信息建筑模型BIM与物联网融合的价值分析

BIM与物联网融合的价值分析

时间:2011年11月21日
【摘要】BIM是建筑业革命性平台和技术,它改变传统的设计、建造和运维模式。物联网是物物互联的网络,是继虚拟的互联网之后出现的无所不在的更强大的网络。在建筑业中,物联网 新大陆二维码条码物联网自主创新 首颗二维码解码中国芯诞生网吧业者大陆PC、板卡厂大陆业绩触礁批评新闻线索邮箱飞思卡尔扩展业界唯一的高度集成电场技术价格街机行货一边是降价一边是涨价 iPhone的冰火两重天重庆笔记本电脑基地年产1.2亿台落定广电总局智能电视广电总局布局TV-OS中间件 争夺智能电视播控权灯泡市场开发商LED市场前途看好仍非坦途TD-SCDMA晶片终端中国移动将联手威盛研发4G芯片硬件可编程嵌入式发挥 FPGA 设计的无限潜力

【摘要】BIM是建筑业革命性平台和技术,它改变传统的设计、建造和运维模式。物联网是物物互联的网络,是继虚拟的互联网之后出现的无所不在的更强大的网络。在建筑业中,物联网离不开BIM,通过两者的融合,实现智能建筑向智慧建筑的进化。本文在更大范围探寻BIM与物联网之间的逻辑关系和两者融合的方法及所产生的巨大价值和对建筑业的深刻影响。

1、前言

在过去的20年中,计算机辅助绘图CAD(Computer Aided Design)技术的普及推广使建筑师、工程师们从手工绘图走向电子绘图,这是工程设计领域第一次革命。CAD技术的发展和应用改变传统的设计方法和生产模式,而且提高设计质量和设计效率。

BIM(Building Information Modeling)——建筑信息模型,为工程设计领域带来了第二次革命,是从二维图纸到三维设计和建造的革命,也是一次真正的信息革命,BIM将彻底改变工程设计、建造和运维方式。

BLM(BuildingLifecycleManagement)——工程项目生命周期管理,BLM是用来提高和改善工程项目数据管理和共享行为的技术。Autodesk的BLM解决方案中的数据共享服务平台产品叫Buzzsaw。

物联网(IOT,Internet of Things)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

在BIM应用中,人们只关注BIM技术,并没把它置于物联网的广阔背景中去扩展和延伸它的应用。在物联网的应用中也很难看到BIM的影子,并没有深度挖掘BIM在物联网中的潜在价值。目前许多研究者只关注单一领域的应用研究,而没有发现BIM与物联网之间的逻辑关系和两者融合所产生的巨大价值。所以不论在实际应用中还是理论研究中,BIM与物联网是相互隔离各自为战的不同领域,BIM和物联网的应用也因此而受到制约。

我们研究发现基于BIM的物联网应用不仅具有技术上的可行性,而且具有巨大的价值和广阔前景。在建筑业中,物联网离不开BIM,同时,BIM又是构成物联网的基本元素,通过两者的融合,实现智能建筑向智慧建筑的质的飞跃。我们应把注意力转移到两者的相互结合、集成或嵌入上来,本文试图打通它们之间的壁垒和障碍,进行深度融合。BIM理论研究成果颇丰,物联网研究也硕果累累,然而基于BIM的物联网应用几乎是一片空白。

任何一个新生事物,必先有概念和研究,然后有实验性产品和应用性产品,最后才推广应用。

2、BIM的概念

建筑信息模型BIM是建筑行业革命性的新型平台。该模型利用建模软件,通过数字信息技术把整个建筑进行虚拟化数字化智能化,信息的内涵不仅仅是几何形状描述的视觉信息,还包含大量的非几何信息,如材料的耐火等级、材料的传热系数、构件的造价、采购信息等,它是一个完整的丰富的逻辑的建筑信息库。

