彭 琛，朱永磊，窦 强，林美顺，王 胜，王 巍，孟 芦，冯复汉（.博锐尚格科技股份有限公司,北京 00096；.青建集团股份公司，山东 60000）

随着建筑行业信息化发展，以 BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）为核心的研究及应用在国内外建筑领域日渐兴起。BIM 是对建筑物物理和功能特性的数字化表达，是其全生命期内各种信息的集成。BIM 技术的出现打破了传统建筑管理模式，使建筑管理者在建筑设计、施工、运维阶段的认识和控制都进入到一个新的阶段，为建筑物整个生命期提供可信赖的、信息共享的知识资源。

现阶段 BIM 技术主要应用于建筑设计施工阶段，适用于运维阶段的 BIM 技术还不成熟。建筑的运维阶段是建筑生命期中持续时间最长，所消耗能源和投入最大的一个阶段，只有做好建筑运维中的管理，才能真正实现 BIM 技术对建筑全过程管理的目标。

BIM 运维模型与设计模型存在诸多不同，这使得 BIM 运维模型的轻量化发展策略也具有一定的独特性。本文就 BIM运维模型轻量化技术的发展目标、技术难题进行分析讨论，提出一些可行的发展建议。

1 BIM 运维模型及 BIM 轻量化概述

1.1 BIM 技术在运维中的应用

BIM 应用在设计和施工过程中，可以使得各个环节能够更好地配合，减少图纸错误，减少质量事故，增加项目实施的透明度和可控性[1-3]。BIM 技术为建筑施工过程中不同的参与者(如建筑师、结构工程师、施工者等)提供了良好的技术合作平台。基于 BIM 的协同设计采用三维集成设计模型，直接从模型中获取各专业的视图和设计所需要的信息。不同专业的设计者通过中间模型处理器对模型进行操作，建立和修改与其专业相关的各种信息[4]。

BIM 技术的出现虽然是为了实现建筑全生命期的信息集成，但在应用初期主要是作为支持建筑数字化设计的重要工具[5]，直到近几年才开始逐渐与运维需求相结合[6]。

BIM 技术与建筑后期运营维护阶段的结合，主要包括空间管理、资产管理、维护管理、公共安全管理和能耗管理[7]。这既是 BIM 技术在建筑全寿命期内实现管理闭环的应用需求，也是实现 BIM 价值最大化的技术手段。

原有 BIM 模型中包含的信息和关系过于复杂，无法满足后期运维系统的信息需求，通常由本地高性能计算机进行处理和查看。因此，首先要简化原有 BIM 模型中不必要或不相关的组件[8]。在运维阶段，更多的是关注设备性能和系统运行情况，需要记录和显示建筑设备等实时动态参数，而设计和施工阶段不会涉及该类信息。因此，需要开发专门针对运维阶段的 BIM 模型或插件，而模型轻量化是影响 BIM 技术应用的关键问题之一。

由于缺乏应用 BIM 技术进行智慧运维管理的数据基础、缺乏面向已经竣工并投入使用的绿色建筑运维管理特点的BIM 模型、缺乏对运维管理阶段 BIM 模型建模技术路径与设计和施工阶段的差异性研究、缺乏对 BIM 模型在运维领域应用的底层数据建模标准，国内尚未出现较成熟的针对已经竣工的既有绿色建筑的 BIM 运维模型轻量化技术。

1.2 BIM 模型的轻量化研究

随着数字化、物联网技术的发展，BIM 运维逐渐成为热点。经过近年来的快速发展，BIM 对整个建筑行业的作用是毋庸置疑的。与普通的三维模型不同，BIM 模型不仅是三维模型，而且包含了大量的工程项目信息。换句话说，由这些信息形成的数据库与 3D 模型相关联，其体量是相当大的。如果将 BIM 模型直接引入运维管理平台，复杂的建筑设备系统、庞大的 BIM 运维数据，将对硬件设备造成巨大负担，影响运行速度。因此，BIM 模型轻量化成为建筑 BIM 运维行业发展的瓶颈。例如，一个购物广场的 BIM 运维模型包含了 500+模型文件，2 000+图纸文件，1 000+ G 的文件大小，每天要处理 100 万次的操作请求，5 000 G 的流量以及2 000 余个业务流程。如此海量的数据、复杂的存储模式与错综复杂的业务流程使大多数应用方望而却步。

