基于BIM的大型公共建筑设备运维管理系统

董 效 东

(江苏达海智能系统股份有限公司 上海分公司,上海 200433)

0 引 言

大型公共建筑是指用于商业、办公、旅游、科教文卫、通信、交通运输等用途,单栋建筑面积20 000 m2以上且采用空调的建筑[1]。大型公共建筑中的设备运维管理活动,是依据建筑拥有者的企业发展战略规划,将建筑用户(住户、租户、访客等)对建筑功能服务的美好体验相关联,整合地点、人员、空间、资产、流程等要素的系统工程。

大型公建项目其全生命周期过程中,涉及不同建筑专业多参与方的建筑活动,大多基于二维CAD图纸和相关文档表格资料,其产生的过程信息,具有孤立、零散、信息表达不一致等特点,建筑设备运维的管理人员在使用这些信息时,需要较高的专业水平和长期的工作经验,从而导致建筑维护使用成本的增加[2]。

随着我国建筑信息模型相关标准的相继推行,建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)作为建筑全生命周期的信息化标准和共享基础数据资源,不仅在建筑项目的规划、设计、实施阶段体现出较高的应用价值,而且在建筑设备运维管理阶段,还可通过建筑设备运维管理系统软件,将BIM模型承载的建筑实体三维结构以及建筑各阶段信息与机电设备系统的实时管控场景相结合,充分发挥BIM模型在建筑运维阶段的应用价值,实现降低运维成本、提高运维效率和设备运维管理的智能化、智慧化。

1 基于BIM的大型公共建筑设备运维管理系统

基于BIM的大型公共建筑设备运维管理系统,其系统结构分为建筑现场层、数据层、业务逻辑层和系统应用层。BIM建筑设备运维管理系统如图1所示。

图1 BIM建筑设备运维管理系统

1.1 建筑现场层

大型公共建筑现场设备运维管理一般包括暖通、照明、送排风、给排水、变配电、电梯、安保、消防、停车、访客、信息发布、能耗计量、环境(室内外温湿度、照度、CO、CO2等传感设备)等机电设备子系统、设备运维管理业务涉及的人员和相关业务流程[3]。建筑现场层是包括设备运维管理系统所有现场运维数据来源和系统管理动作效果的直接体现。

1.2 数据层

数据层主要完成设备运维系统的数据统一处理和存储。设备运维数据主要通过建筑物联网(IoT)系统对各建筑机电设备系统实时采集现场设备运行工况获得,建筑几何与非几何信息,提取自建筑的BIM竣工模型[4]。这些不同来源的数据信息,依据工业基础类(IFC)和IoT系统的数据Schema,进行实体属性识别和统一编码处理,在数据层实现BIM与设备运维的信息融合。数据存储分为三维模型几何信息存储、运维管理数据存储和运维系统知识库。其中,三维模型几何信息和知识库主要通过对BIM模型实体及实体关联属性信息的提取获得,运维管理数据存储与BIM实体对齐后的设备运维相关信息。

1.3 业务逻辑层

业务逻辑层是运维相关业务逻辑与BIM信息的融合实现,对外体现为运维系统软件功能服务。基于BIM大型公共建筑设备运维系统主要有以下几方面的功能。

(1)设备运行管理。在传统设备运行工况监控功能基础上,将设备功能服务与建筑空间结合,针对建筑运营、运维管理业务对不同建筑空间(财务室、会议室、中庭、办公区域等)的个性化应用场景要求,实时调整空间内设备的功能服务(照明、安保、暖通等设备系统的启停、调节等)。

(2)设备空间定位。传统基于二维平面图确定的设备落位,无法产生设备的准确空间位置,当运维人员进行现场设备故障排查或巡检时,无法将设备与运维系统数据进行直观对应。通过将BIM模型实体与IoT设备、设备所处空间实现一一对应,运维管理系统可以三维立体视角准确、快速地显示设备所处空间位置,提高运维操作人员的工作效率。

(3)VR巡检。通过三维漫游功能,在用户自定义的设备巡检路径上,可以第一视角显示视野中设备的当前运行状态、关键参数、现场视频等信息,为运维操作人员提供全面、方便的设备运维巡检体验。VR巡检的系统界面如图2所示。

图2 VR巡检的系统界面

(4)基于知识库的故障分析。现阶段设备运维决策过程,主要基于运维人员的个人工作经验和技术水平,决策辅助信息不足,决策效果受主观因素影响较大。通过从BIM中提取建筑实体属性及实体关联关系等语义信息,构建建筑设备系统运维知识库,可为设备运维管理决策提供快速的知识检索,提高设备运维管理的智能化、智慧化水平。

1.4 系统应用层

系统应用层为系统软件功能的客户端展现。系统以数据驾驶舱形式,结合用户自身管理业务统计分析要求,将设备运维实时运行状态与建筑三维轻量化模型结合,为用户提供立体空间视角,方便用户随时洞察建筑设备运维态势。系统也支持PC端浏览器的设备运维管理三维可视化应用。借助移动设备与用户紧密结合的特点,设备运维信息可通过移动端APP将设备运维信息随时触达运维管理活动的相关人员。

