的一些系统大多针对运维的某一个或几个特定领域。典型的平台如基于BIM的机电设备智能管理系统BIM-FIM[52]，该系统实现MEP（机电设备）安装过程和运维阶段的信息共享，及安装完成后将实体建筑和虚拟的机电设备信息模型(MEP-BIM)一起集成交付给业主；同时加强了运营期MEP的综合信息化管理。

3.2 实现的功能

运维管理的主要任务是实现设备、能源、安全、物业管理等多方面功能。将BIM运用到运维管理上可以得到明显的效益。所考察的文献中，有相当数量包含了具体功能的实现和应用描述，归纳至表3。

表3 运维功能及相关文献

其中，有学者总结了一些建筑能源管理工具，认为 BIM在能耗管理和建筑监测应用中已经有成熟方法，但仍需进一步与IFC和多种工具整合，以实现更为大型建筑的应用[53]。Clarke等[54]讨论了建筑环境能源效率的作用，并结合英国建筑业指出了提高能源效率的需求和实施方案。文献[55]讨论BIM技术在建筑节能领域中的各类应用，提供一个全新的角度来探索建筑能耗管理。在室内公共安全研究领域，最新的成果研究了在BIM模型中实现防火安全和应急疏散[56-58]。除了2.4节讨论的传感器和RFID技术，还有研究提供了一系列数据自动化的功能，如模型数据汇总分析[59]、材性参数自动匹配[60]、激光扫描自动增补模型[61]等。在桥梁工程方面，有学者给出了一些工程应用实例[62]，或提出一个辅助桥梁运维期管理的 BIM 系统框架[63]。香港房屋署利用BIM模型进行设施管理的研究，直接服务于业主和物业人员[64]。这些应用拓展了 BIM 运维的功能和实现的思路。

3.3 应用项目

将BIM技术应用于实际项目的过程中，不少研究团队进行了有益的尝试。本文考察了 21个应用项目见表2。其应用领域除了传统的民用建筑物，尚有大型公共建筑[51,65-66]、城市轨道交通[67]、桥梁[68]、机场航站楼[69]等。此外，3个项目应用了IFC语义方法，将建筑全生命期的各方整合进入统一的协作平台，实现了全生命期信息的协作管理[22, 34-35]。

4 讨论及展望

随着BIM技术对运维管理效益的不断体现，业主和相关从业人员对BIM技术的不断探索，许多研究者做出了技术上的贡献，并在应用层面也取得了一定的成果。

运维阶段BIM技术的研究，为所需功能的实现打下了坚实的基础。数据标准的建立给出了获取模型信息的基础，为运维管理者提供标准化的数据存储和共享方式，同时作为建模的依据和使用数据的指导，在很大程度上提升了管理的效率和集成度。信息集成和应用框架研究则从方法论层面的角度，为如何在运维期实现 BIM的最大化应用提供了有价值的指导意见。传感器和RFID亦成为获取运维信息的重要硬件和软件技术。同时，为了更方便地利用BIM，目前已开发了各种架构的应用平台，实现的功能涉及众多方面，也为运维管理人员提供了直观的操作界面和功能模块，在多种形式的应用场合取得了满意的效果，可见BIM在运维阶段表现出很大的应用潜力。

在上述调研中发现，相较于设计和施工阶段，BIM技术在运维阶段的应用总体还处于初级阶段，既表现在成熟的商品软件或工具较少且应用普及度较低，也表现在国内外科研院校对其研究的深入程度不足和缺乏成熟规模的应用案例。其原因如下：

(1) 数据基础不足及相应标准不够完善。对于既有建筑，缺乏模型；对于有BIM应用要求的新建建筑，数量很少且缺乏完善的竣工BIM交付标准。此外，关于数据监测方面还缺乏相应的数据标准，且在信息交换时，所遵循的开放标准对实体存储模式不直观。如果不具备较强的专业知识背景，用户很难理解这些数据的含义，因此无法充分利用信息。这些问题导致作为BIM应用基础的信息本身达不到应用的要求。

(2) BIM运维管理应用需求不明确。传统的运维管理系统包括办公自动化、基于图表文档的管理平台、监测自控系统等，均自成体系，应用模式根深蒂固难以改造。而基于BIM的运维管理难以与已有运维系统区别和定位，加之贯穿全生命期的BIM应用项目，大量仍在设计或建造阶段，应用需求不明确，导致BIM运维价值点体现得不够充分。

(3) 缺乏合适的 BIM 运维平台系统。当前的BIM运维系统，基本只能满足模型及信息的查看，其扩展的功能也大多不属于运维管理中的必要需求，导致哪怕施工方建立并交付了竣工BIM，运维管理方也不愿甚至无法应用。

(4) BIM运维基础技术架构仍有欠缺。运维阶段长达数十年，对于如何持续准确地获取运维相关信息，例如监测数据、维护维修记录等，需要突破以往 BIM研究和应用中所侧重的“人工建模”的数据录入方式，实现自动的或更符合运维操作管理的信息集成。此外，对于这期间所产生的海量数据，需要有合理高效的平台（如云计算平台等）进行管理和相应的技术（如数据挖掘等）进行处理。这些技术架构涉及到已有的成熟自动监控系统（如建筑自动化系统BAS等）、新兴的云计算平台、物联网技术、数据挖掘和大数据技术等，目前还没有完备的经过验证的整体架构，需要进一步研究和探索。