轻量化是对模型的三角面片数、纹理贴图以及属性信息的优化处理，以达到方便使用的技术。国内外对 BIM 模型轻量化的研究主要集中在渲染场景的管理和模型数据的优化上。渲染场景的管理主要是基于八叉树的场景管理，如郑坤[9]、吴慧欣[10]等都基于八叉树原理实现了渲染场景的管理。Cignoni P[11]等结合八叉树原理与边折叠算法简化网络，优化模型的渲染。在模型数据的优化方面主要为多细节层次（LOD）算法，根据显示需求分层次地简化模型。LOD 模型生成算法中比较常见的是几何元素删除法，根据处理模型三角面片的方式，可分为顶点删除法、边折叠法、三角形折叠简化法等[12]。

此外，随着通信技术的进步，近些年基于互联网云端储存的方式也有一些 BIM 技术轻量化的研究进展。比如清华大学的张建平教授等根据分布式存储信息与 BIM 构件之间的关联技术，开发了基于 Web 的项目集成管理系统[13]。王珩玮等人将 BIM 技术与 WebGL 技术相结合，开发了 BIM 模型三维浏览及信息管理系统[14]。此外，基于云的 BIM 存储、桌面云技术与通信和存储技术相结合的轻量化研究也很多。BIM 模型轻量化解决了原 BIM 模型体量大不利于显示的缺点，将 BIM 模型从桌面端转移到 WEB 端、移动端[8]。

总的来说，BIM 模型轻量化技术主要集中在模型显示、模型存储等方面，针对 BIM 运维阶段的轻量化研究还处在比较初期的阶段。近些年，BIM 技术在运维阶段的应用以及轻量化研究逐步得到重视，但对于 BIM 运维模型轻量化的优化方向、侧重点的讨论还不够深入。

本文针对 BIM 运维阶段轻量化的特点和目标展开讨论，发掘探讨运维阶段轻量化过程中存在的技术难点，提出实现面向运维的模型轻量化的发展建议，为进一步实现 BIM 运维阶段模型轻量化提供参考。

2 运维阶段 BIM 轻量化目标探讨

BIM 轻量化是为了让用户更便捷地获取建筑所包含的各类信息，从而节省人力投入，降低运营成本[15]。借助 BIM轻量化平台，方便用户在视听等多重感官的传达下，更方便地使用模型[6]。以具体工程为例，运用轻量化技术，通过BIMBOX 平台输出的成果可指导机电工程的施工。结果证明，轻量化技术能够很好地降低对硬件的要求，有效地提高工作效率与施工的精细化管理[2]。

2.1 BIM 模型在建筑生命期的使用

要讨论 BIM 模型轻量化的目标，首先要明晰 BIM 技术是在为谁服务。业主是 BIM 技术应用的最大受益方，而贡献最大的是设计单位，动力最大的是施工单位。根据建筑生命期的不同阶段和不同使用者，可以将 BIM 的应用归纳为四个阶段。

设计阶段：设计阶段是 BIM 数据库平台搭建的关键阶段。设计单位要完成建筑自身的数字化描述，在 BIM 数据流标准方面发挥主导作用。此阶段只要按照建筑工程设计信息模型的制图标准提供符合要求的设计文件，设计文件的 BIM轻量化就基本实现了，这也是未来行业的常规要求。

招标投标阶段：在轻量化应用的模式下，建设方搭建平台，设计方构建数据模型框架，招标方开放投标单位一个临时用户身份进入 BIM 平台，并根据平台设定的权限引用一些统一标准的开放数据。根据这部分公开资料提交投标方案和报价。如何将项目 BIM 系统数据与评标系统数据进行对接，是这个阶段重点需要解决的关键问题。

施工阶段：施工方是 BIM 管理模式的使用方之一，在BIM 数据框架中利用数据、更新数据、优化施工、降低成本。利用 BIM 数据（不是模型）对施工过程进行方案演算和成本测算、加快工程价款审核的进度等都有利于施工阶段高效管理。由于参与施工的各方（包括建设、监理、工程造价咨询服务、施工单位等）在平台上使用相同的数据源，输出的工程量也是唯一的，不存在“报量、核量、确认”的重复过程，这明显提高了管理效率。

运维阶段：运维阶段是建筑生命期中所占时间最长，消耗能源最大的一个阶段。综合利用 BIM 技术，可以开展建筑运维阶段设备与空间、能耗、应急、资产等方面的管理。而设备与空间管理还包含了楼宇自动化系统（BAS）、照明系统、暖通空调系统、机电系统、消防系统、安防系统等相应设备的信息维护。BIM 系统不仅要对上述内容进行运行展示、调取信息等，还要切实解决动态数据收集、实时调节、预警报警等实际运维中面对的各种问题。

