建筑機電設備BIM-SIM模型集成建模方法

魏 然， 閤橋露， 覃文波

(華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

建筑工程機電專業(yè)系統(tǒng)多而復雜，包括強電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)等。在設計、施工階段，設計中的錯漏碰缺等問題甚至進入施工階段后才會被發(fā)現(xiàn)而進行臨時更改，導致工程成本、工期等目標無法實現(xiàn)[1]。另一方面，在運營階段，一般情況下建筑機電設備維護項目占總數的60%[2]，對安全有效運營起著至關重要的作用。因此，建筑工程機電專業(yè)對于一個工程項目的成功與否至關重要，且被認為是建筑業(yè)中風險最大的專業(yè)之一[3]。

應用BIM(Building Information Modeling)進行機電設備設計在國內起步的比較晚，隨著BIM在MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing)領域的逐漸推廣，應用深度也逐步增加，國內各大設計院、建筑公司及相關學者各自開展了在建筑電氣專業(yè)方面的探索。根據國內BIM在建筑電氣領域的應用情況文獻匯總[4]，這些研究只是單位個體探索式的應用與分析，并沒有形成系統(tǒng)的、共享式的應用成果與推廣意見。目前，應用BIM的機電設備設計弊端在于：繪圖功能有待完善，電器元件布置效率低，細節(jié)地方需要人工調整；平面圖、軸測圖及剖面圖出圖率不高，出圖深度不足；設計說明、圖例表、強弱電干線系統(tǒng)圖目前無法繪制，電氣設備末端細節(jié)難以表現(xiàn)[5]。因此，本文的研究重點在于如何利用輔助軟件解決BIM在建筑電氣領域的粗粒度建模問題。

1 建筑機電設備BIM-SIM模型概念

1.1 SIM的概念

系統(tǒng)信息模型(System Information Modeling, SIM)是描述利用適合的軟件給復雜系統(tǒng)建模過程的通用性術語，產生于BIM深化發(fā)展的背景之下。具體來說，SIM是對連接系統(tǒng)(如電氣系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等)的數字化表達[6]。SIM理念由I&E Systems提出，致力于提高石油和天然氣行業(yè)領域的系統(tǒng)更換項目的精確性。該類系統(tǒng)具有高風險、系統(tǒng)內連接關系復雜等特點。基于對連接系統(tǒng)復雜關系管理的特點，SIM改變了傳統(tǒng)設備管理的固有形式[7]。

構建一個連接系統(tǒng)的SIM模型時，所有實體設備及其連接關系的模型數據被儲存在一個數據庫里，且每個構建模型有且僅有一個。這樣，系統(tǒng)信息模型和真實環(huán)境建立起了1：1的對應關系，可以大大減少信息冗余。SIM的代表性軟件為Dynamic Asset Documentation(DAD)。

1.2 BIM-SIM模型集成的必要性

麥格勞-希爾建筑信息公司的調研[8]顯示機電工程師采用BIM的比例少于暖通和結構工程師。部分原因可能是電力的基礎內容相對較少，這方面對物理尺寸的要求也較少。但相比之下，建筑結構體系比較龐大、還有像管道之類的大型機械基礎，有管道直徑、間距及位置的要求。

雖然BIM的應用范圍非常廣泛，但是在擴大BIM模擬確定設計元素的技術應用上還有顯著的提升空間。然而，機電工程師及承包商較少做機電設計建模的工作。由于機電設備中電器元件和纜線一般物理尺寸偏小，無法在3D環(huán)境中精確建模，無法完整的表達建筑機電設備的系統(tǒng)性，這極大地限制了BIM在機電領域的深入應用。

BIM是一個建設項目物理和性能的數字表達，是一種團隊合作的平臺，項目信息被集成在一個三維模型數據庫中。而系統(tǒng)信息模型SIM則是通過點線表達對復雜系統(tǒng)連接關系的描述。在BIM三維模型中，可以觀察到設備的三維形態(tài)，不僅可以明確建筑機電設備的區(qū)間位置，而且具體到其安裝位置，進一步詳細的展示設備與設備或建筑構件間的接口信息，并顯示設備安裝方式。而SIM的軟件具備對線纜等建模的能力，比如說設備間關系信息?？梢钥闯鯞IM與SIM的信息屬性具有良好的互補性，兩者的信息屬性組合在一起可以構成設備運營管理的信息屬性集合。

