喬 峰

(上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司,200020,上海∥工程師)

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基于建筑信息模型技術(shù)的地鐵建設(shè)期設(shè)備管理平臺(tái)研究

喬 峰

(上海市地下空間設(shè)計(jì)研究總院有限公司,200020,上?！喂こ處?

研究了地鐵項(xiàng)目針對(duì)建設(shè)周期內(nèi)基于BIM (建筑信息模型)技術(shù)應(yīng)用的設(shè)備管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)路線(xiàn)。分析了該平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需求，介紹了該平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程架構(gòu);闡述了BIM可視化及設(shè)備模型與數(shù)據(jù)分離處理的工作原理和流程，介紹了設(shè)備ID及二維碼以及云架構(gòu)和云計(jì)算的應(yīng)用;描述了該平臺(tái)的主要功能模塊設(shè)計(jì)。該平臺(tái)的開(kāi)發(fā)融合了BIM和信息技術(shù)的應(yīng)用,通過(guò)設(shè)備管理平臺(tái)對(duì)地鐵設(shè)備的采購(gòu)、到貨、驗(yàn)貨、安裝、調(diào)試、驗(yàn)收進(jìn)行全過(guò)程可視化的跟蹤管理和資料記錄,在交付運(yùn)營(yíng)時(shí)形成設(shè)備完整的BIM模型和關(guān)聯(lián)設(shè)備履歷數(shù)據(jù),可用于地鐵運(yùn)營(yíng)的設(shè)備資產(chǎn)管理。

地鐵; 建筑信息模型; 設(shè)備管理平臺(tái)

Author′s address Shanghai Underground Space Architectural Design & Research Institute,200020,Shanghai,China

在城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目中,機(jī)電安裝涉及的設(shè)施設(shè)備種類(lèi)繁多。一般情況下,1條地鐵線(xiàn)通常有幾十家主要設(shè)備供應(yīng)商及超過(guò)1 000種電氣設(shè)備。設(shè)備的采購(gòu)、到貨、驗(yàn)貨、安裝、調(diào)試、交付運(yùn)維等的過(guò)程管理控制及數(shù)據(jù)資料管理,對(duì)城市軌道交通建造方來(lái)說(shuō)，已成為一項(xiàng)科學(xué)統(tǒng)籌的系統(tǒng)性工作。

在BIM (建筑信息模型)技術(shù)逐漸普及到地鐵建設(shè)的背景下,將BIM技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合，將流程管理程序化，文檔資料數(shù)字化，開(kāi)發(fā)一套滿(mǎn)足業(yè)主管理需求的地鐵建設(shè)期設(shè)備管理平臺(tái)(以下簡(jiǎn)為“管理平臺(tái)”),既能提高各方在建設(shè)期的管理效率,又能用于對(duì)后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門(mén)的設(shè)備數(shù)字化交付。

目前,管理平臺(tái)已完成開(kāi)發(fā)，并已投入某軌道交通建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行試用。這為各設(shè)備廠(chǎng)商在線(xiàn)提交BIM設(shè)備族，為各方管理設(shè)備安裝過(guò)程，為業(yè)主收集設(shè)備資產(chǎn)信息提供了可靠的管理平臺(tái)。

1 需求分析

越來(lái)越多城市的地鐵業(yè)主要求設(shè)備供應(yīng)商在供貨時(shí)提交設(shè)備BIM族,并在BIM族的屬性信息中附加詳細(xì)設(shè)備參數(shù)。這些設(shè)備族會(huì)發(fā)放給設(shè)計(jì)及施工單位用于創(chuàng)建BIM。相關(guān)設(shè)備參數(shù)信息還可用于后續(xù)的設(shè)施設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理。使用BIM技術(shù),可在虛擬的BIM中調(diào)閱設(shè)備模型和信息,對(duì)設(shè)備進(jìn)行可視化管理。

雖然BIM和BIM軟件可實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型和信息的記錄檢索,但還難以實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)的過(guò)程流轉(zhuǎn)。設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸、到貨、安裝及驗(yàn)收等環(huán)節(jié)的管理過(guò)程和信息流轉(zhuǎn)存在的難題,只有開(kāi)發(fā)針對(duì)性的管理平臺(tái)才能解決。這就需要將設(shè)備BIM及數(shù)據(jù)導(dǎo)入管理平臺(tái),通過(guò)管理平臺(tái)的應(yīng)用流程實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)流程的管理,從而解決建設(shè)期設(shè)備管理的“信息孤島”難題[1]。

