BIM技术在实验研发中心楼运维管理阶段应用的研究

孙玉梅， 曹思琪， 唐丽萍， 许星辰， 李月静， 邱 瑞， 谢仕丽，2

(1.昆明理工大学 建筑工程学院， 昆明 650504； 2.昆明科奥特实验室设备有限公司， 昆明 650051)

建筑全寿命周期分为4个阶段，即规划阶段、设计阶段、施工阶段和运营阶段。建筑工程项目具有施工周期长、不确定因素多、风险高等特点。因此在国内业主往往会把注意力放在建筑前期的施工阶段，更加关注建筑的造价成本情况，从而忽略了后续的运营阶段。其实，作为建筑全生命周期的最后一个阶段，运营期所涉及的时间最长。运维阶段主要为建筑本身、建筑内的人及设备的服务，内容更多，管理难度也更大[1]。因此，建筑企业必须要做好预测风险和采取有效措施管理风险的工作。

建筑信息模型(building information modeling,BIM)是在建筑工程及设施全生命周期中，对其物理和功能特性进行数字化表达，以数字化的方式进行设计、施工、运维的过程或结果。近年来，在国家政策的大力支持下，各省市都相继出台关于BIM推广的相关文件，根据住房城乡建设部关于印发推进建筑信息模型应用指导意见：到2020年末，甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。新立项项目勘察设计、施工、运营维护中，集成应用BIM的项目比率达到90%。目前中国已初步形成BIM应用标准和政策体系，为BIM的快速发展奠定了基础，BIM技术在中外建筑工程行业已成为续CAD之后第二次技术革命。

BIM作为一种应用于工程设计、建造与管理的数据化工具，可以实现建筑信息化的交互，它能将一栋建筑全寿命周期所涉及到的所有信息都集合到一起，交互共享，为建筑后续维护工作提供真实可靠的数据信息，提高运维的工作效率。从BIM模型及相关的运维管理数据库中直观、快速、全面地获取设施相关信息、文档，不需要花费时间寻找纸质资料，提高了工作效率。

1 研究流程和工作内容

该项目为实验楼改造项目，结合实验楼研发中心楼内部空间紧密，且存放多种危险的工业设施的特征，将运营阶段的侧重点放在运维空间管理上。研究流程如图1所示。主要工作内容如下：

图1 BIM技术在实验研发中心楼中的应用技术路线

1)识图，充分了解该实验楼研发中心楼目前的概况以及后续改造的情况。

2)查阅、收集类似改造项目的相关文献与资料。

3)借助Revit软件根据已有的CAD图纸，进行建筑结构、给排水及电器照明3个专业的建模。

4)模型汇总，信息整合，整理思路，寻找创新点。

5)将BIM技术与其他技术结合，实现实验研发中心楼火灾疏散模拟，实现基础运维系统建立。

2 项目概况

某城市实验研发中心楼，建筑高度27.3 m，共5层，实验室面积约4 000 m2,属二类高层公共建筑，抗震设防烈度为8度，框架结构，屋面防水等级为二级,实验室按CMA/CNAS认证的相关要求建设。项目内容包括实验室总体规划设计、功能分区、实验室装饰装修、实验室动力照明系统、实验室给排水系统、实验室废气排放系统、实验室废气处理系统、实验室实验台柜、实验室安防、网络信息系统等。研究使用Revit软件构建了研发中心楼建筑(图2)、结构(图3)、给排水、电气的BIM模型。

图2 建筑模型

图3 结构模型

3 BIM运维阶段实际应用

3.1 基于BIM模型的火灾疏散模拟

应急疏散模拟的运用将利用Pathfinder软件建立建筑物及人物模型，模拟在需要紧急避险时，对多个群体中的每个个体运动都进行图形化的虚拟演练，从而可以准确确定每个个体在灾难发生时的快速逃生路径和逃生时间。管理者可以从应急疏散的3D模拟中提前发现疏散中可能存在的危险之处，预防危险的发生，优化疏散方案[2]。

