基于BIM的智慧园区设计与全生命周期应用

吕晓飞，李一聪，陈瑗瑗，王若麟，王丹丹，房晓亮，卢毓伟

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司）

1 引言

近年来，城市经济的快速发展给居民生活带来新的憧憬，新基建的推广和数字技术的进步又为这种设想的实现提供了可能与支撑。尤其在传统园区面临的设施管理问题，如设备老化、信息孤岛、人防被动等日渐突出的当下，智慧园区的概念被越来越多地提及，政府、企业、运营商均尝试用新建设理念和新技术力量重塑园区形态，进而提升园区的经济、生态与人文价值。

智慧园区本质是引入数字化技术，以数字化应用为支撑，完成数据与信息、业务、经济的融合，打破传统的数据壁垒，进而逐步实现园区基础设施、管理运营、产业发展的优化与革新。相较传统园区硬件设施相对独立、重人力运营的模式，智慧园区建设最大的改变在于从“人治”到“数智”的转换[1]，充分发挥数据的价值与智慧，用于辅助人力决策，增强园区自身主动响应的能力。而BIM技术作为数字化的关键技术，不仅可以实现基于BIM的三维可视化表达，还可作为贯穿园区全生命周期的信息载体，为园区提供全生命周期的智慧应用提供基本的信息支撑。

2 智慧园区建设要求

2.1 总体建设要求

现有园区的问题集中在园区的数字化需求和园区主体需求上[2]。一方面，对于数字化需求，园区现阶段多出于智能化的应用初期，如消防、视频、周界、停车、等领域已得到应用，但各子系统相对独立，而系统之多也给硬软件管理维护带来不便；业务应用水平较浅，也未完全得到与之匹配的智慧化提升[3]。另一方面，在主体需求上，园区从规划、设计、建设、招商、运营，历经较大的时间跨度，各阶段关注点相异。同时，还涉及多个主体：园区管委会（或政府）、入驻企业、活动个体。彼此相对独立，整体规划需综合考虑各方需求[3]。

因此，根据上述分析，现阶段智慧园区建设的基本要求有以下内容。

①以集成共享理念构建园区数字化基础设施，形成园区数字化底板。通过建设物理城市的数字孪生（digital twin），以此作为园区统一的操作系统或数字大脑，实现园区的远程感知和决策分析。

②以贯穿园区全生命周期的数字化应用为落脚点，提升园区管理和服务能力，形成涵盖不同使用群体、不同发展阶段、覆盖多种终端的数字化功能，真正赋能园区智慧。

2.2 基于BIM建设智慧园区的必要性

建筑信息模型（BIM，Building Information Mod‐eling）是工程设计与建造管理的三维可视化工具，是在传统二维CAD上的革新，具有参数化、协同性、高精度等特点[4]。BIM优势在于通过构建三维可视化的数字建筑模型，为各参与方——设计院、施工方、运营商及最终用户等提供智慧化模拟分析的一体化综合管理平台，是当下工程数字化发展的主流趋势。综合前文所述智慧园区建设的基本要求，BIM技术的应用优势主要体现在以下方面。

1）BIM是园区数字孪生建立的重要手段

园区包含多类建筑及设备，其数字镜像模型的建立离不开BIM。BIM通过参数化方式能有效地集成与存储信息，使相关权限人可对模型进行协同编辑更新，减少信息交流成本。同时，园区工程从规划阶段、建设阶段到运营管理阶段，都可以通过BIM技术进行全方位的三维可视化设计和模拟，打通了园区不同阶段之间的数据壁垒。另外，BIM高精度的三维表达方式也对园区数字镜像不同尺度下的可视化呈现及查询提供了便利。

2）BIM有助于提升各阶段管理和服务的智慧化能力

BIM技术除自身特性外，与其他数字化技术，如GIS、RFID、CE引擎、云技术的高兼容高适配性，也使得其在工程管理的各细分领域得到了广泛应用。比如，规划阶段的地质评估、方案论证；设计阶段的协同设计、工程量统计；施工阶段的施工模拟、场地优化；运维阶段的智慧应急、能耗监测等[5]。能够真正应用到贯穿园区全生命周期的多元应用，提高管理和服务能力。

因此，本文基于BIM进行智慧园区设计与全生命周期应用，通过BIM技术解决园区数字底板搭建与全生命周期数据传递问题，并结合GIS、数据分析等技术对规、建、管各阶段进行智慧化业务功能策划，对园区管理及服务提供便利。

3 总体架构设计

该项目建设方案的总体架构基于相关安全保障体系、行业标准规范体系、建设管理体系和运维管理体系进行设计，系统总体架构由物联感知层、计算存储层、平台层、智慧应用层和交互层组成（见图1）。