2 建筑機電設備BIM-SIM模型集成

2.1 建筑機電設備BIM建模

構建三維模型是BIM技術介入的基礎。圖1描述了機電專業(yè)及其他各專業(yè)三維模型建立的具體流程。首先制作各專業(yè)族文件，然后構建建筑結構初級模型，根據上下游信息分析，制作給排水、暖通、電氣專業(yè)模型，各模型之間通過信息再協(xié)調，達到最終模型。

圖1 各專業(yè)BIM三維模型建立具體流程

BIM建模是否規(guī)范將對最終模型的信息完整度、可識別性帶來很大影響。BIM規(guī)范建模通常包括以下幾個方面[9]：

(1)模型構件配色標準

建筑模型設計系統(tǒng)種類復雜，各類管線繁多，為了保證管線在模型中的可識別性和相互區(qū)分程度，以及與施工運維管理的要求相一致，通常需要制定一套完整的管線配色方案。

(2)建筑機電設備BIM模型的建模精細度(Levels of Detail, LOD)

BIM模型建模精細度過粗就不能包含全部信息，信息表達上就會有所欠缺，而太細的模型可能會使信息量過大，信息復雜甚至冗余，從而造成延遲交付。應根據建模精細度標準確定基于不同的管理目的，BIM模型應該包含哪些東西。

(3)文件命名要求模型編碼

建筑信息模型及其交付物文件命名需要確保信息的可讀性和管理的有效性(圖2)。

圖2 某地鐵站設備模型編碼

2.2 建筑機電設備SIM建模

SIM面對對象模型為機電設備的信息管理提供了一個有效的解決辦法(圖3)。與BIM模型的區(qū)別在于，SIM模型的表達方式是二維塊與線的組合，實際上就是點、線的表達。

圖3 1∶1關系與m∶n關系

2.2.1SIM設計的基本理念

基于SIM的工程設計，文件存檔會同時進行。隨著設計進度的加深，真實世界中的每一個設備都會在SIM中被建模并賦予唯一的標簽名稱，且設備模型帶有“類型”和“位置”等屬性。其中“類型”屬性定義設備功能，“位置”屬性定義設備在建筑中的位置。通過這樣一個屬性類，工程師可以在SIM模型中定位瀏覽信息。設備間的電纜和信號流則以“連接器”表示，其形狀、寬度、顏色在不同場景中單獨定義。為了方便設計，如設備模塊、電纜的大小和規(guī)格等屬性，可以分配給每個單獨的對象。SIM數據模型如圖4所示。

圖4 SIM對象數據模型

該數據模型反映了SIM設計的三個最基本理念：

(1)購買安裝和運營維護對象，即“What is it”；

(2)明確對象所處位置或者安裝位置，即“Where is it”；

(3)明確連接關系，即“How is it connected”。

2.2.2SIM建模流程

SIM模型是由電器元件、功能特性、連接器三大元素組成，其建模流程也就是對這三個元素的定義及組合分配過程，具體包括以下步驟：

(1)機電設備元件及其功能特性定義：參照標準ISA-95，用樹形層次結構表達。每一個機電設備元件的子目錄下對應的是功能應用和功能模塊；

(2)連接器定義：機電設備元件和其功能特性建立之后，模型中便會產生數據流或者數據鏈，即指包括物理模型上的機電設備元件連接器和邏輯模型上的功能特性連接器，且每個連接器帶有明確的方向，以表示數據相互交換的過程。連接器作為系統(tǒng)之間的數據鏈，采用的是動態(tài)繪制方式，它反映了現(xiàn)實世界中電器元件之間真實的數據轉換過程。數據轉換的方式確立于詳細設計階段，且互不相關。如果在建模過程中發(fā)生了數據流，連接器的名稱及其類型將會以MS表格形式導出，編輯然后導入到DAD模型中顯示出來；

