BIM智慧运维技术与应用

第１章　绪论 本章主要概述建筑运维、建筑信息模型（building information modeling，BIM）智慧运维的概念及其发展趋势，分析建筑智慧运维技术研究现状，讨论BIM在建筑运维中的主要应用维度，剖析建筑智慧运维的技术挑战与发展趋势。 1.1建筑及其运维 1.建筑及其运维的重要性 1）建筑的概念与作用 建筑是支撑人类社会存在与运行的关键基础设施。其与人类的生活、工作密切相关，人类每天都在与建筑进行着各种形式的交互，如开门、开灯、开会、上课、学习、就餐、工作、休息等各种活动几乎都离不开建筑。那么建筑的概念与内涵是什么呢？一般认为，建筑是建筑物与构筑物的总称，是人们为了满足社会生活需要，利用所掌握的物质技术手段，运用一定的科学规律和美学法则创造的人工环境。供人们进行生产、生活或其他活动的房屋或场所称为建筑物，如住宅、医院、学校等；人们不能直接在其内进行生产、生活的建筑称为构筑物，如桥梁、堤坝、水塔、纪念碑等。从广义上讲，建筑既表示建筑工程的建造活动，又表示这种活动的成果。 从本质上看，直接或间接地服务于人是建筑的基本特征。建筑主要有如下功能作用。 （1）服务人的生理要求，如通风、采光、照明、保温、隔热、隔声、防潮、卫生等； （2）服务人的安全要求，如抵御外界生物的入侵、保证必要的私密性、减少人为或自然灾害的影响等； （3）服务人的社会活动要求，纷繁的社会生活使建筑功能和形式丰富多彩； （4）服务人的精神需求，如特色民族建筑、宗教场所、纪念碑等。 2）建筑全生命周期及其运维 如同人一样，建筑也会经历从产生到消亡的过程，简单地说，建筑全生命周期就是指从材料与构件生产、规划与设计、建造与运输、运行与维护直到拆除与处理（废弃、再循环和再利用等）的全循环过程。其分为四个阶段，即规划阶段、设计阶段、施工阶段、运维阶段。 通俗地讲，建筑规划是指在建筑项目定位的基础上，为使其功能、风格符合其定位，而对其进行的比较具体的规划；建筑设计是指建筑在建造之前，设计者按照建设任务，把施工过程和使用过程中所存在的或可能发生的问题，事先作好通盘的设想，拟定好解决这些问题的办法、方案，用图纸和文件表达出来；建筑施工是在建设工程设计文件的要求下，对建设工程进行新建、改建、扩建的活动；建筑运维，又称建筑运行维护管理，是整合人员、设施、技术和管理流程，对人员工作和生活空间进行的规划、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。 从建筑全生命周期中的四个阶段所持续的时间来看，一般而言，规划阶段*短，常常几个月可以完成；设计阶段稍长，往往1年内可以完成；施工阶段更长，多持续几年；运维阶段*长，多达几十年乃至上百年。以公共建筑为例，常规公共建筑全生命周期大约为50年，其运维阶段一般长达45～47年。从成本角度来分析，建筑初始建设成本（规划、设计和施工阶段全部费用总和）与运维阶段成本比约为1∶4，可见在建筑全生命周期中，运维阶段是时间跨度*长、总成本投入*大的一个阶段。 建筑运维需要消耗大量的资源且涉及人、财、物等管理的各个方面。随着城镇化的快速发展及对土地利用率要求的不断升高，建筑面积在十几万平方米甚至几十万或上百万平方米的群体建筑、城市综合体等广泛出现并快速扩展，建筑结构越来越复杂，应用的机械设备种类、数量不断增加。随之而来的是，对建筑运维的需求也越来越多，运维阶段的投入也越来越大。这对建筑运维的管理模式、管理技术和管理方法提出了更高的要求，也带动了建筑运维市场的爆发式增长。 2.传统建筑运维存在的难点及问题 传统建筑运维管理的信息化和智能化程度相对落后，信息流转不畅，主动预测性较差，对隐患的预防措施关注不足，主要表现在以下几个方面［1］。 （1）传统建筑运维管理信息化程度低。