图1 总体架构设计图

3.1 物联感知层

该层位于总体架构的最底层，收集散布于园区内的传感器、摄像头等设备的实时信息，并通过传感器网关、网络基础设施和相关传输协议向上层输入信息，提供强有力的数据支持。

3.2 计算存储层

包括支撑平台运行的数据资源、网络资源、计算资源和存储资源，与物联感知层一起共同构成系统的基础数据与设施底座。其中，数据资源包括BIM数据、GIS数据、传感器设备接入数据和相关数据等；网络资源包括外网资源和内网资源等；计算资源包括园区私有云等；存储资源包括园区私有云数据存储平台等。

3.3 平台层

提供了微前端开发平台、后台任务调度中心微服务网关、支持移动端交互的移动应用开发平台、搭建DevOps工具提高运维管理效率，以及打造以BIM技术为核心的融合GIS的数字化集成平台。

3.4 应用层

为不同用户提供相应的业务和应用，以BIM技术为核心，构建规划BIM模型、施工BIM模型和运维BIM模型的桥梁，涵盖园区从规划、建设到运维的全生命周期功能集市。

3.5 交互层

提供与园区管委会、园区入驻企业和社会公众等各类用户交互的多端展示层。不仅满足了传统的桌面端和Web端访问门户，同时也提供了移动端和智慧大屏等多端交互接口，为各方提供服务。

4 智慧园区的应用

数据是园区未来的数字资产，发挥其价值的关键在于数据的积累和挖掘应用。基于总体架构设计，园区从规划、建设到管理的过程中，会产生海量数据，而BIM作为数据与应用的“双载体”，不仅实现了园区全生命周期的数据存储和贯通，还能结合场景构建、规划、建设和管理应用，形成一套智慧化管理模式，促进园区的全方位转型升级。

1）场景构建

智慧园区的关键在于打通全生命周期的数据通道，并构建可视化的数字孪生园区。以BIM技术为基础，打造园区规划阶段的规划BIM模型、建设阶段的施工BIM模型，以及竣工后的运维BIM模型，共同构成孪生园区的数据场景。模型涵盖园区的道路基础设施、房屋建筑、地下管网、地质岩层等，BIM模型和其存储的属性信息会根据实体园区的建设进度同步更新，使智慧园区中的三维场景与现实场景保持一致，从而贯通智慧园区全生命周期的数据，并为其应用提供场景基础。

2）规划应用

在园区的规划阶段，需要解决资源配置、设施选址、空间定位、持续发展等问题，且传统规划不能充分感知真实的三维空间环境。通过BIM技术对园区的基础设施、房屋建筑、地质情况进行三维建模，可以直观还原园区的远景样貌，评估特定区域内的空间性质及环境现状，形成空间规划方案，针对不同的规划方案进行评估与比选后，从而更加科学地为园区后续的建设提供空间规划基础。

3）建设应用

在园区的建设阶段，工程项目施工阶段生产周期长，涉及参与方多，产生信息也较多，施工阶段的大多信息都来源于工程实际情况[5]，对园区管理者工程项目管控能力的要求很高。通过深化规划BIM模型的细节，形成施工BIM模型，1：1还原工程区域施工现状，直观展示项目工程布局和进度情况。同时，通过施工BIM模型对工程量进行精准计算，由BIM模型输出工程量进行经费结算。

4）管理应用

在园区的管理阶段，传统手段、理念和工具相对单一，管理过程复杂，效率低下且成本高。施工BIM模型中已经完整记录了工程的规划、建设和竣工信息，转化为BIM管理模型后，继续为园区的管理提供更深层次的智慧化综合应用服务。BIM管理模型与物联网相结合，可用于建筑楼宇中的消防安全报警、应急逃生、视频监控、防盗报警、能耗监测、办公可视、租售统计、人流分析、设施故障报警等智慧应用；对于地下管网BIM模型，可对给排水管网进行实时监测和预警，包括水质监测与分析、爆管监测与预警、洪涝模拟分析与预测；对于道路BIM模型，可实时监测道路破损状态，自动进行报警处理和故障定位，并进行故障记录和统计，通过BIM技术进行精细化运维管控，提高工作效率，降低管理和运维成本。

5 结语

在我国城镇化加速推进的背景下，园区经济已经成为国家经济的主要承载平台与增长动力。尤其随着新型数字化技术和城镇居民需求的推动，园区的智慧化转型已是当下的重要议题。本文所构建的基于BIM的智慧园区设计方案，融合了微服务、多端集成等新一代信息技术，可成功应用于园区规划、建设和运维的全生命周期管理中，加速园区信息流转，优化园区的日常运行效率，提升园区管理人员和入驻企业的各阶段管理和服务的智慧化能力。