基于BIM的教育基础设施运维管理信息系统研究

摘要：随着建筑业由增量时代步入存量时代，基于我国越来越多房屋面临维修的背景下，本文提出建立基于BIM的房屋维修管理信息系统的必要性与可行性，然后分析了维修管理的业务流程和系统的功能需求，建立并开发出基于BIM的房屋维修管理信息系统。最后结合某学校教学楼的模型，有效实现基于BIM的房屋维修管理信息系统，挖掘BIM对房屋维修管理的价值。

Abstract： With the construction industry entering the stock age from the incremental era and based on the fact that more and more houses in China are facing repairs， this paper proposes the necessity and feasibility of establishing a house maintenance and management information system based on BIM. Then， business processes and system functional requirements of maintenance management are analyzed and a BIM-based housing maintenance management information system is established and developed. Finally， combining with the model of a school teaching building， the system of house maintenance management information based on BIM is effectively realized， and the value of BIM on house maintenance management is tapped.

关键词：BIM；维修；管理信息系统；功能需求

Key words： BIM；maintenance；management information system；functional requirements

中图分类号：TU17；TP399 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0048-04

0 引言

由国家统计局数据显示，2016年教育固定资产投资（不含农户）为9323.67亿元，比上年增长21%。随着国家对教育基础设施建设的重视，大量的人力、物力都被投入到教育基础设施的建设中来，目前在教育基础设施领域正存在着“重建设，轻管理”的问题。这里的“建设”指的是基础设施项目的规划、设计、施工阶段，而“管理”则指的是基础设施项目的运维管理阶段。一般基础设施项目的规划、设计、施工等阶段仅占短短几年时间，但其运维管理阶段是整个项目生命周期内占用时间最长的阶段，也是管理成本最高的阶段，理所应当受到政府的重视。

随着国家在教育基础设施建设中的投入力度不断加大，以下问题在教育基础设施管理过程中逐渐凸显：①在现行的管理体制下，教育基础设施仍多为政府自建自管，由于其管理模式落后，使得很多基础设施无法物尽其用，造成极大资源浪费。②设施运维信息的真实性难以得到保证。[1]在大体量建筑中，当一线人员执行设备的巡检等日常任务时，运维管理人員很难及时掌握一线人员的实时工作状态；同时，目前以纸质形式为主运维信息易被安全责任人篡改，其真实性大打折扣。③二维图纸具有局限性，管理人员难以实现精细化管理。[2]在传统运维阶段中，各类信息大部分还是以竣工图纸和文字和的形式来展现，不能直观地表达各设备之间的空间关系，只有具备相关专业知识的人才能看得懂，对管理人员的专业能力有较高的要求。

1 研究方法

本文用到的研究方法为文献查阅发和用于计算机系统开发的结构化生命周期法。

1.1 文献查阅法

文献查阅法，即是通过收集国内外与公共基础设施管理和BIM技术应用于运维阶段的相关文献，并加以总结，找到适合本文的研究路径。

1.1.1 国外研究现状

国外学者们利用BIM技术在运维阶段应用于设施管理的研究已经相当成熟。现有研究主要分为两个方面：一是探讨BIM技术在运维阶段对建筑设施管理的价值，二是如何将BIM技术应用于运维阶段的建筑设施管理。

①BIM技术给建筑设施运维管理带来的价值。JiB（2014）等[3]认为目前运维管理中存在两大问题——“信息流”和“信息孤岛”。BIM技术具有数据存储和可视化的特点，能够使结构、建筑和设备等多个专业的图纸同时在一个三维物体上展现出来，从而让各个专业的设计人员更好地分工合作，从而解决上述两个问题。Mohamad Kassem（2015）等[4]研究表明，BIM技术能够给建筑业传统运维管理带来的提升在于：二维和三维设计工作方式切换的转变、运维管理精度的提升、工程质量和监管效率的提升等。Liao C Y（2012）等[5]认为，运维管理阶段是绿色建筑整个生命周期中耗时最长、信息量和工作量最大的阶段，而BIM不但可以提高建筑的工程质量、节约资源，还可以对建筑进行实时监管和进行能耗分析，对如水管爆裂、火灾等突发事件能进行预警。