(5) 技术手段与管理水平不匹配，需求不平衡。运维管理对象可能是宏观的整体建筑或其中的某个子系统，也可能是具体的某个建筑设备或内部的个人，这就需要管理系统在技术工具的支持下，打通宏观和微观等多层次的管理需求。目前的BIM应用几乎不同时考虑宏观和微观的管理需求，因而也无法提供相应配套的工具模块。而现代化的管理需求，对于工具平台的易用性和便捷性也提出了很高的要求，如何实现海量信息数据和轻量级终端平台（如智能手机或平板电脑）的结合，也面临着巨大的挑战。

针对上述问题，展望BIM运维的发展，将包括但不限于以下几点：

(1) 基础技术和相关标准的深入。由于运维期BIM相关的数据和技术标准均不完善，还需要继续研究数据存储标准和应用框架的实现，并诉求于进一步的工具整合。此外，仍需构建与本体论、语义挖掘、人工智能、移动互联网、物联网、云计算、大数据分析等关键技术集成的 BIM应用模式和技术框架。

(2) 宏观管理和精细化管理的功能结合。面向实际的运维管理需求，以及管理工具的发展，BIM技术将会与地理信息系统(geographic information system, GIS)技术进行深度融合，应用于运维管理。其中，GIS宏观模型为区域管理、系统宏观平面化管理、房间管理等提供基础；BIM精细化模型则应用于设备设施管理、系统逻辑、维护维修管理和应急管理等。

(3) 信息管理和信息应用的集成与融合。以传感网络为基础的物联网技术，结合建筑自动化中的监控系统，将为信息的持续自动获取提供途径；以云计算平台为支撑的信息管理机制可以提供 BIM大数据的高效存储与管理，解决BIM信息管理中的集成、提取和共享等问题；以应用需求为推动的功能创新作为信息应用的表现，将是BIM运维技术推广的真正原动力，这些应用包括系统逻辑、维护、维修、巡检、能耗、安全、应急、逃生等。

(4) 动态监测和实时评价的工具整合。运维管理的目的是使建筑物的安全和使用性能满足内部人员的需求，需要运维管理平台能提供建筑实时状况的分析、表达、控制和反馈。在运维BIM中通过自动化系统、模拟和预测分析工具[40]、虚拟现实和增强现实技术、以及无线传感和智能控制技术，可以实现建筑性能的动态监测、实时分析和可视化展现，进而辅助快速决策、保障人财安全、优化建筑物性能。

(5) 智能建筑与生态建筑(bio-building)。BIM本身负责海量信息的管理和共享，而人工智能技术则将应用这些信息进行分析，产生“智能”。两者结合即支撑了智能建筑的概念，进而实现智慧小区、智慧城市乃至智慧地球的远景应用。这需要进一步研究 BIM 与数据挖掘和机器学习的结合[86]，目前已报道了少量运用实例[87-89]。此外，在建筑中加入目前主流的环保元素如绿色材料[90]、低碳能源等，以及模仿生物对自然环境的适应，如温度过高启动自动降温措施等，则可进一步实现生态建筑。

5 总 结

近年来业界对BIM运维的关注度不断地提高，相关文献发表数量持续增长，尤其在 2011年之后呈现高速增长态势。本文考察了近百篇有关BIM运维的研究文章，从技术层面和应用层面对文献进行分类和总结，列举了BIM在建筑运维期涉及的关键技术，总结了已经实现的主要功能，并考察概括了各种运维系统和项目应用。这些研究对于完善建筑全生命期管理，实现BIM价值最大化，推动运维管理的进一步发展等方面具有重要的意义。本文最后还讨论了BIM运维现存的问题和今后的发展方向。未来的研究若能解决这些问题，突破这些核心技术和管理障碍，将优化运维管理流程，带来很好的效益。基于上述综述与讨论，可以认为运维阶段的BIM应用总体还处于研究的初级阶段，面临诸多挑战和瓶颈。尽管如此，其进一步发展与推广的潜力巨大，作为建设领域第二次信息革命的BIM技术，在运维管理中必将发挥更大的作用。

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A Review for Researches and Applications of BIM-Based Operation and Maintenance Management

Hu Zhenzhong, Peng Yang, Tian Peilong
(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Introducing BIM into building operation and maintenance management (O&M management) has significant benefits. Though the number of related literatures keeps increasing in recent years, current domestic and foreign researches and applications on BIM-based O&M are generally in the exploratory stage. Based on a broad literature survey, this paper reviewed domestic and foreign BIM-based O&M researches and applications from the perspective of technology researches and application projects. Relevant key technologies, research status and related system developments were introduced. The functions and project applications were then summarized. Finally the challenges and bottlenecks for BIM-based O&M management, as well as an outlook for future researches were discussed.

BIM; operation and maintenance management; technology research; application project; review

TU 17

A

2095-302X(2015)05-0802-09

发和项目应用文献应用类型 系统类型 文献编号民用及公 商业软件产品 [62, 66, 68, 72, 73]共建筑 二次开发 [38, 50, 51, 74]自主研发平台 [22, 23, 34-36, 46, 52, 65, 75]其他设施 自主研发平台 [67, 69, 76]

2015-05-21；定稿日期：2015-07-21

国家高技术研究发展计划项目(“863”计划，2013AA041307)；国家自然科学基金资助项目(51478249)；清华大学-广联达BIM联合研究中心研究基金

胡振中(1983-)，男，广东惠州人，副教授，博士。主要研究方向为建筑信息模型与数字防灾技术。E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn