建设项目在决策、设计、采购和施工阶段完成之后,便进入了较为复杂的运维阶段。运维管理的主要目标是维持建筑电气、建筑给排水、照明、通风、采暖空调和电梯等建筑设备的正常运转,以确保为业主生活和工作提供便利、舒适的建筑内部环境。传统的建筑设备运行维护主要依赖管理人员调阅图纸等纸质资料和电子表格存储信息得以决策执行,管理理念落后,技术手段单一,难以满足现阶段智能化、综合性建筑中数量巨大且系统结构复杂的建筑设备的信息化智慧运维管理要求。建筑信息模型(BIM)技术一改传统工程项目质量、成本控制和后续运维管理方法过分依赖二维工程图纸的弊端,基于三维视角从建筑设计、施工、运维乃至建筑存续全生命周期检修维护实施辅助,其所具备的可视化、协调性、模拟性和优化性等特点,必将为运维阶段建筑设备运行维护水平的大幅提升带来有力的辅助支撑。

将BIM信息集成和可视化技术引进嵌入运维管理之中,建筑设备信息获取不畅、故障设备定位不准、运维决策滞后失当等主要问题将迎刃而解。BIM技术应用于建筑设备运维管理的框架构想主要涵盖三方面内容:信息采集集成、运维决策支持和运维决策实现执行。具体如图1所示:

首先,构建BIM运维信息数据库,采集、存储和集成建筑设备运维管理所需的信息数据,管理人员在进行运行维护决策时,可利用权限从信息平台查阅调用相关信息,并视情况对设备信息作可视化表达呈现,辅助故障分析和运维决策,进而形成最符合设备运行实际的养护维修计划方案;其次,选择采用正确的运维决策方法,基于改进型RCM分析,遴选最为合理的运维决策方法;最后,推进运维决策的实现与执行,依托发挥BIM信息集成和可视化优势,构建嵌入BIM技术的建筑设备运维管理可视化系统,全程辅助建筑设备日常运行维护作业的高效实施。

先是采用文本挖掘法识别建筑设备运维决策信息,以建筑设备运维、建筑设备维修等作为关键词,在知网期刊来源库搜索采集到121篇基础文献。运用ROSTCM6内容挖掘与词频分析软件对上述基础文献汇总后得到一份文本,并对该文本进行分词词频试探性初步分析,生成提取高频词表和语义网络图形结果,最终获得建筑设备基本信息、性能信息、组件与备件信息等八个方面的关键信息项;继而运用扎根理论方法识别建筑设备运维决策信息,采用专家访谈的方式获取扎根理论研究所需的基础数据,运用Nvivo质性分析软件对专家访谈资料进行分析处理,共获取运维阶段建筑设备基本信息、合同信息、空间信息、备件信息、成本信息、历史维护记录和故障维修信息7类父节点主范畴运维管理信息,以及79类子节点辅助关联范畴信息;最后在比对两种方法所获结果的基础上修正确定运维决策信息,共识别确认基本信息、组件信息、备件信息、合同信息、空间信息、成本信息、运行信息、历史维护记录信息和历史维修记录信息9大类,涉及具体信息内容56项。

在完成建筑设备运维决策信息的识别之后,就需要用实体-关系模型(E-R图)将实体与属性之间的联系表达出来。实体主要包括前述识别确认的9类运维信息,实体属性则涵盖56项具体信息内容。在数据库中数据实体皆由用户创建,用户与数据表的一对多关系以及数据表与数据实体的多对多关系,设备基本信息与组件信息、备件信息、合同信息、历史运维记录信息之间的一对多关系,与空间信息、成本信息和运行信息的一对一关系,都在E-R图中得到清晰呈现。上述实体与属性的关系厘清后,即可自下而上地构建数据库概念模型,也即将各实体局部概念模型集成为全局概念模型。在此基础上,还要构建数据库逻辑结构,通过实体对象的属性数据转换进而生成数据管理表,最终完成数据库的建构并导入5D-BIM模型,为后续建筑设备运维管理提供信息数据支撑。

以可靠性为中心的设备维修(RCM)是目前国际上通用的确定设备预防性维修需求、制定设备运维管理制度的系统工程理念和方法。其分析过程大致为:通过系统定义划分确定RCM分析的重要功能系统,并对其相关信息数据实施统计处理;基于所采集的信息数据,运用故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析法(FTA),对标的系统实施故障剖析,厘清故障部件之间的逻辑关系,采用逻辑决断法查明故障原因,进而制定最适当的维修策略和方案。RCM设备维修策略分类如图2所示:

采用RCM作为设备维修决策方法能够弥补传统方法的主要不足,针对故障原因确定运维策略显得更有的放矢。但是在建筑设备运维管理应用中,RCM也存在信息采集处理过于复杂、分析耗时较长且成本过高、缺少定量模型支持易受人为因素影响、分析工作量过大降低运维管理效率等问题,故而应结合建筑设备运维管理实际加以优化改进。改进后的RCM分析模型如图3所示:

一是建筑设备故障原因剖析。鉴于建筑设备故障具有复杂性、层次性、传播性和不确定性的明显特点,应在构建故障树模型对其进行分析的基础上,采用层次化建模方法深挖故障原因;二是评估建筑设备重要度。采用模糊综合评价法构建建筑设备重要度评估模型,从可靠性、维修性、监测性和经济性四个维度采集建筑设备重要度评价指标,以“优秀、良好、一般、较差、差”为五级评价标准,在定量与定性分析的基础上得出评价矩阵,采用层次分析法确定评价因素的权重赋值;三是构建基于逻辑分析法的维修方式决策模型。针对具体设备和情况,灵活选择、综合运用定期维修、状态维修、事后维修和故障维修四种维修方式。对于关键设备、重要设备和普通设备分别采取不同的维修方式决策逻辑分析流程,力求选用最经济适用且维修质量最高的维修方式,确保降低设备故障率,提高运行可靠性,控减维护成本。

一是实时性原则。考虑到现代建筑种类多、体量大的特点,且设备运行状态时刻处于变化之中,运维管理系统必须具备动态掌控设备运行信息的能力,并及时加以处理、呈现,通过运维信息的实时更新,确保将设备最新的运行状况传达给管理人员。二是可视化原则,充分发挥BIM模型可视化优势,更加直观形象地将设备运维信息展现在运维管理系统中,便于管理人员理解把握并作出应对调整,从而增强运维管理的针对性和实效性。三是准确性原则,设备运维信息数据的准确性、完整性是整个管理系统高效运转的前提保障,只有信息数据精准度高、传递速率快,建筑设备的故障响应才能及时有效。四是模块化原则,要适应运维管理系统中管理对象多、管理手段和功能需求差异性大的实际特点,开发各具功用、相互独立又相互依存支持的功能模块,既满足不同应用功能的独立性要求又确保运管系统的综合性管控和一体化高效运行。

建筑设备运维管理工作内容庞杂、头绪繁多、流程繁复、参与者众,引进依托BIM技术构建运维管理系统的目的,就在于利用BIM信息集成、可视化、协调性和模拟性的特点,统一规范管理维修参与人员的信息传递和业务操作流程,优化改进运维管理模式机制,从根本上提升建筑设备运维管理成效。具体而言,借助BIM技术的信息集成功能,将包括建筑设备在内的各类信息集成于BIM数据模型中,通过多种专业软件的协同运作处理,从而实现项目全过程信息数据的集成、分析与应用,以便于运维管理人员在进行分析决策时快捷查阅应用;利用BIM三维可视化功能,将建筑设备的物理形态、运行维护状态、3D空间位置等相关信息予以可视化呈现,解决了传统线条描绘难以直观反映真实构造情况的难题。需要特别指出的是,由于建筑设备运维管理涉及的信息量过大且相互关系复杂,尽管能够采用添加共享参数的方式直接导入BIM模型中,但实际管理效果差强人意,故而应单独构建运维信息管理数据库来承载存储BIM模型中的海量运维信息。也就是说基于BIM的建筑设备运维管理系统主要由BIM模型和运维信息管理数据库两部分构成,通过两者的有机耦合和高效联通从而实现建筑设备运维管理功能的有效释放。按照以上运管系统构建的目的和思路,可构建依托BIM技术的建筑设备运维管理系统模型如图4所示:

从图4可以看出,整个运维管理系统引进嵌入了BIM模型,在工程项目前期的设计、采购和施工等诸阶段,便运用Revit软件将与建筑设备相关的信息集成导入BIM模型,形成建筑设备运维管理初始模型。在此基础上再行添加运维阶段的设备信息,便形成了建筑设备运维管理动态BIM模型,此时借助BIM的可视化功能可以直观形象地以三维图形和动画的形式展示建筑设备的上下游关系、运维状态及相关信息,能够辅助管理人员快速精准定位设备组件,作出正确的设备运维管理决策;构建完成后的动态BIM模型可采用开放式数据库连接(ODBC)格式,将集成后的建筑设备运维信息导入管理数据库,再将运维阶段产生的新信息和所需要的其它信息更新输入运维信息管理数据库后,便可涵盖建筑设备运维管理所需的基本信息、空间信息、组件与备件信息、合同信息、成本信息和运维信息等所有信息数据。

内蒙古科技大学工程实训中心总建筑面积15600m²,主楼地上五层、地下一层,分设计算机教学、金工实训、电工电子实训三个基地和一个众创空间,拥有五轴联动加工中心、激光加工设备、三坐标测量仪、3D打印机、仿真训练系统等一大批先进教学实践设备。该中心建筑复杂设备众多,属于大型现代实训综合楼。早在项目设计阶段,就应用BIM模型进行了设计优化和各专业碰撞及仿真穿行漫游检查,施工阶段借助BIM模型实施可视化技术交底、任务派发和工期数据还原存储,因而完全具备在建筑设备运维管理中引进应用BIM技术的条件。

内科大工程实训中心建筑设备运维管理的内容包括给排水与供暖、通风与空调、电气、智能化和消防。给排水设备包括6套全自动稳压供水设备;燃气设备包括5台RZQ1200-18蒸汽发生器;通风设备包括22台风箱机;空调设备包括12台风冷热泵机组、6台洁净空调机组、6台新风空调机组和176台多联机空调;电气设备包括分布在各楼层的电力容量大小不等的15个配电柜;智能化设备包括安防监控、自动控制和门禁控制系统等;消防设备包括自动喷淋、室内消防栓、火灾预警、应急照明及疏散等全套必备系统。

建筑设备运维管理的目标分为安全、效率和人员培训教育三个方面,具体目标包括:一是实训中心建筑设备运维计划目标责任完成率100%;二是维修完成率100%、合格率不低于99%;三是建筑设备及机房运维保养率100%;四是杜绝火灾事故发生;五是杜绝重大建筑设备运行事故;六是运维人员全部参加上岗培训并考核达标;七是运维合规操作及应急处置培训考核全部达标。

该工程实训中心在原有设计、施工BIM模型数据的基础上,添加完善基本信息、组件信息、备件信息、合同信息、空间信息、成本信息、运行信息、历史维护记录信息和历史维修记录信息,构建建筑设备BIM运维信息数据库;选择采用基于改进型RCM的建筑设备运维决策方法,作为建筑设备故障分析、重要度评估和维修方式决策的实务指引;构建完成的嵌入BIM技术的建筑设备运维管理系统分为用户层、应用层、数据层、模型层和信息采集层五个层级,充分发挥BIM信息集成、可视化、协调性和模拟性的特点优势,对实训中心所有建筑设备实施全天候动态监控和维修保养决策辅助。

实训中心地上一楼专设有建筑设备运行监控室,安排运维管理人员24小时值守。建筑设备运维管理系统的用户层人机交互界面便设在监控室内,另外管理系统还集成了各类实时控制设备,能够显示各楼层监控摄像头、消防和门禁的动态情况。管理人员可以通过平台显示的电子地图,直观、快捷地掌控建筑设备的运行状况,遇有突发情况触发报警时,用户界面会出现弹窗提示并切换到大屏幕电视墙上,同时伴有声光、邮件、短信等多种警示手段提醒管理人员注意;日常管理中运维管理人员可借助BIM技术的可视化功能,对实训中心的所有关键建筑设备实施动态跟踪监控,一旦发生故障问题,用户控制界面会发出红光闪烁和报警声,系统还会发送报警短信至设备负责人的手机,确保及时拿出维修决策方案,最大程度地降低设备运行故障导致的负面影响和经济损失;对于以往因隐蔽复杂而成为运维难点的机电管线的维护,可依托BIM运维管理系统并辅助运用虚拟现实灵境技术(VR),使得各类管线能够一目了然地呈现在系统的可视化界面上,较之传统运维管理更加精益高效。同样道理,借助BIM+VR运维系统可以实时查看隐蔽在排水管网、风管和电气桥架之内的各类设备组件部件,使得运维管理工作更为精确细致。

当实训中心建筑设备出现故障并可能导致建筑内部环境次生灾害时,BIM运维管理系统会在第一时间向救援人员提供设备关键信息,在BIM模型中直观展示设备故障位置及影响范围,启动应急预案并辅助救援人员作出最佳处置方案决策选择,提高设备运行突发事件的应对速度和处置成效;BIM运维管理系统还可将整合后的设备安全运行信息存储在运维知识库中,并自动生成突发事件应急处置预案库,定期在模型中进行自我学习和仿真演练,以便在突发事件发生时向运维管理和救援人员提供最有参考价值的应急处置预案。

实训中心在各建筑设备上安装能耗计量传感器,实时将设备能耗情况上传BIM运维管理系统,参照系统模型中设定的数据标准对能耗数据实施动态监测分析,分楼层、分部门、分功能区、分专业、分月份实施能耗比对统计,对于能耗超标者进行预警告知并跟踪排查问题症结,据此进行设备运行状态调整;运维系统对信息采集层上传的设备能源消耗数据进行整理分析,采用最直观易懂的形式向运维管理人员传达展示,并重点对高能耗设备予以醒目标识。按照BIM系统设定的能源参数并结合设备能耗历史数据,动态调整建筑设备运行状态,科学预测未来设备能耗情况,调整优化设备能源使用计划,力求在满足使用环境需求的前提下实现建筑设备能耗最小化。

通过分析BIM技术在建筑设备运维管理中的应用优势并提出应用设想,构建BIM运维信息数据库,选用基于改进型RCM的建筑设备运维决策方法,设计构建嵌入BIM技术的运维管理系统,我们发现依托运用BIM技术的建筑设备运维管理,其实就是一个各类设备运维信息采集、积累、处理和集成运用的过程,故而BIM运维信息数据库的构建至关重要,在此基础上再选择采用合理的运维决策方法,并将信息数据库与BIM模型实现API信息交互,发挥出BIM技术的可视化功能优势,就能够很好地承担起建筑设备运维管理的决策辅助重责,在日常运维、突发事件处置和能耗管控应用等方面产生事半功倍的效用。