2016年10月19日, 国家住房和城乡建设部印发《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》, 将BIM和物联网技术上升到国家发展战略层面, 基于BIM和物联网技术的生产与管理模式创新以及信息化水平提升已经成为建筑业发展的必然趋势。目前, 国内BIM应用主要集中在设计和施工阶段, 延伸到后期运营维护 (简称运维) 的案例屈指可数。然而从项目全寿命周期来看, BIM在运维阶段能创造出更多的价值和效益。从图1中可以看出, BIM在维修保养、质量管控、调试工作等应用点的支持率都>65%, 其中维修保养工作的支持率接近80%, 这些应用点都是设备管理工作的主要内容。由此可以看出, BIM在运维阶段的设备管理中存在很大的应用价值和潜力。

无线射频识别技术 (radio frequency identification, RFID) 是一种通过无线电信号读写数据的非接触式识别技术, 广泛应用于资产管理、门禁系统和物品追踪等领域。将BIM与RFID技术集成应用到设备管理中, 将设备的历史信息 (前期申购资料、采购、验收过程中的合同等) 、过程信息 (运作、维修保养记录等) 以及实时信息 (位置、运作状态等) 与BIM模型关联, 管理者通过对设备模型的实时监测, 可以全面掌握设备的运维状态和使用分布, 改善传统设备管理模式中维护工作响应拖沓、人工记录工作量大、“信息孤岛”现象、信息查阅效率低等问题, 实现基于BIM技术的可视化智能化设备管理。

根据上述不同设备管理模式的对比以及设备管理发展的需要, 结合BIM与RFID技术特点和应用现状, 分析并优化当前设备管理工作流程, 得出基于BIM与RFID技术的设备管理系统应具有如下功能。

设备管理工作涉及多个部门, 不同部门人员需要各司其职, 对设备管理系统具有不同的操作权限, 因此要求管理系统的账号根据权限进行分类, 方便不同部门人员的实际操作。

设备从购置到报废的全生命周期会产生大量的基础信息和过程信息。基于BIM与RFID技术的设备管理系统首先应集成存储记录设备相关的所有信息, 通过BIM将设备与来自RFID技术的设备信息进行集成, 建立完整的设备信息数据库并能进行查询。

设备运维过程中的使用、维修、保养、位置、权属等信息属于动态信息, 需要通过RFID技术实时扫描, 动态将运维过程中的相关信息录入BIM, 进行设备信息的实时动态管理。

BIM为建筑的三维可视化提供了技术支撑, 包含设备模型的BIM可以将设备与建筑进行集成并三维可视化显示, 更加直观形象地了解设备相关信息及其与建筑的相互关系和空间位置。

通过设备巡检、保养、维修及各环节的申请处理等相关信息的录入和流程设定, 系统自动统计当日工作量, 显示任务表明细, 为管理者的当日工作量安排提供数据支撑, 提升设备管理的效率和质量。

设备管理系统中, 设备信息包括设备购置入库时的基本属性信息和设备使用过程中的运维信息。基本属性信息包括设备的系统名称、设备名称、使用部门及独属ID号等, 基本属性信息基于设备个体产生, 在设备购买入库后便能确定, 具有单独个体性。设备的基本属性以台卡的形式存在, 并写入设备的RFID电子标签内, 附着在设备上, 方便现场管理者随时查阅更新。其中, ID号是设备的身份象征, 由设备类别和空间位置信息共同确定, 命名规则如图2所示。

设备的运维信息在生命周期内不断更新, 是设备管理工作的重点。在运维阶段, 设备从最初的采购入库至最后报废的各环节, 包括设备的报修及维修、计划保养、周期巡检、预警提醒、变更处理、申请报废等相关工作。

在购置入库阶段, 首先确定设备的购置流程 (见图3) , 然后将前期的采购申请及审核、购置设备、入库安装、调试运行等信息记录归档, 建立设备台账。设备入库安装的同时粘贴身份标识——RFID标签, 其内附着有设备基本属性信息, 同时在BIM中添加设备模型, 与实体一一对应。使用管理部门A编号RFID阅读器首次扫描标签, 设备入库未使用状态随即反映至BIM中。调试完成开始使用时, A编号阅读器第2次扫描, 设备进入正常使用状态。