②如何将BIM技术应用于运维阶段的建筑设施管理。Ahn D（2014）等[6]指出建筑的运维信息应该从项目决策阶段和实施阶段就开始收集，且收集到的信息必须整合到建筑的BIM模型中，才能为业主提供高效的设施运维管理，这些信息应包括：材料信息、设备信息、厂家信息及设施的维护历史记录等。Wang S H（2015）等[7]基于BIM技术开发了一个建筑运维管理平台，包括逃生疏散模拟、应急路线规划、安全管理和设施设备管理等四个子系统，该平台能对建筑进行可视化，展示建筑的运维信息，并且能评估建筑的消防安全能力。Kevin Yu 等[8]开发了基于 IFC格式的设施管理系统，要实现以集成 BIM 为载体的设施管理系统，必须通过大量的底层技术开发来做支持，尤其是通过建立国际通用的标准格式文件，规范数据模型，来使得计算机软件之间的信息无损传递共享。从系统实现的方法、实现目标以及现实实施难度的问题等几个方面切入，介绍该系统的基本框架。Becerik-Gerber B等[9]研究将BIM 技术作为设施管理的补充部分，利用其强大的可视化和集成化的平台。帮助人们普及 BIM 在设施管理中的潜力。Godagcr. B[10]在BIM 的应用被主要集中在新建建筑项目的情况下，研究了将 BIM 技术应用于已有的建筑物的设施管理中，该研究的主要目标是将 BIM 技术与既有建筑相结合，实现包括日常运营、消防安全和设备管理等在内的运维管理以及其他方面的管理。

1.1.2 国内研究现状

国内学者对将BIM技术应用于运维阶段的设施管理也有相应的研究，其主要研究分为两方面：一方面是探讨BIM技术应用于设施运维管理的思路，另一方面则是BIM技术在设施运维管理中的实际应用。

①BIM技术应用于设施运维管理的思路。汪再军（2013）[11]认为，资产管理、公共安全管理、空间管理、能耗管理和维护管理是研究建筑运维管理须关注的重点内容。纪博雅、戚振强、金占勇（2014）[12]认为建筑运维阶段的管理内容包括物业管理、设备维护和经营管理等方面的内容。佟曾、王代兵（2014）等人[13]基于设施运维、空间管理和应急模拟的视角，分析了在商业地产中运用BIM 技术能够带来的价值。鞠明明，李少伟（2015）等[14]提出了在空间管理、设备管理、应急模拟和能耗分析等方面应用BIM、GIS和MIS等集成技术的想法。王廷魁和张睿奕[15]提出了BIM 的建筑设备可视化管理模式能够提高设备管理的信息化程度，进而提高工作效率，降低设备管理难度。

②BIM技术在设施运维管理中的实际应用。余雯婷和李希胜[16]研究了应用BIM技术提取建筑设施管理的信息和工作模式。他们通过将BIM技术和数据库技术结合，实现了在Web端的运维管理系统也能支持对建筑信息的查询、修改和分析等操作，并开展了一系列的系统开发实践，取得了较好的结果。胡北（2016）[17]研究了IoT与BIM技术在隐蔽工程维护、安全管理、能耗分析和设备监测等方面的应用。张智云，陈明元，高磊（2015）[18]在对建筑能源作好分类的前提下，运用BIM技术进行各类能耗进行模拟，并与之前采集的历史数据作比较，并验证了模拟的结果在误差范围之内，从而证明BIM技术应用于能耗模拟是可行的。刘林，齐振华（2015）[19]把云计算、IoT和BIM技术集成于物业管理平台中，实现了可感知和可视化的智能管理平台。

从上述文献可以看出，国外学者在BIM的设施运维管理方面的研究做了极大的努力，既有对设施管理信息化方面的研究，又有将BIM与其他技术融合的创新。而国内的研究主要集中于一般建筑的设施管理，在教育基础设施管理方面的研究近乎空白，随着国家对教育基础设施投资的连年增加，教育基础设施的管理水平越来越得到社会各界的重视。由于目前教育基础设施管理的模式相对落后，运维管理效率不高，导致许多设施在没有完全发挥其原本的功能的时候，就将其换掉，造成极大的资源浪费。如在学校出现了反复更换门窗，高频率更新屋顶防水等现象，一定程度上造成了教育资金的浪费，降低了教育投资的效果。因此，教育基础设施的智慧化管理是智慧城市发展的一个重要方向，而目前相关研究相对缺乏，需做进一步研究。本文根据教育基础设施的特点，对基于BIM的教育基础设施运维管理系统（以下简称系统）的分析与设计展开研究。

1.2 结构化生命周期法

所谓的结构化生命周期法，即系统开发的步骤在其生命周期中的各个阶段都有严格的规定，而系统的整个生命周期包括规划、分析、设计、实施、管理运维等阶段。本文主要从分析、设计两个阶段展開研究。