2 管理平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程架構(gòu)

管理平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)取決于平臺(tái)的參與方組織架構(gòu)及工作流程。

管理平臺(tái)參與方有BIM咨詢(xún)單位、設(shè)備供應(yīng)廠(chǎng)商、施工單位、設(shè)備監(jiān)理和運(yùn)營(yíng)公司。管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)流程見(jiàn)圖1。BIM咨詢(xún)單位需在早期編制發(fā)布設(shè)備BIM族的創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn),以指導(dǎo)各設(shè)備廠(chǎng)商提交標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、信息完整的設(shè)備族庫(kù),并將族庫(kù)上傳至管理平臺(tái)。BIM咨詢(xún)單位審核通過(guò)的族庫(kù)在管理平臺(tái)中對(duì)機(jī)電施工單位開(kāi)放下載,并由機(jī)電施工單位使用族庫(kù)接力完成BIM機(jī)電施工深化模型。機(jī)電施工深化模型可真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)施工精度,不僅能解決管線(xiàn)碰撞問(wèn)題,還能把設(shè)備BIM族準(zhǔn)確置于模型位置并與設(shè)備相關(guān)信息關(guān)聯(lián)。機(jī)電施工深化模型可導(dǎo)入管理平臺(tái),用于開(kāi)展機(jī)電施工階段的管理平臺(tái)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程記錄和填報(bào)。在竣工驗(yàn)收時(shí),管理平臺(tái)所包含的模型和數(shù)據(jù)會(huì)整體數(shù)字化地移交給運(yùn)營(yíng)公司。其中包括數(shù)據(jù)接口,以實(shí)現(xiàn)后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)對(duì)建設(shè)期設(shè)備數(shù)據(jù)的調(diào)用。

圖1 管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 基于WebGL技術(shù)的BIM可視化

建模完成的BIM在Web瀏覽器中進(jìn)行輕量化三維顯示和控制,是管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化的重要基礎(chǔ)和技術(shù)難題,也是實(shí)現(xiàn)B/S(瀏覽器/客戶(hù)端)平臺(tái)架構(gòu)的前提條件。

WebGL技術(shù)是現(xiàn)在最前沿的Web交互式渲染3D圖形技術(shù),不需安裝插件即可支持各類(lèi)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器,還可利用底層的圖形硬件加速進(jìn)行渲染,使用HTML5語(yǔ)言編寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)代碼即可實(shí)現(xiàn)3D圖像展示,其具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

IFC4格式標(biāo)準(zhǔn)[2]不只是停留在理論上的概念,其對(duì)IFC格式對(duì)象實(shí)體的重構(gòu)顯示都進(jìn)行了規(guī)范[3-5]。同時(shí),OpenBIM軟件也提供了很多WebGL技術(shù)重構(gòu)IFC格式模型[6]的開(kāi)源資源(如BIMServer軟件及BIM-surfer軟件)。開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)源BIMServer和BIM-surfer基礎(chǔ)上進(jìn)行再開(kāi)發(fā),讓IFC格式模型經(jīng)過(guò)解析后在瀏覽器中重構(gòu)為WebGL圖形[7],從而實(shí)現(xiàn)Web頁(yè)面模型的交互操作以及與后臺(tái)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

BIMServer是與BIM surfer配合使用的。BIMServer可將IFC數(shù)據(jù)解析為JSON (Java Script Object Notation)格式文件,JSON格式是一種輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換格式,是使用可讀文本傳輸“屬性-對(duì)應(yīng)值”數(shù)據(jù)對(duì)象的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)格式,可處理JavaScript和Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)BIMServer作為串行服務(wù)將IFC中的圖形和信息轉(zhuǎn)換為JSON文件,為下一步的模型與數(shù)據(jù)分離提供條件。BIM-surfer是基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)SceneJS 3D引擎的開(kāi)源瀏覽器應(yīng)用,可讓瀏覽器將JSON文件解析并展現(xiàn)為三維模型。IFC文件的數(shù)據(jù)重構(gòu)流程見(jiàn)圖2。

