BIM技术在建筑智能化系统运维中的应用研究

文/范楷 广西北部湾投资集团有限公司 广西南宁 530000

韦勋 广西医大开元埌东医院有限责任公司 广西南宁 530000

1、引言

在建筑智能化领域，传统的运维平台界面基于二维图表结构，管理者很难直接去理解数据后面的深度信息，特别在故障出现后，通过图表并不能直观的反应整个故障位置和系统的结构。现在BIM技术的出现，让三维可视成为了可能，结合现代的信息化技术，建立基于BIM的智能化系统运维平台，把三维模型和二维图表数据相结合，通过数据关联分析，呈现的信息更加直观、具体和全面，对于管理者来说能更好的把控整个运维过程。

2、BIM技术

BIM(Building Information Modeling)技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目规划、设计、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递[4]，使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象(如空间、运动行为)的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台[2]。

本文采用Autodesk公司的Revit系列软件作为BIM的建模工具，对基础的建筑结构和智能化系统点位分布、设备形状尺寸及管路管线走向，进行BIM建模还原。若实施项目建筑，已具备完整的竣工BIM模型（涵盖全专业），则根据应用范围，通过Revit软件对智能化相关的模型进行剥离，形成智能化独立的BIM模型[5]。

3、模型轻量化

BIM原始模型都是重模型，应用程序都基于桌面客户端，需要很高的计算机配置，上行和下行的流通使用都受到很大的约束。随着网络技术和计算机技术的发展，而基于Web的轻模型，将更能满足具体应用的需求。然而由于受Web端计算能力和内存限制等方面的影响，原始模型的数据组织方式须做出相应调整，需要通过三维模型轻量化技术对模型进行处理。

模型轻量化技术主要包括两个方面：模型轻量化显示和模型文件转换[3]。

基于WebGL标准进行模型轻量化显示。WebGL技术为浏览器提供硬件图形加速渲染，借助系统显卡可以在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型。使用WebGL技术做BIM模型的轻量化，需要对原始BIM模型进行解析，并在浏览器端或移动端对BIM模型进行重新绘制渲染。本文利用WebGL技术的三维GPU渲染原理，通过WebGL开发实现BIM模型在Web端的轻量化重建和渲染。

原始BIM模型大多数采用单文件或几个文件来存储模型信息，比如几何信息、材质信息、纹理贴图及属性，不利于网络端传输，需进行模型文件的转换。一方面，大的文件传输时间过长，另一方面，需等待模型下载完成后才能解析显示。因此要重新定义适合网络传输的大模型文件的组织方式，把原始的模型文件转换为适合网络传输和轻量化的文件格式。首先构建模型流，模型流的方式，无需等待模型下载完即可实时看到已经下载的部分，因此通过定义模型流的排序，对重要结构或构建先下载先显示，其他细节部分后显示，并且不影响其他操作。二是，在模型转换时，把具有相同形状的几何对象进行唯一性表达，即用相同的几何描述不同的构件，可大规模减少几何体的数量，减少模型的大小，也能减少显示时GPU的占用。最后通过gz压缩算法针对对json和几何数据进行数据压缩，减少网络传输时间。

本文采用原生的WebGL协议方式实现3D能力封装，经过模型轻量化后，原始的BIM将转化为一个Web端可快速浏览和交互的轻量化应用模型，并且模型块底层数据已封装成JS脚本函数和参数设置，并提供功能丰富的API接口，实现模型各种功能应用。

对模型的变动（例如设备的增减），若是已有模型块的增减，只需要对相关的基础代码段进行复制和定位；而对新增的模型块，则需要在BIM原型中进行新增建模，再完成一次模型轻量化，得到新的应用模型和相关联的基础代码。

4、数据转换和界面开发

建筑智能化系统是一个多系统多协议多数据格式的系统，在数据与应用界面进行交互时，底层各智能化系统的数据（状态数据、命令数据、故障数据等）需经过数据转换，转化为上层模型相匹配的数据格式，才能在应用模型中进行加载。同样在上层应用的数据，通过数据转换，才能与底层各子系统进行交互。本文通过数据转换中间件，对不同来源格式和特性的数据的转换与包装，保证数据按要求装入目标数据库，为高层访问提供统一的服务，实现各子系统不同数据源的共享[1]。数据转换结构如图1所示。

图1 数据转换

在应用模型的基础上，根据建筑智能化项目的展示和交互需求的不同，调用API接口实现底层数据的关联和交互，进行整体界面的二次开发，完成数据的展示和界面的交互。一是，分系统分模块分类优化菜单的功能，使得操作者能迅速定位到目标系统、结构和设备（模型块）；二是，在三维模型的基础上以弹框的形式出现，形成二维和三维结合的信息传递方式，即清楚认知了系统或设备结构位置又同时获得运行状态数据；三是，具有故障运维模式，模式中对所有故障进行分级分系统管理，对运维状态进行实时跟踪，方便管理者安排工单和制定运维策略。

5、运行效果及性能分析

本文搭建的测试运行的环境为：处理器Intel Corei7 3.0 GHZ 四核，内存16GB，硬盘512G SSD，显卡设备GTX1080（8G），分辨率1920×1080P。目前基于BIM轻量化后开发的Web端的建筑智能化运维平台，运行的效果及性能如下：在加载在10000个3D模型块的规模下，模型加载时间在5s内，运行帧率可达到35帧以上，动态数据的刷新时间在2s以内，下层设备联动时间在2s以内。可根据项目模型体量的大小，配置不同性能的运行环境设备，可以满足项目的运行速度要求。

结论：

本文中探讨了利用BIM来建立建筑智能化系统运维平台的方法。首先，通过Revit建模软件来构建智能化系统的BIM，还原整个智能化系统结构；然后通过模型文件的转换和基于WebGL标准模型轻量化显示，对BIM的原生模型进行轻量化处理，得到一个Web端可流畅运行的应用模型；最后通过数据转换对底层数据进行集成，以及交互界面的二次开发，构建基于应用模型的运维平台。与传统的二维平台相比，基于BIM应用模型的智能化系统运维平台对于管理者来说，获取设备管路结构、故障位置等有用信息更为直接，有助于让整个智能化运维系统运行的得更为高效。