传统建筑运维主要采用人工操作、手写记录的方式，此种方式不但容易出现错误，而且记录容易破损或丢失，运维人员的工作量高，工作效率低。在建筑日常经营活动中，特别是突发事件处理时，经常需要查找各类有用的信息，传统的方式基本是在档案室的大量图纸资料内手动寻找，既费时费力，又效率低下。另外，档案资料多以纸质形式记录，并由专业人员按一定的规则进行收集、整理，资料不能进行随意拆分组合，复用也存在困难。 （2）建筑运维管理信息流转难。随着科技的发展、电子化办公的普及，部分建筑运维管理已经开始向电子化过渡，专业的运维管理软件开始出现并被广泛应用，这在一定程度上提高了工作效率和精准度，但不同公司开发的软件往往格式各异，且不能兼容，形成的信息无法顺利互相传递，也不能得到很好的利用。另外，现行的建设模式决定了建筑各阶段的目标并不一致，而各阶段的参与方又多以本阶段目标为主，对其他阶段的目标考虑得相对较少，这就造成了各阶段形成的信息多只能在本阶段流动，难以完整有序地向后一阶段传递、共享和存储，同时各阶段存储格式不兼容的问题也加剧了流通过程中的信息损失，规划阶段、设计阶段和施工阶段形成的信息不能全面、完整、有序地传递到运维阶段，给建筑运维管理增加了难度。 （3）现有建筑运维管理预测性缺乏。现有公共建筑在使用过程中多数还达不到运维管理的层次，以物业管理为主，属于被动型、事后型管理，管理的目标是解决出现的问题，缺乏管理的预测性、主动性和应变性，对隐患的预防措施考虑得相对较少，应对突发事故能力较差，多为事故后处理等。 随着经济、社会的发展，大体量、复杂的大型公共建筑不断增多，现有建筑运维管理模式的各种问题导致管理效率不断降低，管理成本居高不下，管理难度越来越大。运维管理已经成为亟须改革的重要环节，引入新技术和新模式成为必然。 3.建筑运维对BIM的迫切需求 运维阶段是建筑生命周期中*重要、占据时间*长的阶段，具有保障建筑设备安全、高效运行，按照实际需求及时发现和排除故障的作用。二维信息化运维平台能够实现对设备的监管、控制，对发挥工程运维效率起到了重要作用。 但是，随着建筑的不断复杂化，基于二维模型的运维信息管理平台已经越来越不能满足系统管理的需求，智能化技术的发展对建筑的运维管理提出了更高的要求，运维管理上的一系列问题暴露了出来，具体表现在： （1）直观立体显示难。基于二维模型管理方式的建筑运维系统存在信息与模型分离、效率与可视化程度不高的问题，很难实现对建筑及设施设备的三维可视化管理，运行状态很难在运维平台上直观显示。 （2）信息整合难。建筑运维过程中会产生大量信息，既有设施设备的二维信息（如文件），也有运行动态信息（如水位高低、门的开关等），如何将这些信息有效地整合在一个平台上，是一个极难解决的问题。 另外，BIM作为近年来在建筑与土木工程领域出现的新技术，在建筑业产生了巨大的影响。BIM是一种整合了规划、设计、施工、运维过程，包含了建筑整个生命周期所有信息的三维模型。BIM能够整合建筑中的所有数据信息，通过数字仿真建立三维可视化的建筑信息模型，使工程各参与方和管理人员能够获得协调一致的信息模型，从而降低建设成本，提高建筑全生命周期各阶段的效率。 将BIM应用于建筑模型的三维渲染、可视化呈现、工程设计碰撞检测、虚拟施工、数据信息的快速获取与有效管理等方面，能够有效提高建筑质量和工程效率，实现以BIM为载体的建筑信息化管理。 将BIM应用于建筑运维管理中，能够解决现有运行系统的可视化管理和信息整合问题。实现具有直观可视化、易交互特点的基于BIM的建筑工程新型运维管理系统，可有效提高建筑运维保障能力和运行工作效率，降低运行成本，从而对建筑实现高效准确的全局综合管理。 4.