(3)預案情景定義：預案情景是由一系列運維管理次級系統(tǒng)的功能流程組成的。它是通過“拖、拉”方式將某一機電設備元件子目錄下的功能點移至預案情景目錄下，從而實現(xiàn)對某一運營場景的圖表化模擬，實質上就是指物理上或邏輯上功能分配；

(4)用戶定義：即解決功能權限分配的問題，與各階段設計模型發(fā)布有關。

2.3 建筑機電設備BIM-SIM集成方法

基于BIM-SIM的建筑機電設備管理可實現(xiàn)對各類機電設備以及設備間邏輯關聯(lián)的可視化管理，這就需要對設備及設備關系建模，具體實施方案如下：

(1)對各類設備及大型管件進行三維BIM建模，且建模程度需細化到機電設備組件，能夠清楚地表現(xiàn)機電設備組件的所處位置；

(2)在DAD中，創(chuàng)建一個包含設備之間連接關系和設備系統(tǒng)布局的全設備系統(tǒng)虛擬模型；

(3)SIM與BIM模型集成：建立BIM模型數據與DAD模型數據的唯一連接。

BIM與SIM的模型構建與集成流程如圖5所示：

圖5 BIM與SIM模型集成方法

2.4 建筑機電設備BIM-SIM數據對接

BIM和SIM模型建立后，分別構建數據庫。設備定義中設備ID可以作為BIM與SIM數據庫的連接外鍵。通過識別設備唯一ID，BIM軟件Revit和SIM軟件DAD可以實現(xiàn)數據層面上的互相訪問。

表1是部分BIM設備模型唯一ID與在DAD中對應的名稱，本次集成的設備模型唯一ID以Revit編碼為基準。

表1 Revit模型編碼與對應的DAD模型名稱

2.5 建筑機電設備BIM-SIM軟件集成

本文中BIM與SIM的信息集成主要表現(xiàn)為軟件Revit與DAD的集成。目前，以BIM為核心的軟件集成方案按其集成廣度不同可以大致分為兩類[10]：

(1)接口集成，這種方案針對于兩個不同軟件系統(tǒng)或者模塊通過軟件接口形成連接集成，以達到對BIM模型中所包含建筑信息的傳遞，這種信息傳遞由于軟件開放程度的限制有的可以做到軟件之間的信息相互傳遞，有的只能做到一個軟件對另一個軟件的單向訪問;

(2)系統(tǒng)集成：指以構建一個BIM信息系統(tǒng)為目的，將原本多個相互獨立的軟件組合在一起的集成方案，根據其集成深度，可以做到界面上的集成，更深層次的可以做到數據上的集成，所有軟件模型所包含的建筑信息存儲在一個模型里面，所有軟件共享一個數據庫，這樣就形成了一個強大的信息集成和協(xié)調管理平臺。

基于BIM-SIM的建筑機電設備管理應用根據集成使用環(huán)境，可以采用以上兩種軟件集成方式。

3 應用案例

地鐵設備種類繁多、規(guī)模大、價格昂貴，其涉及線纜更是錯綜復雜，因此良好的運營維護管理是城市地鐵管理企業(yè)需要面對的一項任務。為了實踐BIM-SIM集成模型在建筑電氣系統(tǒng)管理方面的應用，武漢地鐵中南路站基于BIM-SIM的建筑機電設備全壽命周期管理模式(圖6)，進行了車站電氣模型的集成開發(fā)，可實現(xiàn)全壽命周期內的模型設計優(yōu)化、設備及其纜線信息可視化施工管理和可視化運營管理等三大方面的應用。

圖6 基于BIM-SIM的建筑機電設備全壽命周期管理

3.1 設計模式優(yōu)化

在設計階段，BIM-SIM工程設計依據武漢地鐵中南路的總六冊施工圖紙，170張設計圖紙，完成BIM的各專業(yè)完工模型構建，以及包括6050個電氣元件和4690個連接器的SIM模型。BIM與SIM分別構建了自己的數據模型(庫)后，通過識別對象ID來進行數據模型(庫)連接，DAD軟件開發(fā)者提供了調用DAD對象路徑和檢索DAD對象ID的腳本，以實現(xiàn)與BIM模型的信息傳遞。