首先，将实验研发中心BIM模型导入火灾疏散模拟软件，不能导入的部分在Pathfinder中补充绘制，完成所需要的疏散构件。其次，采集分析了实际疏散人员的流量、速度、疏散时间等参数。最后，基于Pathfinder所构建的实验研发中心楼的场景模拟与实验的疏散结果，比较实验研究和模拟研究。具体实验研发中心楼火灾疏散模拟流程如图4所示。

图4 实验研发中心楼火灾疏散模拟流程

3.1.1 疏散构件设置

在火灾疏散模拟中，需要相关的疏散构件有房间、障碍物、门、楼梯、人员等。相关构件在火灾疏散的过程中，这些构件会极大地影响人员疏散，房间是火灾疏散的来源及起点；障碍物、门、楼梯都是在人员疏散过程中会影响疏散效率的物体，障碍物数量的多少及位置、门的位置及宽度、楼梯的宽度数量在火灾发生时会影响火灾蔓延的速度、人员疏散的路线及效率。因此，这些构件在火灾疏散模拟中的设置及准确仿真模拟十分重要。

实验研发中心的构件绘制中，需要绘制实验设备、实验室特殊实验室门、实验人员等。房间、门、楼梯及人员可以通过软件内置功能设置，障碍物则需间接绘制。常用的方法是使用其他构件替代，如房间内的障碍物可以通过在房间中再绘制一个房间然后删除的方式绘制，此时软件在此区域会自动扣除人员活动。

3.1.2 人员设置

不同建筑需要设置的疏散人员不同，在实验研发中心楼中，根据实验楼主要特征，主要需要设置的人员主要有3种类型，即实验研发人员、管理人员及清洁保卫人员。

3.1.3 火灾疏散模拟

实验楼一共有5层，1～5层每层在随机地点添100人，楼顶添50人，共550人，设定好人员的属性,包括身体尺寸参数、运动参数等。最快的人员1.8 s完成逃离研发中心，直到259.8 s最后一名人员才逃离研发中心，550人平均97.2 s完成逃离。其中人员最近只移动了1.5 m，最远移动了132.9 m。

如图5所示，每分钟人员逃离的数量一开始增加，然后逐渐减少，在31 s时图中斜率最大，此时每分钟人员逃离商场的数量最多。在楼内剩余人员随时间变化图中，斜率代表单位时间内楼内人员逃离的速度，斜率越大说明单位时间内人员逃离的速度越快，离开实验楼的人越多；斜率小的则说明，单位时间内离开楼宇的人数越少，疏散效率较低。178 s这一时间节点，斜率开始出现变化，由大斜率转变为小斜率。该时间节点意味着，实验楼内的人员疏散速度在触及高点后开始衰减，人员疏散基本结束，剩下的所有人都能在相同的速度下逃出实验楼。

图5 实验研发中心楼剩余人员随时间变化

3.2 基础运维平台建立

随着BIM技术、云技术、图形技术的巨大进步，建筑行业正在被工业化、信息化和智能化的浪潮席卷。近年来BIM一直是国内建筑行业的高频词，甚至被认为这将引来一次建筑产业革命[3]。

通过 BIMFACE 引擎实现模型的轻量化处理，并通过调取并开发 API应用接口，在BIMFACE提供的平台方法的基础上建立实验研发中心的简易运维管理系统。研究在Revit中将土建、结构、装修、电力、给排水等专业链接，形成完整的集成模型。BIM模型通过BIMFACE引擎在平台轻量化处理后，通过图6所示流程开发实验研发中心基础运维管理系统，并逐步完成系统功能模块的开发。

图6 实验研发中心楼基础运维系统开发流程

3.2.1 BIMFACE介绍

BIMFACE(又称BIM应用二次开发平台)，基于广联达公司多年在图形技术和云技术方面的积累,为本行业的信息化软件开发者提供了一个基础的BIM应用开发平台,其主要的能力包含以下几个方面：

1)工程文件的版本管理。一个建筑项目将有大量的设计文件(如模型和图纸),平台提供了一个大规模的文档存储引擎,支持项目文件的版本管理、权限控制、数据同步等。

2)文件格式转换。原始文件上传BIMFACE的云端服务器,由转换程序自动解析原始的BIM文件格式,包括 Revit、AutoCAD、IFC、3DMax、广联达土建钢筋算量、广联达GBQ计价文件等，不同格式的文件可以转换为统一的云端轻量化数据提供后续开发使用。