根据上述流程分析可知, 在设备购置入库进行登记时需要记录设备的名称、数量、使用部门等申购信息;供货商、品牌型号、合同及证书附件材料等购置信息, 安装信息、模型信息及调试运行信息。

根据运维阶段中报修维修、计划保养、周期巡检、变动管理和停用报废各环节的设备管理工作流程及提醒警示功能的设计意义, 对设备相关信息进行需求分析, 除设备的ID、名称、安放位置等基本信息是共需的, 各环节所需信息因其管理侧重点不同存在差异, 图4所示为提醒警示、计划保养、折旧所需的信息。

基于BIM与RFID技术的设备管理系统应集成设备运维信息、RFID标签信息和BIM信息, 实现设备信息动态化管理。综合利用BIM技术在信息集成应用、管理存储等方面的优势, 以及RFID技术在信息更新、传递、读写等方面的特点, 解决传统设备管理手段无法克服的问题, 对加快设备动态化和可视化管理具有重要意义。

基于BIM与RFID技术的设备管理系统主要分为数据层、用户层和功能层3个层面, 系统框架如图5所示。底层为数据层, 是一个集成BIM信息、RFID标签信息和设备运维信息的大数据库。顶层为用户层, 基于不同用户的使用权限对设备申报、待处理工作、已处理工作和记录等进行查看和操作。中间层为功能层, 分为搜索浏览设备3D模型、设备信息查询和设备管理3大板块, 是系统主要管理功能的集中体现。

在数据层中, BIM信息主要提供设备的环境信息, 客户端录入信息包括在设备管理中产生的历史信息和过程信息, RFID标签提供的信息是设备的ID、品牌型号、寿命等基本属性信息, 以及维护保养、位置状态等实时信息。

在BIM数据库内, 存储了建筑设计阶段、施工阶段过程中产生的所有数据, 如建筑图纸资料、三维模型、构件设备几何和非几何信息、施工过程资料等信息。因为期望能从BIM数据库中获取对设备管理有利用价值的信息, 所以需要对BIM数据库中的信息进行选择而不是全部继承, 如施工阶段的过程资料在设备管理工作中的应用价值较小, 可以过滤。

用户应用层是客户端数据的来源, 类似于OA系统中的门户概念, 基于不同权限的用户人员提供相应的操作功能键, 对各类重要信息、待处理信息的指令和查询做出集中显示和提醒。例如, 一般用户只能进行设备的3D模型浏览和基本属性信息查询及报修申请;管理部门人员除拥有一般用户的操作权限外, 还能进行审批或派工等。职责权限分明的管理模式可以更好地管理设备运作, 制定维护报修计划。

功能层包含模型管理、信息管理、运维管理, 是用户管理任务目标对象的体现。模型管理主要依据实际情况对模型进行创建、改造更新和删除操作。同时, 可以通过观察模型的实时状态反馈信息掌握设备的实际运行情况, 实现设备模型与实体本身的联动管理。信息管理主要通过客户端录入、更新、完善等操作管理设备在其全生命周期内产生的相关信息, 以供管理人员随时查阅利用, 为运维管理者做决策提供数据参考。模型管理和信息管理是双向的, 彼此紧密联系, 其中一方更改会联动另一方的数据变化。

运维管理每个阶段包含申请、审批、安排计划、实际操作、结果验收确认、记录过程信息等环节, 每个环节的实际操作结合系统应用和现场操作2部分管理任务。两部分相互依存、管理对象和目标一致, 同时进行, 在完善工作流程的基础上提高了工作有效性。

在满足基本功能需求的前提下, 结合设备管理实际工作流程设计本系统的功能模块, 主要分为用户管理、模型浏览、信息查询和设备管理4大板块。系统设计初衷是为了将BIM、RFID技术和管理工作产生的三方数据集成到一个平台上, 简化管理工作流程, 更高效地实现工作目标。