圖2 IFC文件的數(shù)據(jù)重構(gòu)流程

3.2 設(shè)備模型與數(shù)據(jù)分離處理

IFC標(biāo)準(zhǔn)較復(fù)雜，難以掌握。而管理平臺(tái)采用圖形與數(shù)據(jù)分離處理的模式,其獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)處理能更易于被開(kāi)發(fā)人員控制并用于管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[8]。在IFC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為JSON文件后,JSON文件中的參數(shù)信息被初始化為獨(dú)立的后臺(tái)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)用于根據(jù)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn),可通過(guò)由IFC繼承的設(shè)備唯一ID(專(zhuān)屬號(hào)碼)保持與圖形對(duì)象的關(guān)聯(lián),并且在需要時(shí)可通過(guò)再開(kāi)發(fā)的BIMsurfer軟件調(diào)用Web圖形顯示。同樣,也可在圖形顯示中調(diào)用后臺(tái)數(shù)據(jù)信息以使選定圖形模型顯示信息。在業(yè)務(wù)管理中所需要的其它數(shù)據(jù)庫(kù)(如設(shè)備管理數(shù)據(jù)、角色用戶(hù)數(shù)據(jù)及流程關(guān)系數(shù)據(jù)等),都可由開(kāi)發(fā)人員另外建立分布式NOSQL數(shù)據(jù)庫(kù)(非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù))配合使用。設(shè)備模型與數(shù)據(jù)的分離處理流程見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)備模型與數(shù)據(jù)的分離處理流程

3.3 設(shè)備ID及二維碼應(yīng)用

在管理平臺(tái)中,用戶(hù)Web界面下的設(shè)備虛擬模型與實(shí)物外觀(guān)一致。虛擬設(shè)備的參數(shù)信息可通過(guò)設(shè)備ID來(lái)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)檢索。設(shè)備狀態(tài)(是否生產(chǎn)、是否到貨、是否安裝…)、經(jīng)手人、經(jīng)辦時(shí)間、過(guò)程問(wèn)題及驗(yàn)收文檔等相關(guān)數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),且可使用設(shè)備ID在管理平臺(tái)進(jìn)行檢索查詢(xún)、輸入填報(bào)。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)物上張貼了二維碼。此二維碼與設(shè)備ID關(guān)聯(lián)且唯一[9]?，F(xiàn)場(chǎng)人員使用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備登陸管理平臺(tái)后[10],掃描設(shè)備實(shí)物的二維碼即可完成在虛擬模型中定位設(shè)備、查詢(xún)后臺(tái)數(shù)據(jù)及進(jìn)行填報(bào)等工作。

管理平臺(tái)在軌道交通項(xiàng)目試用時(shí),設(shè)備BIM族模型由設(shè)備廠(chǎng)商提交,且須按設(shè)備實(shí)際安裝位置進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的排列放置。例如,交付10面相同規(guī)格的電氣柜時(shí),首先需在提交的BIM族模型中對(duì)這10面電氣柜進(jìn)行一一建模，并擺放到準(zhǔn)確位置；然后，為每面電氣柜對(duì)應(yīng)填入設(shè)備ID和其它參數(shù)。在交付電氣柜實(shí)物時(shí),柜身必須張貼與設(shè)備ID對(duì)應(yīng)的二維碼。這樣就實(shí)現(xiàn)了模型中設(shè)備ID與實(shí)物二維碼的一一對(duì)應(yīng)。

設(shè)備ID和二維碼是一串機(jī)器可識(shí)別的長(zhǎng)串碼。設(shè)備ID的定義規(guī)則一般按設(shè)備專(zhuān)業(yè)、安裝位置及設(shè)備商編號(hào)等條件設(shè)定,以確保每個(gè)設(shè)備ID的唯一性。

通過(guò)二維碼與設(shè)備ID的串聯(lián)(見(jiàn)圖4),可將虛擬設(shè)備模型與設(shè)備實(shí)體關(guān)聯(lián),讓現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備管理工作延伸至信息化管理平臺(tái),大幅提高了工作效率。

圖4 設(shè)備ID和二維碼的應(yīng)用

3.4 云平臺(tái)架構(gòu)與云計(jì)算

設(shè)備管理的業(yè)務(wù)流程涉及多家不同單位、不同位置場(chǎng)所的使用,故應(yīng)滿(mǎn)足手機(jī)移動(dòng)端的接入需求。因此必須采用B/S架構(gòu)，并使用兼容性強(qiáng)的HTML5技術(shù)開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面。

管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)自上而下分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用功能層和界面層(見(jiàn)圖5)。