3)二维图纸/三维模型在网页和手机上浏览。转换后的文件生成了碎片化的几何数据,显示引擎通过对这些文件的分布加载,能够在网页端、手机端实时渲染出三维模型,可支持打开的最大模型超过了8 GB,且打开它仅需 20 s。

4)海量异构建筑数据的云端存储及检索。转换后的 BIM 信息,如建筑的构件信息、构件参数、房间、图纸、标高轴网等，都并存储在一个大型的云端分布式海量存储引擎中,该引擎由多种云端中间件协调组成,包括 MySQL、NoSQL等[4]。

5)基于Web的轻量化显示。BIMFACE基于 JavaScript 语言和 WebGL(Web Graphics Library，Web 图形库)技术来实现 BIM 模型的 Web 轻量化显示。基于BIMFACE 的轻量化显示方法，实现了 BIM 模型数据格式的转换和数据结构的简化，为 BIM 模型网页开发应用提供了一种解决方案[5]。

3.2.2 运维系统搭建前期准备

1)上传文件。想要在网页中打开模型，把本地Revit文件上传到BIMFACE上是第一步。

2)文件转换。上传文件成功后需要在平台发起文件转换，使工程文件在云端转换，完整保留原始信息，自动完成数据的抽取工作，实现模型轻量化。

3)获取ViewToken。后端根据相应的API接口以及FiledId获得ViewToken返回给前端。之后前端引用BIMFACE的JavaScript 显示组件库显示 3D 模型。

3.2.3 加载模型

在前期准备环节上传和转换了文件，并获取了ViewToken，但为了实现运维平台，需要使用JavaScript语言进行具体应用页的编写。此过程实现的前端及后端源代码如下：

3.2.4 运维管理功能实现

通过JavaScript语言编写，基于Web可以实现众多的功能。研究以实验研发中心楼为对象，实现了构件隔离、保存模型状态、旋转场景、播放路径漫游、剖切盒、批注、放置标签、路径动画、天气模式、喷水效果、水面效果、结合GIS加载地图、建筑热力图及剖切动画的功能。现以构件状态编辑、设备管理、空间管理及结合GIS加载地图为例展示基础运维平台。

3.2.4.1 建筑构件状态编辑

对于模型构件的浏览是三维可视化应用中最基础的能力。建筑物作为一个非常复杂的集合体，包含的构件数量非常庞杂，在运维管理过程中，为定位到重要设备的位置，突出显示关注的构件，需要对模型的显示进行一系列操作，如图7所示。在构件状态编辑中可以对构件进行构件隔离、构件定位、构件着色的功能。

图7 构件状态编辑

3.2.4.2 设备管理

实验研发中心楼设备管理是运维管理阶段中重要的环节，不仅是对常规建筑内给排水、通风、采暖、照明及消防系统设备的管理，还有对实验研究专业设备的管理，如实验室实验柜(图8)、实验室废水处理系统、实验室UPS不间断电源系统等。在系统中。设备管理系统需要包括设备的基本信息、维护信息及存储信息。在基础运维系统中，设备管理包括了设备的基本信息，包括设备名称、编号、位置、材质等；维护信息包括设备的故障信息反馈及标识、检查时间。

图8 设备管理显示信息

3.2.4.3 空间管理

基于BIM的基础运维系统中的空间管理功能可以协助管理人员对实验研发中心楼的空间进行合理分配、及时管理，以提高空间利用率，从总体规划空间使用方案，掌握建筑空间总体布局。实验研发中心楼空间管理流程如图9所示。