现实世界是三维实体,然而在传统的设计中,由于技术手段的限制,设计师选择二维的图形和文字表达作为两者之间的信息传递。

基于二维设计在设计建造过程中将不可避免地产生一些低级错误,也很难表达和还原空间的三维复杂形态。建筑信息模型是通过参数化实体造型技术使计算机可以表达真实建筑所具有的信息,真实再现未来建筑的空间布局、管线走向及位置,让设计师与业主、工程师直接通过建筑信息模型完成信息的表达、传递和交换,使业主、设计师、建造师、咨询师之间的信息交流更方便。具有可视、具象、完整、关联和互用性等特征,是原始二维设计技术根本性提升。当然也不要完全取消二维设计,二维设计只是BIM的一个子集。

建立建筑信息模型后,可以很方便地引入虚拟现实技术,实现在虚拟建筑中的漫游,这是传统二维设计所望尘莫及的。借助基于建筑信息模型的虚拟漫游技术,可进入虚拟建筑中的任何一个空间。借助3D动画技术,可以演示建筑成长的过程。现代信息化技术和三维设计技术的发展,使得回归符合思维习惯三维的设计成为可能,在技术上已具备了基于建筑信息模型的全方位实施的可行性。

BIM是个五维关联数据模型(几何模型3D+时间进度模型4D+成本造价模型5D),可以实现协同设计、碰撞检查、虚拟施工和智能化管理等从设计到施工到运维工程生命的全过程的可视化。

为什么以往的工程项目有那么多的风险,是因为信息的零碎化,形成一个个信息孤岛,信息无法整合和共享,导致信息的无序流动。因为建筑行业不同于其它行业,有着固定的组织边界,工程建设行业有许多规模小、专业化、关联的参与者,却几乎没有纵向的集成,设计、施工和运营等是相互隔绝,可以说,建筑行业几乎是个割裂的行业结构,关键是缺少一种共同的交互平台,造成信息流失、信息传递失误,阻碍工程建设行业信息交流。美国国家标准研究院(NIST–NationalInstituteofStandardsandTechnology)2005年初发布的一份报告指出,仅仅由于项目成员之间数据互通性的要求而产生的成本就使建设项目效率降低6%左右。BIM的产生有望改变这一局面,使设计、施工、运维等进行信息的共享和管理。

目前仍面临建筑信息模型应用单一性的问题,没有进行扩展和延伸应用,即没有挖掘它的应用潜力,如设计院建筑模型主要用于协同设计和碰撞分析,而三维算量软件建立的信息模型也仅是用来统计工程量,似乎没有更大范围的应用。其实建筑信息模型可以在整个建筑生命周期进行全过程全方位更深入更全面的应用。之所以没有得到大范围应用,其原因是这个建筑信息模型的功能还比较单一,承载的信息量不够丰富全面。这是BIM在建造与运维阶段没有充分应用的原因所在,也是一个瓶颈。我们似乎没有发现更多可以利用的价值,其实它的价值是没有被充分挖掘而已。

尽管有系统的BIM理论,但如何把BIM研究成果转化为实用的BIM工具,这需要一个过程。在BIM建筑信息模型上可以无限制地增加、提取、更新、修改、交换、共享、验证各种建筑元素和信息,只有承载全部建筑信息的BIM才能更好地应用于设计、建造与运维。国内鲁班系列软件具有BIM扩展功能,这是一个开端和尝试。

BIM的潜在优势十分明显,BIM就是平台和系统,根据系统论原理,系统大于各子系统之和,即集成的大系统所承载的信息和产生的价值要大于各子系统的简单相加,因为整合后的系统可以产生协同效应和信息共享及重复利用所带来的增值。

BIM是建筑业的一场深刻变革,是整个建筑业的一场信息革命和管理方法的革新,它不能仅仅停留在设计界。建筑信息模型的结构是一个包含有数据模型和行为模型的复合结构。它除了包含实体模型与数据库外,还包含与管理有关的行为模型,实体模型与数据库最终也是为管理服务。

目前,建筑信息模型在设计界应用较多,而在建造运维阶段却刚开始。由于建造运维相对于设计,生命周期更长,任务更多,如果BIM能在建造与运维阶段能得到广泛应用,将产生更大的价值。这种应用的不均衡性又严重制约BIM的普及,无法体现BIM的全部价值,应把BIM贯彻到整个产业链。建筑信息模型给企业带来实际益处和潜在价值仍被低估甚至还不为人了解,对BIM缺乏正确的认知,仍有人在观望和犹豫。从全球化视角来看,BIM已成为一种不可逆的发展趋势,在欧美国家,BIM项目已超过传统项目,业主、设计师、承包商都对BIM有深刻理解和自觉应用,有约50%的BIM使用者。