BIM 技术在建筑工程生命周期各阶段的应用，总结如表1所示[17]。

表1 BIM 技术在建筑工程生命周期各阶段的应用

2.2 BIM 运维模型的特点

通过梳理 BIM 技术在建筑生命期各阶段的应用，可以看出，BIM 模型在设计阶段、招标投标阶段和施工阶段，比较注重建筑实际使用构建的外形、材质等参数，对建筑的可视化渲染展示有较高的要求；而在运维阶段，更注重运维过程中的动态参数，关注的重点由建筑本体转变成了建筑内的设备和计量仪表、传感器等。建筑运维的本质要求是对运营过程中持续产生的多维、海量信息进行综合处理。因此，BIM 模型在运维管理阶段具有如下的特点。

（1）注重独立系统的连接和运维，比如空调系统、照明系统、消防系统等，相比于空间关系，更注重系统内设备的连接和数据的传递。

（2）以数据为核心，以管理调控为技术应用目标。很少调取建筑构造细节等在设计、建设过程中的重要参数，而注重系统运维过程中的动态数据与系统静态数据的综合处理功能。

（3）以实用为目的，对渲染展示效果不做太高要求，更注重操作的便捷性。

2.3 BIM 运维模型轻量化的目标

由于 BIM 技术在运维阶段的这些应用特点，BIM 运维模型的轻量化工作也需要据此做出调整。比如，BIM 技术在工程建设管理方面，建筑数据模型的可视化一直是其闪光点，也是造成使用成本居高不下、难以推广的原因。然而在 BIM运维模型中，并不需要过分强调可视化模型管理，而需要转变思路，在弱可视化的基础上建立数据模型，实现快捷、便利的 BIM 轻量化运用，从而进一步实现建设项目过程控制的优化管理[3]。

面向运维的 BIM 模型更应该注重数据的保存和提取。一个好的轻量化平台需要的不仅是显示方面的流畅，同时还要兼顾模型格式的全面支持及保真，另外也要满足业务方面的数据需求。从数据的角度出发，BIM 运维模型的轻量化目标分为三个层次：压缩、存储、加载。在压缩过程中，要求在保证模型和数据准确的前提下尽可能地降低文件大小；存储过程中要求降低数据的重复存储，降低存储空间；由于 BIM运维模型更注重信息的使用，所以模型数据加载时的速度也是重点关注的方面。

因此，BIM 模型集成处理、大体量模型云端轻量化处理转换、数据存储及管理、模型轻量化快速加载等技术是 BIM运维模型需要关注的重点。

3 BIM 运维模型轻量化的主要问题与技术路线

3.1 BIM 运维模型轻量化的主要问题

由于现阶段大多数 BIM 模型只是面向建造过程而设计，使得模型设计导向并不满足运维使用需求。如果将建造阶段的 BIM 模型直接应用于运维阶段，存在很多困难。

（1）BIM 运维模型接入设备繁多且数据不统一。运维阶段由不同的弱电厂家的楼宇自控系统提供支持，典型的系统包括消防、安防、门禁、空调、照明、电梯等。建筑信息的分类和定义受到不同专业领域的影响，难以形成一套统一的数据表达规范，而只能在通信层面实现互联互通。

（2）BIM 运维模型加载集成了大量动态数据。建筑综合运维管理是以建筑内各个运维系统中进行实时监测的动态数据为基础的，需要采集如室内温度、冷机运行数据、照明开关、电梯运行、烟感采集数据等大量的实时数据。在以设计建造为目标的 BIM 模型中，缺乏相关数据承载的接口和展示平台。此外，此部分数据量巨大，且对系统整修、能耗分析等都具有重要作用，需要合理安排数据存储、提取等相关问题。

（3）BIM 运维模型需要将大量交错的数据进行综合处理。建筑运维过程中既有纵向的独立系统，又有横向的空间关联。比如照明系统为独立系统，但在楼宇控制中，房间内的照明设备开关可能会影响窗帘调整，而窗帘变化又可能引起空调系统的调节。再比如，消防系统报警，会影响空调通风系统、供电系统、电梯系统等多方联动。所以对建筑数据交互进行综合管理，是用好 BIM 系统的关键。

设备接入繁琐是 BIM 运维模型推进过程的巨大阻碍，因此数据集成是 BIM 运维模型使用并且用好的关键。针对这些问题，结合 BIM 运维模型轻量化目标，本文提出了两点 BIM运维模型轻量化的技术解决方案。