将BIM引入建筑运维面临的技术挑战 将BIM引入建筑运维管理，面临静态和动态模型扩展、BIM虚拟模型与物理世界信息交互、BIM三维模型动态呈现和运维平台设计构建等技术问题，具体表现在以下几方面： （1）建筑特殊设施设备的BIM定义问题。现有的BIM中缺乏对建筑特殊设施设备的定义。地下建筑中的防护门等防护设备具有防电磁波和防核辐射等战时功能，此外，通风、给排水系统中的设备也被赋予了特殊的防护功能。但是，现有的BIM数据标准中缺乏对这些设备及其功能属性的定义，同时，关于地下建筑系统中的三防转换等特殊运行控制，缺乏BIM设备之间协作运行关系的定义，因此，无法直接应用BIM对建筑运维系统和系统中的设备运行协作交互关系进行建模，这就给BIM在建筑中的应用带来了障碍。 （2）静态BIM与物理世界数据信息动态交互问题。基于BIM的运维管理系统要求能够实时叠加物理世界建筑中设施设备的动态信息，但现有的BIM侧重对实体对象几何信息等静态属性的描述，缺乏能够实现BIM与物理世界动态交互的功能实体，因此，无法实时地向运维系统反馈其对应的建筑实体的变化从而实现快速、精准的建筑运维管理与决策。 （3）基于BIM的建筑运维平台三维呈现问题。自定义的扩展BIM在运维平台中的应用需要解决BIM数据解析和三维模型显示这两个问题。BIM以工业基础类（industry foundation classes，IFC）文件的形式导入运维平台中，如何提取模型的几何信息和属性信息，将其转化为包含建筑设备信息的三维几何模型，是需要研究的问题。为了使BIM能够直观可视化地显示物理建筑及设施设备的状态，需要研究BIM的动态呈现方法，这要求建筑运维信息能够控制BIM状态的实时改变，并在运维平台中以动画形式呈现。 （4）基于BIM的建筑运维平台原型系统设计与构建问题。面对实际工程应用需求，融合上述技术来构建基于BIM的建筑运维平台，需要对运维平台构建技术进行研究，形成一般性方法。 针对将BIM应用于运维管理中面临的一系列技术挑战，本书围绕面向建筑运维的BIM扩展与实现技术，重点从建筑特殊设施设备的BIM静态模型扩展、具有动态交互需求的BIM动态模型扩展、扩展模型的解析与三维动态显示、运维平台原型系统设计构建等方面开展研究，以期为基于BIM的建筑运维平台、增强现实（augmented reality，AR）人机交互等工程化系统的综合应用研发奠定技术基础。 1.2BIM与建筑智慧运维 1.基本概念定义 首先，对建筑工程运维管理、BIM、基于BIM的运维的定义进行介绍。 定义1.1建筑工程运维管理建筑工程运维管理，是指运用多学科专业，集成人、场地、流程和技术来确保建筑良好运行的活动，主要是指对人员工作、生活空间进行规划、整合，对其中的设备进行维护、维修、监测、应急等管理。其目的是满足人员在建筑中的基本需求和对建筑设备的实时监测管理。 定义1.2BIM相关研究分别从BIM的三维信息模型属性和参数化建模功能两方面进行定义。 （1）作为建筑、工程和施工（architecture，engineering & construction，AEC）领域*具发展和应用潜力的一项技术，BIM是一种在设计阶段通过数字化技术建造的包含建筑信息的虚拟模型［7］，并将包含准确图元和数据的模型用于施工、运维等建筑全生命周期中。BIM能够促进更加集成化的设计和施工流程，解决建筑在设计、施工等不同阶段信息的互通性问题，达到降低成本、缩短工期、获得更高质量建筑的目的。 （2）BIM并不只是一种三维可视化的模型。与传统的三维构件以及二维和三维计算机辅助设计（computer aided design，CAD）相比，BIM是一种基于构件的参数化建模方法。参数化BIM构件由几何图形定义和关联的数据及规则构成。 定义1.3基于BIM的运维基于BIM的运维，是指以BIM为载体，将建筑运维阶段的各种设施设备属性信息和运维数据整合到三维可视化的模型中，形成对建筑空间和