1.2.1 系统需求分析 根据教育基础设施的特点，基于BIM的教育基础设施管理信息系统需满足以下功能需求：

①对既有建筑设施进行三维展示。传统维修工人拿到二维的CAD图纸后，只能通过空间想象，以及经验进行施工。而对于建筑设施复杂节点或隐蔽工程的检修，维修工人对待检修的部位进行定位，处理不好还会导致返工，增加额外的维修费用。而BIM模型能够将待检修的建筑设施（甚至能精确到设施中的某个构件），以三维立体的形式展现在维修工人的眼前，方便他们进行检修。

②对模型进行专业管理。既有的教育基础设施设备是分专业划分的，并由多个部门负责运维管理的。所以，本文研究的BIM模型需要按专业划分，然后在系统里能够分专业展示，以方便各部门分类管理的需要。

③具备设施设备属性、关联文件等的显示和调用功能。设备的BIM模型必须与图纸、采购合同、现场照片等关联文件进行一一关联。此外，系统还应满足管理人员通过查询、查看历史记录等功能调用BIM模型中构件、设备所有相关信息的需要。

④对某个构件和设备的维修等级进行评定。建筑设施和设备使用一段时间后，由于其使用功能和周围环境的不同，其损坏程度也会不同，维修需要花费的费用也不同。所以，系统应根据设施和设备的损坏程度设置相应的维修等级，然后管理人员根据设施和设备的维修等级，使用相应的维修方法，从而达到节省维修费用、精细化管理的目的。

⑤对设施和设备的维修记录进行管理。在维修人员维修完成后，管理人员需要记录下每次的维修信息和维修结果，以便进行设施设备的维修统计和分析，为日后更换设施设备提供决策支持。

⑥显示即将需要检查和更换的设施设备。每种设施和设备都有其日常检查周期和正常使用年限。日常检查周期是指对设施设备的外观、使用功能及安全性进行检查的时间间隔。正常使用年限，是指设计规定的结构或结构构件不需进行大修还能够正常使用的时期。前者是为了确认设备设施是否需要维修，后者则是为了确认设施设备是否到了更换的时间。所以，这两个时间对于设施运维管理有重要意义，需在系统里设置相应的提醒功能。

1.2.2 系统设计 ①总体框架设计。本文通过将施工信息、运维信息、竣工资料及建筑的BIM模型等数据集成在一块，基于浏览器和服务器架构进行系统的设计开发。系统的总体框架如图1所示。

系统的总体框架自上而下包括用户层、应用层、数据层三个层次，这三个层次相互形成一个有机的整体。用户层：用户层是为该系统的用户设计的。该系统的用户包括政府监督机构、运维管理人员及维修人员。应用层：应用层主要对用户层发出的指令进行处理，并反馈给用户层。结合上文的功能需求，该系统的应用层主要包括对以下五个方面的管理：BIM模型管理、维修管理、运维信息管理、资产管理、安全疏散管理。数据层：数据层是整个系统的数据来源基础。包括BIM模型数据、运维信息和资产信息等。

②系统功能设计。根据BIM技术的优势和系统功能设计的理念，基于BIM的教育基础设施运维管理系统可实现的功能见表1。

2 研究结果

2.1 实施方案

本文研究的系统具体的实施方案为：第一，运维单位收集业主（学校）日常管理业务的需求，确定系统的功能模块。第二，梳理业主（学校）的业务需求，此外还需业主配合完成以下两方面信息的收集，一是业主对建筑BIM模型精度的要求，二是业主对系统的功能拓展模块的要求。第三，在系统实施过程中，运维单位一方面严格按照设施管理的要求进行创建BIM模型和开发系统，另一方面对系统的相关用户进行系统使用培训。

2.2 系统实施

根据上述的实施方案，系统的实施路径见图2。

3 结论

在国内外学者研究基于BIM的设施运维管理系统基础上，本文又在教育基础设施运维管理方面应用BIM技术做了探究。在总结出传统设施运维管理存在的问题后，本文提出教育基础设施运维管理系统应具备的功能需求，并设计了运维管理系统的总体框架和功能，最后阐述了所设计的系统的实施方案和实施技术路径。但本系统对BIM模型的精度要求较高，一般施工单位在工程竣工验收时移交给业主的模型并不能直接投入到平台使用，还需要运维管理人员对模型进行二次加工，造成大量人力、物力和财力的浪费。因此，模型的精度问题是影响运维管理系统的关键因素。

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