2 BIM在设备运维中的应用

2.1 设备统一编码

IFC作为BIM的国际数据交换标准,IFC Schema以面向对象方式定义了建筑实体对象的数据结构,并通过实体之间继承、引用、连接、组合、包含、表示、分配等关系,构成实体建筑的数据抽象。面向建筑交付后使用阶段的建筑设备运维系统,其Schema采用面向对象方法描述建筑机电设备系统在运行管理、保修、维修、检修等运维活动中的事务数据,机电设备是设备运维系统的数据来源,如需获得更多建筑其他阶段信息(如设备铭牌参数、设备供电结构、设备作用空间等),实现设备数据与建筑三维模型的融合展示和运维业务应用,还需建立BIM机电设备实体与运维设备对象的一一映射。IFC中机电设备实体虽均有唯一标识(GUID),但其不含业务规则,无法作为一个统一业务编码规则去描述两个系统中的同一实体对象。

OmniClass信息分类体系是目前普遍应用于建筑行业的信息分类编码体系,其是以ISO 12006-2标准为基础,包含规划、设计、实施、运维及拆除的建筑全生命周期过程的信息数据。OmniClass分类采用面分法,共有15张分类信息表[5]。OmniClass建筑信息分类如表1所示。

表1 OmniClass建筑信息分类

Revit软件中已集成OmniClass分类编码,每个BIM实体均已按此标准进行了分类编码。同样,OmniClass也适用于建筑设备运维系统的信息分类编码,因此,只需在OmniClass编码上进行实例化扩展,即可实现运维系统中设备和BIM设备构件的统一编码。设备具体编码映射过程如下。

(1)对IoT系统中每个设备分配OmniClass分类码;

(2)为每个建筑空间内的设备,分配唯一数量编号;① 当一个空间中不同类型设备只有一个时,该设备数量编号为1;② 当一个空间中同类型设备多于一个时,依据设备所在空间相对坐标系下的排序规则,为每个设备顺序编号。

设备空间排序规则:按照项目正北方向,采用空间笛卡尔坐标系,左下为坐标原点,水平方向是X轴,垂直方向是Y轴,Z轴为高度值。按照构件中心点在平面笛卡尔坐标中位置,先以XY平面上严格按照从左到右顺序进行数量编号,如需要,再以XZ平面按照从下到上进行数量编号。同一空间内、同类型XY平面排序规则如图3所示。XZ平面排序规则如图4所示。

图3 XY平面排序规则图4 XZ平面排序规则

(3)根据OmniClass分类编码、设备空间排序规则、设备的附属属性(所在项目、建筑、楼层、空间等信息),确定对应的BIM构件,建立IoT设备与BIM构件的映射表。

(4)建筑设备运维系统设备的统一编码格式如下:[OmniClass分类码]-[楼层]·[空间名称]·[数量编号]。

2.2 BIM模型轻量化处理

BIM模型的轻量化处理,主要目的是为了减少BIM模型在浏览器、移动APP应用时模型的数据传输量和客户端保存的模型数据规模,以使客户端可便捷地获得三维模型建筑应用。BIM模型轻量化处理如图5所示。

图5 BIM模型轻量化处理

BIM模型轻量化处理,主要包括以下部分内容。

(1)分离模型几何信息与非几何信息。将BIM模型文件中的几何数据和占模型文件约20%～50%的非几何数据拆分,分别输出至数据层供设备运维管理系统使用。

(2 )三维几何数据轻量化处理。对BIM模型的三维几何数据,做进一步轻量化处理优化,以降低三维几何数据量,节约客户端电脑的渲染计算量,从而提高BIM模型客户端下载、渲染和功能处理的速度,采取的方案包括:采用参数化或三角化几何描述三维构件,减少模型数据规模;对构件依据运维管理业务需要,进行减面优化处理;实例化算法减少同样几何物体构件的存储量;构建符合场景远近原则的多级构件组织体系,随用户当前视点场景的远近,调整构件的细节描述。

(3)渲染处理。渲染过程可使用八叉树快速剔除不可见图元,减少进入渲染区域的绘制对象,使用多重深度模型,加速单图元渲染速度。

2.3 建筑设备智慧运维管理系统知识库

IFC作为BIM的数据交换标准,不仅包含BIM实体属性信息,还包含有各实体之间的空间关系(连接关系、组成关系)信息,通过IFC数据解析工具IFC Java Tool Box,可将IFC 实体解析成对应 Java类,实现IFC实体及属性信息的提取。将提取到的每个IFC实体抽象成一个节点,用实体所包含的引用关系(IfcRelationship)作为连接节点的有向边,并为节点和边赋上对应的属性值,即构成了一个建筑实体关系属性图模型。Neo4j作为图数据库的代表之一,就是以属性图模式进行图数据的存储和检索,其最大可支持320 亿个节点、640 亿个属性和320 亿个关系的图存储,并且节点中存储了关联边指针,并对属性信息建立索引,从而确保了Neo4j具有优异的图搜索效率。通过解析工具,从IFC STEP实例文件中提取的建筑机电系统(MEP)实体关系属性。BIM模型中提取的MEP属性图如图6所示。

图6 BIM模型中提取的MEP属性图

在建筑设备故障处理、客户报定位等运维场景中,经常需要的与故障设备存在关联性的设备或空间的关联检索要求,可通过Neo4j的Cypher查询语言,实现快速的模糊查询。

3 结 语

BIM作为建筑全生命周期的共享基础数据源,在建筑运维阶段充分挖掘BIM的数据价值,不仅使建筑设备运维管理系统的信息更加完善,系统信息的表达更加生动和易于理解,而且采用属性图模式对BIM模型中实体及实体关联知识进行表达,通过成熟高效的图数据库产品技术,可极大地提高设备运维管理系统的信息检索效率,为设备运维管理决策提供良好的支撑。