对不同用户有相应的管理权限和职能, 本系统主要分为普通用户和管理用户2类, 管理用户相对于普通用户拥有更多的功能板块。在模型浏览板块, 两者具有同等权限;在信息查询板块, 管理用户在普通用户基本属性信息查询的基础上还能查询设备的运维信息, 也可对此类信息进行添加、更改、删除等操作;在设备管理板块, 管理用户比普通用户的登录界面多具备4项功能操作, 分别是状态灯管理、提醒警示、计划保养、周期巡检。另外, 管理用户在每项运维管理的子菜单中还具有审核、更新模型等操作权限, 而普通用户并不具备, 具体功能设置及意义如表1所示。

在模型浏览板块设置ID搜索、位置搜索和类别搜索3种方式。ID是设备RFID标签上对应的ID, ID搜索直接对应设备个体, 具有快速、准确的优势。按个体ID搜索是在管理系统中输入代表设备身份的特有ID号, 该设备的3D模型会在BIM中亮显以便浏览, 同时还可以浏览该设备的台卡。位置搜索对应某区域内的所有设备, 需要输入设备所在项目、区域名、楼层数及房间号等信息, 能便捷地统计某子单位的设备清单, 以分析不同类设备的数量、维修记录等数据。与此类似的是类别搜索, 只需输入系统类别名便能快速地统计建筑物内某类设备的台账。按类别搜索指管理者有意了解某类设备的数量及位置分布等详情, 通过输入类别名称捕捉该类设备, 具体功能设置及意义如表2所示。

设备基本属性信息和运维信息构成了设备全部信息库, 管理者希望从信息库中选择需要的信息, 并对其进行读写。在基本属性信息中, 信息选项是固定的, 但内容可以是单独1台设备也可以是该类设备的一个完整台账。运维信息是针对单个具体设备的, 包含设备的购置、提醒、维修、保养、巡检、变动、报废和折旧等信息, 每项信息内容都很丰富。信息查询是一对一的浏览方式, 选中目标设备的模型, 对其有关信息进行浏览查看, 可以和3D模型浏览进行双向选择, 用户既可以通过在模型视图界面选择构件设备模型进行信息查看, 也可以通过目录树界面选择所需信息进行查看。具体功能设置及意义如表3所示。

基于设备全寿命周期管理是实时动态管理原则, 设备管理模块主要包含购置入库、状态灯管理、提醒警示、申报维修、计划保养、周期巡检、变动管理和停用报废8个功能键, 每个功能键所包含的管理工作和设置如表4所示。

某大学教学楼扩建项目即1号教学楼 (北楼) 工程共5层, 层高3.9m, 每层楼布局基本一致, 对其进行基于BIM和RFID技术的建筑设备管理应用。

用户可以通过设备ID、位置或类别名称3种方式在BIM中选择性地搜索设备, 被定位的设备在图中亮显, 形象直观。ID搜索方式快速准确捕捉目标设备模型, 用户在三维视图中可以清楚明了地查看该设备的空间环境信息, 包括安置点、周围环境、临近同类别或不同类别设备安置情况等, 同时显示设备台卡供用户查阅。

用户可以在BIM中直接点选设备模型查询相关信息, 包括基本属性信息和运维信息。这些信息通过设备台卡或台账的形式显示, 允许管理者进行添加、更改、删除等操作。信息内容包含设备全生命周期各阶段所有关键信息, 反映设备健康情况, 满足管理需求。

系统设备管理模块操作顺序符合现场实际工作流程习惯。特别增加状态灯管理和提醒警示2个关键功能来实现设备状态实时管理和主动式管理。图6, 7分别为状态灯管理和位置异常提醒演示。

基于BIM技术的设备管理优势正在逐渐显现, 本文设计的基于BIM与RFID技术的设备管理系统是一种探究性尝试, BIM技术在建筑后期运维阶段的实践应用有待探索。与传统的设备管理相比, 信息化的设备管理能提高设备利用率与设备资产经营效益, 从而促进设备资源的优化配置和有效运行, BIM结合RIFD在设备管理方面的应用价值有待进一步研究。同时, BIM技术与其他科学化信息技术, 如GIS、物联网、建筑智能化等的整合有待进一步探索和挖掘。