图9 实验研发中心楼空间管理流程

3.2.4.4 应急状态模拟

应急管理是建筑运维阶段重要的管理之一，在建筑日常运营中有发生突发以外情况影响建筑正常使用的情况，因此在突发情况下的应急管理就十分重要。针对实验研发中心楼，可能发生的应急突发事件包括火灾、恶劣天气、化学品泄漏污染、危化品爆炸、地震等情况。对于建筑来说，不可抗力因素对建筑的影响十分大。因此可以通过运维软件对建筑经历不可抗力的状态进行模拟，首先可以向用户展示不同突发事件下建筑的状态，如火灾、恶劣天气情况下建筑的情景；其次，通过模拟展示，发展建筑在这些应急状态下存在的运维管理薄弱点，针对这些薄弱点及时地进行整改；最终，制定相应的计划对策应对不同情景下的紧急状态。

3.2.4.5 结合GIS技术

BIM+GIS技术的融合应用主要通过数据融合、模型融合、应用融合、系统融合等层面来实现。在研究中，采用的方法是在BIM模型中融合GIS地图，实现两者的联动，主要实现的是数据和模型的融合。将谷歌地图中加载进运维平台，让虚拟的BIM模型能够真实地反映在地图信息中。其中难度较大的是模型坐标需要和实际地理位置数据匹配。若不能准确适配，那将GIS和BIM相结合的意义就大打折扣。

将地图载入运维平台后(图10)，还可以对载入的地图进行简单的编辑，使地图半透明、修改地图类型和隐藏地图。这些操作使运维平台功能更加多样化。

图10 在运维平台中载入GIS地图

3.2.5 在移动端查看模型

为方便实时对建筑进行运维管理，BIMFACE二次开发平台也可以通过分享链接的方式实现在移动端查看BIM模型(图11)。可以进行建筑构件的查看，这些构件信息主要是根据revit建模形成的主要构件。在移动端可以测量尺寸、模型剖切及简易的漫游。

图11 移动端查看模型

4 结论与展望

实现建筑工程的火灾疏散模拟、运维管理是在项目运维阶段结合 BIM 技术，以相关 BIM 软件为手段来实现信息化、智能化管理的过程。在这个过程中，必将极大地促进企业科技创新能力，让企业各方受益，实现绿色、智能、集约、精益的管理。让项目在运维阶段顺利地维护及运行，大幅减少资源损耗和降低碳排放，降低运行维护成本，减少浪费，保证建筑使用功能及安全。中国建筑业的建造过程已经落后于诸多行业的发展，通过智慧建造系统的构建和设计，将高新技术应用到运维阶段，可以实现建筑智慧化的改造和升级，实现绿色可持续循环的目标。

4.1 结论

1)通过火灾疏散模拟仿真发现实验研发中心楼的日常运维和消防管理中要重点注意一层的管理，可以针对一层制订更为详细的火灾疏散计划。其他楼层的消防也需要制订计划和预案。

2)采用BIMFACE平台搭建实验研发中心楼运维管理平台，对实验研发中心楼运维详细规划及模拟，实现对实验研发中心的基础运维管理。运维管理有效地提高了空间的利用率和运行维护效率、实验室等空间的利用效率，并能对其进行数字化管理，将资产信息与实验室人员配对，保障资产安全，督促实验人员保护实验财产及自身安全。通过智慧建造系统的构建，将高新技术植入智慧建造的构成，使得建筑项目实现智能、集约、精益的管理，降低运维管理成本，实现绿色、可持续发展的目标。

3)实现实验研发中心楼火灾疏散模拟、运维管理是在项目运维阶段结合 BIM 技术， 以相关 BIM 软件实现建筑信息化、智能化管理的过程。在这个过程中，必将极大地促进企业科技创新能力，让企业各方受益，实现绿色、智能、集约、精益的管理。

4.2 展望

在今后的研究中，将会基于实验研发中心楼项目继续对BIM技术智能管理展开深入的研究。

1)在火灾疏散模拟仿真阶段未考虑到实验研发中心实际人员构成，即需要将试验人员及工作人员考虑其中，并且提出相应逃生路线，以缩短逃生时间。实验研发中心楼存放着大量危险化学品及昂贵的实验器材，更应该做好火灾疏散规划及安全管理。

2)后续还会展开对于搭建同消防结合的运维管理平台研究，实现火灾疏散实时控制；将运维平台与GIS相结合，当房间发生火灾时能够快速准确地找到着火点，实时反馈建筑状态。

3)需要完善实验研发中心楼的运维管理平台。