3、BIM在运维阶段应用特征

BIM并非是个笼统的概念,在设计、建造、运维不同阶段其定位和模式是不同的,不能简单的一概而论,我们要找出其中的差异性,从而更有效地去实施。不同的专业领域,不同的角度,BIM也不同,用途也不同。不过,虽然形态各异,但它们的基础模型应该是同一的,可以各取所需。这个BIM是可扩充的、动态的、可视的、虚拟的模型。BIM是个不断丰富和完善的综合的开放系统,是“全过程深度整合与互动”。不要指望在各个应用层次一步到位,它不需要一步到位,也不可能一步到位。

在项目规划、设计阶段,藉由BIM模型,仿真MEGAHouse之施工程序,检查施工接口可能之冲突;在建造阶段,则结合RFID可读取构件信息功能,发展RFID+4D项目信息管理系统,实时监控施工过程。(固定链接:http://cnbim.org/1218.html)

在BIM模型上,可以进行施工文档资料的管理、建筑设备管理、能源运行管理、资产安保管理、突发事件管理、人员管理等一系列管理。BIM就如可视化的智能图书馆,保存了建筑物丰富的信息资料,可搜索、查阅、定位、调用和管理,如点击建筑模型上的某一构件,如防火门,模型马上显示它所有属性资料如品牌、生产厂商、规格、出厂日期、保修期限、质保书、安装日期、安装人员姓名,具有可追溯性。同时,它还会自动发出报警和预警,如有些设备使用奉命到期可发出预警,对设备、能源异常使用情况BIM会自动发出警报。这是过去传统的二维图纸所无能为力的。尤其是应对突发事件更显示它强大的功能,如发生火灾、漏水、抢劫等突发恶性事件时可以通过BIM迅速定位建筑内部复杂的通道和出入口以控制灾难蔓延和事态扩展,这样就不会陷于盲目处置手忙脚乱的境地。综上所述,BIM可以进行可视化精细化智能化集约化管理,必将取代低效的传统模式。

物联网在建筑运维阶段应用较多,而BIM在运维阶段又能发挥那些作用?

设施管理(FacilitiesManagement)处于整个工程项目生命周期的运维阶段,是物联网所重点关注的对象。设施管理包括建筑、家具、设备等“硬件”和人、环境、安全等“软件”。

空间管理能够根据BIM模型,收集和记录每一部分的空间信息,跟踪建筑空间的使用情况。设施维护分为日常维护行为和突发维护行为,日常维护行为按制订的计划维护,目的是增加设施的使用年限和使用效率,避免出现故障。突发维护行为是由于突发事件或设施设备的突然损坏和故障,此时BIM可以发挥更多的作用。建筑设施的新建、改建、日常运行、维护等都离不开BIM的支持。计算机辅助设施管理系统(ComputerAidedFacilitiesManagement)是指利用信息技术,包括BIM、图像信息系统(GIS)、互联网等来管理和支持设施管理任务。

4、BIM在物联网上应用案例

目前,BIM局限于某一领域应用,没有扩展到整个建筑产业链,是“孤独的BIM”。

BIM如何“嵌入”到物联网中,我们似乎还没有清晰的思路和可行的方案,但有一点是很清楚的,那就是物联网离不开BIM,没有BIM,物联网的应用是缺少支撑的。人类活动的大部分时间都是在建筑物中进行,人类拥有的物质财富也大都在建筑物内。物联网是物物相连的网络,可以狭义地理解为建筑及其内部物质之间的相连的网络。BIM是提供建筑物全部信息的模型,它是完整的建筑信息库,所以物联网应该基于BIM才可以充分发挥它的作用。BIM与物联网如何融合?我们可以通过安装RFID来实现。

BIM是把建筑数字化模型化,是虚拟的建筑,它是实体建筑的真实再现。RFID是射频识别技术,把建筑物及空间内各个物体贴上标签,实现对物体的管理,但它无法进一步获取物体更详细的信息如生产日期、生产厂家、构件尺寸,特别是物体的内部信息,而这些要从BIM中获取,BIM详细记录了建筑物及所有构件和设备的所有信息,这样BIM与RFID正好具有了互补性。