圖5 云平臺(tái)整體架構(gòu)圖

在前期準(zhǔn)備階段,通過(guò)審核的模型轉(zhuǎn)為IFC文件導(dǎo)入平臺(tái)處理為JSON數(shù)據(jù)文件,并被進(jìn)行圖形與數(shù)據(jù)分離的初始化處理。數(shù)據(jù)層儲(chǔ)存圖形和信息數(shù)據(jù),使用MongoDB數(shù)據(jù)服務(wù)以NoSQL文檔數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶(hù)信息、文檔信息、過(guò)程信息和設(shè)備參數(shù)信息等。服務(wù)層包含使用GoogleGolang語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)管理Web應(yīng)用,對(duì)數(shù)據(jù)層的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理;使用BIM surfer再開(kāi)發(fā)的WebGL圖形處理應(yīng)用,對(duì)三維圖形進(jìn)行Web端展示控制。應(yīng)用功能層利用服務(wù)層提取和加工的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)不同角色用戶(hù)對(duì)不同工作的業(yè)務(wù)處理,并與模型圖形進(jìn)行互相調(diào)用。界面層使用HTML5技術(shù)完成界面UI設(shè)計(jì),讓用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)或手機(jī)移動(dòng)端接入服務(wù)器,通過(guò)對(duì)應(yīng)的用戶(hù)界面完成平臺(tái)操作。

以NoSQL文檔數(shù)據(jù)庫(kù)分布式處理各類(lèi)JSON數(shù)據(jù)文件,充分體現(xiàn)了分布式云計(jì)算的概念。整個(gè)管理平臺(tái)服務(wù)器端可部署于阿里云或其它云平臺(tái),只需投入很少的服務(wù)器管理資源便可獲得強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)然如有保密要求也可獨(dú)立部署。

4 設(shè)備跟蹤管理方法和功能設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)主要服務(wù)于項(xiàng)目的建設(shè)方，故設(shè)備跟蹤的主要環(huán)節(jié)為設(shè)備到貨、安裝、調(diào)試及驗(yàn)收。在每個(gè)環(huán)節(jié)的交付簽收時(shí),參與方應(yīng)使用本平臺(tái),通過(guò)二維碼找到對(duì)應(yīng)的虛擬設(shè)備，并填報(bào)作業(yè)過(guò)程信息。

服務(wù)器接收所有填報(bào)數(shù)據(jù),并進(jìn)行匯總分析,形成總體進(jìn)度統(tǒng)計(jì)。還可為管理者提供各類(lèi)分析報(bào)告,并對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)提供預(yù)警報(bào)警、原因查詢(xún)、資料檢索等功能。具體的管理平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 管理平臺(tái)主要功能模塊

5 結(jié)語(yǔ)

BIM可視化和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通項(xiàng)目使用云技術(shù)進(jìn)行可視化設(shè)備管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā),并投入實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了試用。通過(guò)該管理平臺(tái)在廈門(mén)軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備供應(yīng)商對(duì)設(shè)備BIM族和設(shè)備信息資料的信息化填報(bào),解決了設(shè)備安裝過(guò)程中各方過(guò)程管理的信息化難題；通過(guò)二維碼串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備實(shí)體的云端模型虛擬可視化,實(shí)現(xiàn)了手機(jī)移動(dòng)端的接入操作。在移交運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段,本平臺(tái)“模型+數(shù)據(jù)”的服務(wù)器端數(shù)據(jù)可整體移交[11],通過(guò)數(shù)據(jù)接口為運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)提供接入,作為運(yùn)營(yíng)維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備可視化管理的模型和數(shù)據(jù)來(lái)源,實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的數(shù)字化竣工移交。

該管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)路線(xiàn)充分考慮了BIM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IFC的兼容性以及開(kāi)發(fā)技術(shù)的先進(jìn)擴(kuò)展性,不僅可用于設(shè)備管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā),其開(kāi)發(fā)思路和成果還可繼續(xù)用于“基于BIM的施工管理系統(tǒng)”等更大規(guī)模的平臺(tái)開(kāi)發(fā)中。

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Research of Equipment Management Platform Based on BIM Technology in Metro Construction

QIAO Feng

The development roadmap and feasibility of equipment management platform used in metro construction period are studied,requirements for the platform development are analyzed.The business process architecture of the platform is introduced,including the visualization of BIM,the working principle and separation process of the equipment model and recorded data,the equipment ID and two-dimension code, Cloud architecture and Cloud computing,as well as the design of the main modules.The system development uses BIM technology and information technology for visual tracking of the data and the whole process management,including procurement,delivery,installation,debugging and acceptance,in order to complete the BIM model which contains all of the associated equipment information data at the time of delivering to operation teams.Therefore,this platform can be used for the asset management in metro operation period.

metro; BIM (building information modeling); equipment management platform

TU71:U231

10.16037/j.1007-869x.2017.06.017

2016-12-27)