3.2 以数据字典为基础的 BIM 运维模型框架

IFC (Industry Foundation Classes)是 1997 年初由 IAI 组织开发的建筑信息共享标准, 为土木建筑行业提供了通用的数据表达模型和标准。2007 年国家科技支撑计划课题“绿色建筑全生命周期设计关键技术研究”启动，研究应用 IFC 标准解决信息交换与共享等技术难题，促进其在我国的应用[4]。

参照 IFC，为了解决 BIM 运维模型中设备繁多没有统一标准的问题，建立绿色建筑 BIM 运维数据字典体系是可行有效的解决办法。

数据字典是一种基于语义的对建筑和建筑中的各类机电系统进行信息化表达的标准方法。针对缺乏BIM运维阶段底层数据建模标准的需求，可以通过开展对于数据分类、编码、语义定义等方面的标准化研究，解决统一 BIM 底层数据建模标准的问题。如图 1 所示，数据字典与 BIM 运维管理平台的关系。该方法与通信协议无关，与系统功能无关，与弱电厂商无关，是面向客观物理对象和物理过程所构建的一套信息表达标准，具有良好的扩展性和交互性。

图1 数据字典与 BIM 运维管理平台的关系

数据字典是系统物理层与应用层的逻辑纽带，是大数据平台的业务逻辑基础，起到将异构数据标准化，一站式支持应用开发的作用。以数据字典为基础，考虑到建筑运维过程所涉及的系统复杂多样，可以建立以数据字典为基础，分层次分系统的子系统运维模型，如图 2 所示。

图2 数据字典的应用框架

通过数据字典的标准化定义，将多样复杂的设备接入BIM 运维系统。数据底层来自数据采集设备层的各传感器与执行器设备，通过子系统对数据进行集成，进行子系统内的调控管理，进一步集合各子系统，形成项目集成管理平台，进而在集团中心平台层面，基于底层标准化的数据接入，形成建筑运维数据字典标准下的建筑信息数据中台，并最终服务于集团的考核管理体系，为建筑运维管理的高效实现提供强有力的数据支持。

3.3 数模分离实现数据管理轻量化

BIM 的优势在于基于三维模型对建筑空间、机电设备、管网及各类属性的数据进行综合管理。它是满足建筑大数据需求的优秀的数据管理工具，但不是性能良好的数据库。数据平台本身还是要通过数据库工具来实现，以提高效率。BIM 的应用将有利于数据标准化建设和平台建设。

数模分离技术，是将模型的几何信息和模型数据使用分离的技术，将数据单独存储，几何信息保留关键信息，从而使模型的有效数据量大大增加，排除无效工作量。

由于设计、建筑阶段的 BIM 模型所包含的信息和关系对于后期运维系统的要求来说过于复杂，给数据处理造成了很大的负担，因此有必要对原 BIM 模型中不必要或不相关的构件进行简化。比如将模型单独储存，在运维系统中只保留几何模型关键信息，在系统运行时根据需要只调用必要参数，在可视化渲染也尽可能精简。然后在模型基础上进行二次处理，补充 BIM 运维模型实际操作时需要使用的动态监测等数据，而这些数据也有独立的储存路径。最后对模型按照面向对象方式进行持久化与缓存化处理。

4 轻量化发展的建议

通过对 BIM 技术在建筑生命期内功能的分析对比，可以看出 BIM 运维模型的本质需求是对建筑运营中产生的多维海量信息进行综合处理。从 BIM 模型轻量化的角度出发，BIM 运维模型需要在弱可视化的基础上建立数据模型，实现快捷、便利的 BIM 轻量化运用，从而进一步实现建设项目过程控制的优化管理。BIM 模型集成处理、大体量模型云端轻量化处理转换、数据存储及管理、模型轻量化快速加载等技术是 BIM 运维模型需要关注的重点。

BIM 运维模型面临设备庞杂不一、大量数据交错、动态数据集成等难点，应该从运维管理需求出发，从系统结构底层框架、数据存储管理等角度对模型进行轻量化优化。基于此，本文提出了以数据字典为基础，数模分离为路径的 BIM运维模型轻量化理念，希望对 BIM 技术在运维阶段的应用提供帮助。

此外，BIM 技术是面向未来的技术，基于 5G 网络、通信和物联网技术，将 BIM 运维模型的动态数据（比如环境温度、过程动态数据）与虚拟现实、增强现实、图形展示等新技术相结合，可能是未来发展的一个重要方向。