RFID是物体带有唯一性信息特征的“身份证”,RFID是物体的“头脑”、“灵魂”和生命,通过信息接收设备和互联网联系起来,就构成了人与物和物与物相连的物联网。RFID是信息采集工具,它有三部分组成:

标签(Tag):由耦合元件及芯片组成,是唯一的电子编码附着于物体上标识目标对象。

阅读器(Reader):读取或写入标签信息的设备,有固定式和手持式。

天线(Antenna):在标签和阅读器间传递射频信号。

通过接收装置和互联网传输到信息中心进行信息处理。可对RFID发出的信号进行信息跟踪,如通过各种数码终端远程获取施工现场和建筑物内部外部的复杂情况。以前靠人工填写进度和计划报告具有很大的主观性,从而使管理高层不能掌握真实情报和精准数据,导致决策的失误,影响整体效率。当RFID的现场跟踪和BIM的信息管理模型结合在一起的时候,上述问题迎刃而解。构件的状况通过RFID的信息收集,形成了BIM模型的4D模拟,施工进度、重点部位、隐蔽工程等通过RFID信息传递把现场资料自动记录到BIM模型的对应位置上,管理人员对现场发生的情况就能了如指掌。

工程项目按BIM软件处理,就可在BIM模型中建立所有部位构件的与RFID信息一致的唯一编号,那么这些部位构件的状态就可以通过RFID、智能手机、互联网技术在BIM模型中实时地表示出来。

BIM和RFID之间有以下几种情况:

1、没有BIM,也没RFID,这是传统的落后的生产和管理方式,信息采集不及时,信息处理不方便。

2、有BIM,没有RFID,信息处理功能强大,易查找、与项目进展关联,但信息采集不及时,只能依靠手工填写、照相、扫描、录入。

3、有RFID,没有BIM,信息采集及时,信息处理不方便,虽可以实时报告建筑物体现状,但是这些物体的信息仍然是分散的表面的,它们之间缺少关联性,不能形成一个整体,更不能掌握建筑构件之间的逻辑关系,如无法从RFID中获取物体的进度信息、消耗量信息等,更不能分析进度与消耗量之间的内在联系。

4、有BIM,有RFID,这是最理想的状态,两者融合,如虎添翼,价值倍增,它是未来建筑业信息化的发展方向,RFID技术解决信息采集及时性问题,BIM带来的信息处理的高效性共享性。

国内BIM在物联网上应用案例有2008年北京奥运会的“奥运村空间规划及物资管理信息系统”,即采用了以BIM建筑信息模型为基础的数据信息管理。设计师将奥运村空间规划及设施以三维图形方式处理并创建BIM建筑信息模型数据,在完成奥运村空间规划的同时,就自动产生与奥运村三维图形对应的奥运村物资、设施数据库,这确保了奥运村的资产管理、物流服务可视化和高效性。该信息管理系统以BIM为基础,同时配合专业的协同作业软件,使得奥运村的空间规划、物流服务可以实现在线集中远程即时管理和控制。这是基于BIM物联网应用的雏形,也是成功应用案例,可以作为未来BIM在物联网上应用的一种模式。BIM在物联网上应用前景广阔。它将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种硬件装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络,而当物联网与建筑信息模型BIM融合集成,就能发挥更大的作用。

物联网没有建筑信息模型作为基础性信息源正如ERP没有基础性工程数据的支撑都将成为无水之源,问君哪得清如许,为有源头活水来。BIM是ERP和物联网之不竭源头。

不论是BIM还是物联网都将催生一个巨大产业,为了实现对城市的智能化管理,需要把现有城市建筑进行数字化虚拟化,即BIM,甚至对已被破坏的古建筑通过BIM进行还原,通过对在建建筑进行BIM进行动态管理。香港房屋署大力推动BIM应用于实际工程,香港地铁运营阶段用BIM实现采光、能耗、烟雾、人流和可视化碰撞检测。在全港八十二座地铁车站中,已完成了二十多座的BIM建模。凡是建筑都可BIM,都应该BIM,然后通过物联网把它们组织成一个无所不在的巨大网络,进入控制中心进行集中式管理。

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