所有圖紙共享一個已建數據庫，如果某一系統(tǒng)塊需要修改，直接進入數據庫修改就可以達到目的，效率得到了極大地提升。任何人對任何特定對象的任何修改都會被自動記錄在系統(tǒng)中，以便日后的檢查和驗證，這樣工程可以查詢完整的歷史記錄，對比當前和歷史設計版本，如圖7所示。這種自動存檔修改記錄與歷史版本查詢的功能是項目各方提交設計反饋與接受模型信息更新的基礎。

3.2 可視化施工

當設計達到可施工深度時，作為設計的數字化模型BIM-SIM會被發(fā)布給項目各方，如采購和施工專業(yè)。BIM工具與DAD把相關采購、施工信息(如待安裝設備采購清單、設備與設備間的連接方式等)封裝到BIM-SIM模型中。在BIM設備可視化的基礎上，項目經理可清楚地了解設備的安裝位置、安裝方式以及設備與設備之間的接口方式，同時纜線信息的可視化使電纜的合理化管理成為可能，如圖8所示。

圖7 BIM-SIM的歷史版本查詢

圖8 設備可視化安裝信息

在施工過程中，如果BIM-SIM存在任何錯誤或遺漏，用戶可以提交信息請求(Requests for Information: RFIs)給設計工程師以尋求解決方案。RFIs問題定位分為兩種：(1)基于設備空間位置的的關系定位；(2)基于設備關系的空間位置定位(圖9)。隨著RFIs問題的發(fā)出與應答，工程設計師發(fā)布的設計模型發(fā)生局部變更，至項目竣工時，竣工信息反饋到BIM-SIM模型中。這樣基于竣工信息發(fā)布的運營模型就與運營現(xiàn)場是保持一致的。

3.3 可視化運營

基于BIM-SIM設計發(fā)布、施工反饋后的運營模型適用于設備管理專業(yè)，其用戶可以定義諸如測試、校準、檢查、維修、局部變更和隔離等運營措施，并可以列入維護計劃之中。

BIM-SIM模型具體包括如維護設備與纜線、設備區(qū)間分布情況及空間位置；設備系統(tǒng)之間的關系；設備間的關系；設備和纜線技術參數(運營手冊)等?；贐IM-SIM的管理方式消除了設計數據、施工數據和運營管理數據之間的轉換工作，這樣既節(jié)約了大量的成本，也保證了數據的完整性。基于BIM-SIM的機電設備元件不僅按照專業(yè)系統(tǒng)進行分類，同時也進行了位置區(qū)間分類，運營維護對象不僅包括大型設備，同時也包括無明顯幾何尺寸的纜線，如圖10所示。這樣查詢方式多樣化，查詢范圍全面化。同時故障記錄和維修記錄功能可實時監(jiān)測運營狀態(tài)，基于此系統(tǒng)當前的狀態(tài)可實時獲取。

圖10 設備纜線的運維信息

4 結 語

BIM-SIM與建筑機電設備管理契合性在于設備及其連接關系的可視化、全壽命周期內的信息即時存儲以及信息的無障礙傳遞。設備管理是發(fā)生在項目全壽命周期內的一系列數據密集型的決策過程，其應從項目開始就開發(fā)數據庫以儲存和管理設備數據[7]。但是目前的設備管理卻側重于耗費大量成本與時間在項目完成時收集信息。而BIM-SIM在設計、施工、調試使用階段不斷記錄設備信息，在保證了資產所有者利益的同時也提高了生產力和數據的完整性。

本文提出了結合SIM實現(xiàn)BIM在機電領域的應用方案，通過集成BIM與SIM模型，對建筑機電設備進行了包括設備關系、設備系統(tǒng)布局、設備及纜線等信息的完整表達。同時將基于BIM和SIM的建筑機電設備管理應用在武漢地鐵中南路站的設計、施工、運營等三方面，為基于BIM-SIM的機電設備管理軟件的開發(fā)奠定了基礎。

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